Биотический насос
Биотический насос — это теоретическая концепция, показывающая, как леса создают и контролируют ветры, поднимающиеся с океана, и тем самым доставляют воду в леса, расположенные дальше вглубь суши.
Эта теория могла бы объяснить роль, которую леса играют в круговороте воды : деревья забирают воду из почвы, а микроскопические поры на листьях выделяют неиспользованную воду в виде пара в воздух. Этот процесс известен как эвапотранспирация. Биотический насос описывает, как водяной пар, выделяемый деревьями, может вызывать ветры, и эти ветры могут пересекать континенты и доставлять эту влагу в далекие леса. Благодаря этому процессу и тому факту, что листва в лесах имеет площадь поверхности, леса могут доставлять в атмосферу больше влаги, чем испарение из водоема или водоема эквивалентного размера. [1]
Предыдущая гипотеза этого цикла описывает, как осадки, приносимые ветрами, являются прямым результатом изменений температуры и давления. Гипотеза биотического насоса демонстрирует, насколько важны наши тропические леса для окружающей экосистемы. Тропические леса чувствительны к антропогенным факторам (например, вырубке лесов), которые могут повлиять на биотический насос; следовательно, это влияет на другие экосистемы, процветание которых зависит от биотического насоса. Без наших тропических лесов погода была бы менее стабильной, а количество осадков могло бы уменьшиться в регионах, которые полагаются на биотический насос для получения воды. [2] Кроме того, мы можем получить более глубокое представление об эволюции покрытосеменных растений , а также о взаимосвязи между экологией и внутренним орошением континентов. К 2022 году эта концепция была сформулирована более широко и связана с важностью прекращения вырубки лесов, восстановления гидрологического цикла и планетарного охлаждения. [2] [3]
Концепция
[ редактировать ]
Термин «биотический насос» подразумевает систему циркуляции, приводящую в движение биологические процессы. Эта концепция показывает, что леса являются основным фактором управления атмосферными процессами, обеспечивающими циклический цикл осадков, поглощаемых деревьями на всех континентах и возвращающихся в атмосферу для дальнейшего цикла. [4] Эвапотранспирация в прибрежных лесах создает низкое атмосферное давление, создавая эффект всасывания водяного пара из океана. До появления теории биотического насоса считалось, что деревья играют пассивную роль в круговороте воды. [5] Напротив, те, кто разрабатывает концепцию биотического насоса, утверждают, что «лес и деревья являются основными регуляторами водного, энергетического и углеродного циклов». [6] В районах, где в настоящее время испаряется больше осадков (на суше, а не над океаном), объем атмосферы уменьшается гораздо быстрее. Это приводит к тому, что над этой областью формируется низкое давление, вызывая испарение большего количества влажного воздуха, чем в областях с меньшим количеством дождя. Это приводит к тому, что влага в воздухе переходит из области высокого давления в область низкого давления. Такие факторы, как яркий солнечный свет в лесных районах и пустынях, могут влиять на перенос влаги в воздухе. Увеличение количества испарения или транспирации приведет к снижению атмосферного давления по мере образования облаков, что впоследствии приведет к переброске влажного воздуха в регионы, где суммарное испарение максимально. В пустыне это будет соответствовать морю, тогда как в лесу влажный морской воздух будет затягиваться вглубь суши. Теория предсказывает два разных типа осадков от побережья до континентальных: во-первых, в лесной зоне нельзя ожидать уменьшения количества осадков по мере продвижения вглубь страны, в отличие от обезлесенного региона, где наблюдается экспоненциальное уменьшение годового количества осадков. Хотя современные модели глобального климата хорошо соответствуют этим закономерностям, утверждается, что это связано с параметризация , а не достоверность теорий. [7]
Развитие теории
[ редактировать ]
Теория биотического насоса была разработана учеными Анастасией Макарьевой и покойным Виктором Горшовым, российскими физиками-теоретиками, работавшими в отделе теоретической физики Петербургского института ядерной физики. [8] Доктор Макарьева проводила время как для отдыха, так и для профессиональной деятельности в северных лесах России, самых больших лесных массивах на планете. Она утверждает, что традиционное понимание того, что ветры вызваны разницей в температуре воздуха, не полностью объясняет динамику ветра, и пришла к выводу, что падение давления, вызванное превращением водяного пара в воду, было более точной моделью. [9] Ее первоначальные исследования в значительной степени игнорировались и подвергались критике. [10]
Эта теория представляет собой сдвиг парадигмы от геомеханического взгляда на динамику климата к включению биологии в качестве движущей силы климата. Таким образом, теория подверглась критике со стороны ведущих наук о климате. Фред Пирс считает, что это отчасти связано с культурой. «Наука, как я знаю из сорока лет работы, может быть на удивление племенной. Макарьева и Горшков были аутсайдерами: физики-теоретики в мире климатологии, русские в области, где доминируют западные учёные, а в случае Макарьевой ещё и женщина». [9]
Предполагается, что существует четыре наземных центра переработки влаги: бассейн Амазонки, тропические леса Конго, Южная Азия и Индонезийский архипелаг. В частности, гидрологическая динамика бассейна Амазонки до сих пор неясна, но указывает на достоверность гипотезы биотического насоса. Эти процессы способствуют созданию «безопасного рабочего пространства для человечества». [11] Кроме того, теория биотического насоса может помочь объяснить другие природные явления по всему миру. Например, биотический насос может помочь объяснить, почему тропические леса, такие как Амазонка и Конго, способны выдерживать большое количество осадков, в то время как в других безлесных биомах количество осадков уменьшается по мере продвижения вглубь страны. [4]
Атмосферные (или летающие) реки , ранее называвшиеся тропосферными реками, [12] — это ветры, которые улавливают водяной пар, выделяемый лесами, и уносят влагу в отдаленные водоемы. [1] Эти реки усиливаются благодаря биотическому насосу на больших расстояниях. Атмосферная река, протекающая через Амазонку, течет на юг, обеспечивая бассейн реки Плейт 50% осадков. [5] Реки северо-запада Китая получают более 70% осадков из Европы и Северной Азии. [13] К 2022 году эта концепция получила широкое признание. [14]
Как биотический насос управляет гидрологическими процессами
[ редактировать ]
- Цикл начинается, когда осадки из океана перерабатываются в ландшафтах посредством циклов осадков и эвапотранспирации. За счет транспирации и конденсации леса создают низкое давление, которое вытягивает влажный воздух из океана. [7] [8]
- Транспирация и испарение возвращают воду в атмосферу вместе с микробами и летучими органическими соединениями (ЛОС). Переносящиеся по воздуху микробы образуют ядра дождя. [15]
- Биологически индуцированные воздушные потоки переносят атмосферную влагу дальше вглубь суши.
- Благодаря дождевым дождям растительность способна выжить и, возможно, процветать, сохраняя лесной покров. Лесные районы имеют более умеренный климат за счет транспирационного охлаждения и тени. Свет, проникающий в лесную подстилку, может составлять всего 1% по сравнению с расчищенными прилегающими территориями. [16] В районах, где больше расчищенных земель подвергается воздействию, преобразование лучистой энергии в физическое тепло увеличивается. В лесных районах значительно прохладнее, чем в районах с редкой растительностью или голой землей. [17]
- Деревья собирают воду, перехватывая туман и влажный воздух. Атмосферная влага конденсируется на листьях и ветвях. Биомимикрия этого процесса происходит с использованием противотуманных сетей .
- Кроны деревьев замедляют продвижение дождя на поверхность почвы и смягчают воздействие. Кроме того, за счет обеспечения органического вещества и экспорта углерода через корни в микоризную сеть создается почвенный углерод , улучшающий структуру почвы для проникновения и хранения воды.
- Почвы с повышенной скоростью инфильтрации и хранения смягчают последствия наводнений. Этому способствует еще и лесной покров, защищающий почву от эрозии. Вода, просачивающаяся в почву, может помочь пополнить водоносные горизонты .
Связь с гидрологическим циклом и умеренностью климата.
[ редактировать ]Из примерно шести триллионов деревьев на планете осталось примерно три триллиона. [9] Наряду с другой наземной и морской растительностью, они фотосинтезируют сахара, обеспечивая основной ингредиент жизни и роста. Этот процесс также производит кислород и удаляет углекислый газ из воздуха. Деревья также обеспечивают пищу и древесину, а также способствуют сохранению биоразнообразия. Кроме того, лесные угодья обеспечивают достаточно воды для жизни людей и животных, особенно в метко названном тропическом лесу .
Напротив, засушливые земли составляют примерно 41% площади суши Земли и являются домом для двух миллиардов человек. [18] Это хрупкие экосистемы. Неблагоприятные погодные условия и давление в результате деятельности человека могут быстро истощить водные ресурсы.
Проекты восстановления растительности дают доказательства того, как восстанавливающаяся растительность восстанавливает количество осадков. Раджендра Сингх , Водный человек Индии, возглавил движение, которое восстановило несколько рек в Раджастане, увеличив растительный покров с 2% до 48%, охладив регион на 2%. тот Цельсия и увеличение количества осадков. [17] , [19] В 2022 году проект Великой зеленой стены в Африке был завершен на 15%. Моделирование показывает, что завершение строительства стены может снизить среднюю температуру в Сахеле на целых 1,5. тот Цельсия, но может повысить температуру в самых жарких районах. Количество осадков увеличится, а в некоторых районах даже удвоится. [20] Китай также реализует проект Великой зеленой стены протяженностью 4500 км , чтобы остановить наступление пустыни Гоби .
Фраза «коридор биодождя» описывает связанный участок леса, который поддерживает поток атмосферной влаги и осадков. [21] Продолжающаяся вырубка лесов создает риск нарушения потоков атмосферной влаги. В 2022 году разрабатывались процессы для моделирования механизма биотического насоса для определения воздействия вырубки лесов и воздействия нарушения непрерывности леса на потоки атмосферной влаги. [22]
Существует острая необходимость дальнейшего понимания этой динамики. «Водные и энергетические циклы, обусловленные лесами, плохо интегрированы в региональные, национальные, континентальные и глобальные процессы принятия решений по адаптации к изменению климата , смягчению его последствий, землепользованию и управлению водными ресурсами. Это ограничивает способность человечества защищать климат нашей планеты и функции поддержания жизни». [6]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б «Спорная российская теория утверждает, что леса не просто вызывают дождь, они создают ветер» . www.science.org . Проверено 4 марта 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Баньярд, Питер Пол (21 августа 2015 г.). Как биотический насос связывает гидрологию и тропический лес с климатом: ¿Это правда? ¿Как мы можем это доказать? . Университет Серджио Арболеды. дои : 10.22518/9789588745886 . ISBN 9789588745893 .
- ^ Шварц, Джудит Д. «Вырубка лесов может изменить местный и глобальный климат» . Научный американец . Проверено 29 декабря 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Шейл, Дуглас (20 марта 2018 г.). «Леса, атмосферная вода и неопределенное будущее: новая биология глобального круговорота воды» . Лесные экосистемы . 5 (1): 19. дои : 10.1186/s40663-018-0138-y . ISSN 2197-5620 .
- ^ Jump up to: а б Баньярд, Питер (2014). Как биотический насос связывает гидрологию и тропический лес с климатом: правда ли это? Как мы можем это доказать? . Университет Серджио Арболеды. ISBN 978-958-8745-89-3 .
- ^ Jump up to: а б с Эллисон, Дэвид; Моррис, Синди Э.; Локателли, Бруно; Шейл, Дуглас; Коэн, Джейн; Мурдиарсо, Даниэль; Гутьеррес, Виктория; Нордвейк, Майне ван; Крид, Ирена Ф.; Покорный, Джон; Гаво, Дэвид; Спраклен, Доминик В.; Тобелла, Аида Баргес; Ильстедт, Ульрик; Теулинг, Адриан Дж. (01 марта 2017 г.). «Деревья, леса и вода: интересные идеи для жаркого мира» . Глобальное изменение окружающей среды . 43 : 51–61. дои : 10.1016/j.gloenvcha.2017.01.002 . ISSN 0959-3780 .
- ^ Jump up to: а б Шейл, Дуглас; Мурдиярсо, Дэниел (1 апреля 2009 г.). «Как леса привлекают дождь: проверка новой гипотезы» . Бионаука . 59 (4): 341–347. дои : 10.1525/био.2009.59.4.12 . ISSN 0006-3568 . S2CID 85905766 .
- ^ Jump up to: а б Макарьева А.М.; Горшков, В.Г. (27 марта 2007 г.). «Биотический насос атмосферной влаги как двигатель гидрологического цикла на суше» . Гидрология и науки о системе Земли . 11 (2): 1013–1033. doi : 10.5194/hess-11-1013-2007 . ISSN 1027-5606 .
- ^ Jump up to: а б с Пирс, Фред (2021). Триллион деревьев: как мы можем восстановить лес в нашем мире . Лондон. стр. 62–63. ISBN 978-1-78378-691-6 . OCLC 1232226703 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Мистерс, AGCA; Долман, Эй Джей; Брейнзель, Луизиана (16 января 2009 г.). «Комментарий А. М. Макарьевой и В. Г. Горшкова к статье «Биотический насос атмосферной влаги как движущая сила гидрологического цикла на суше», Hydrol. Earth Syst. Sci., 11, 1013–1033, 2007» . Дискуссии по гидрологии и наукам о системе Земли . 6 (1): 401–416. дои : 10.5194/hessd-6-401-2009 .
- ^ Вундерлинг Н., Вольф Ф., Тюйненбург О.А., Стаал А. (ноябрь 2022 г.). «Сетевые мотивы формируют четкое функционирование центров переработки влаги на Земле» . Природные коммуникации . 13 (1): 6574. doi : 10.1038/s41467-022-34229-1 . ПМЦ 9630528 . ПМИД 36323658 .
- ^ Чжу, Юн; Ньюэлл, Реджинальд Э. (1 сентября 1994 г.). «Атмосферные реки и бомбы» . Письма о геофизических исследованиях . 21 (18): 1999–2002. дои : 10.1029/94GL01710 .
- ^ Чжао, Тунтиган; Чжао, Цзяньши; Ху, Хунчхан; Ни, Гуанхэн (01 марта 2016 г.). «Источник атмосферной влаги и осадков над бассейнами крупнейших рек Китая» . Границы науки о Земле . 10 (1): 159–170. дои : 10.1007/s11707-015-0497-4 . ISSN 2095-0209 . S2CID 55778662 .
- ^ «Что такое атмосферные реки?» . Австралийское географическое издание . 09.10.2022 . Проверено 8 апреля 2023 г.
- ^ Шантл-Темкив Т., Амато П., Касамайор Э.О., Ли П.К., Пойнтинг С.Б. (июль 2022 г.). «Микробная экология атмосферы» . Обзоры микробиологии FEMS . 46 (4). дои : 10.1093/femsre/fuac009 . ПМЦ 9249623 . ПМИД 35137064 .
- ^ Чаздон, РЛ; Фетчер, Н. (1984), Медина, Э.; Муни, штат Ха; Васкес-Янес, К. (ред.), «Световая среда тропических лесов» , Физиологическая экология растений влажных тропиков: материалы международного симпозиума, состоявшегося в Оксатепеке и Лос-Тустласе, Мексика, с 29 июня по 6 июля 1983 г. , Задачи по растительности, вып. 12, Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 27–36, doi : 10.1007/978-94-009-7299-5_4 , ISBN. 978-94-009-7299-5 , получено 14 ноября 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Брюс-Ири, Питер (2022). Как растения охлаждают и лечат климат: поиск решений рядом с домом . Вангарей, Новая Зеландия. ISBN 978-0-473-63353-0 . OCLC 1349731259 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ «Засушливые земли – глобальная оценка» . www.фао.орг . Проверено 14 ноября 2022 г.
- ^ «Стражи природы: как доктор Раджендра Сингх, индийский водник, начал свой путь к сохранению воды» . Погодный канал . Проверено 14 ноября 2022 г.
- ^ «Великая зеленая стена Африки может иметь далеко идущие климатические последствия» . 03.01.2022 . Проверено 14 ноября 2022 г.
- ^ Ло, Альфа. «Биодождевой коридор» . Climatewaterproject.substack.com . Проверено 14 ноября 2022 г.
- ^ Кантен, Гийом; Вердьер, Натали (01 августа 2020 г.). «Сети лесных экосистем: математическое моделирование их механизма биотического насоса и устойчивости к вырубке лесов на определенных участках» . Экологическая сложность . 43 : 100850. doi : 10.1016/j.ecocom.2020.100850 . ISSN 1476-945Х .