Как леса направляют воздушные реки

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Ли Б.-Л. (2012) Вновь к проблеме влияния леса на атмосферный транспорт водяного пара и осадки. Theoretical and Applied Climatology, doi: 10.1007/s00704-012-0643-9.

Круговорот воды на суше обязан своим существованием атмосферному транспорту влаги с океана на сушу. Свойства этих влажных воздушных рек, осуществляющих приток водяного пара вглубь континента для компенсации гравитационного стока жидкой воды с суши в океан, напрямую определяют изобилие или нехватку влаги в том или ином регионе. Концепция биотического насоса объясняет, почему воздушные реки охотно текут с океана на сушу, если та покрыта естественным лесом, и почему они не делают этого, когда лес на суше отсутствует.

По сравнению с предыдущими работами, в новой статье мы использовали глобальную (а не континентальную) базу данных по осадкам, которая позволяет не только исследовать распределение осадков на суше, но и сравнить его с распределением осадков над близлежащим океаном. Мы также проанализировали сезонные (а не только среднегодовые) изменения в распределении осадков в основных лесных регионах мира. Помимо тропических дождевых лесов, мы исследовали распределение осадков вдоль самого длинного (более 7 тыс. км) лесного пояса в мире — Евразийского бореального леса. Эти данные показывают, как активно работающий летом лес выигрывает водяную войну с Атлантическим океаном, стягивает с него практически всю влагу и равномерно распределяет по континенту. Зимой лес спит, не может интенсивно тянуть влагу на сушу и потому проигрывает океану. Поэтому осадки над Атлантическим океаном зимой, несмотря на минимальное испарение над океаном, возрастают в три раза по сравнению с летними. Для сравнения, обезлесенная Австралия не способна затягивать влагу вглубь суши ни в сухой, ни во влажный сезоны, то есть, независимо от изобилия или отсутствия влаги над близлежащим океаном.

В последнее время проявляется удобная для многих тенденция винить глобальные изменения в любых региональных катаклизмах, связанных с круговоротом воды (засухах, пожарах или наводнениях). Результаты по биотическому насосу однозначно свидетельствуют о том, что ответственность за такие катаклизмы лежит на хозяйствующих субъектах, определяющих региональную политику землепользования. На огромных площадях по обеим сторонам Атлантического океана бореальные леса интенсивно используются для получения древесины и биотоплива. Эти леса искусственно поддерживаются на ранних сукцессионных стадиях и не имеют возможности полностью восстановиться до устойчивого (климаксного) состояния. Возможности по регулированию круговорота воды у таких лесов очень малы, а их подверженность пожарам и вредителям — велика. Эксплуатируемые леса неуклонно деградируют; малонарушенные старовозрастные леса уничтожаются. Иными словами, существует нигде не обсуждаемый конфликт между современной коммерческой стоимостью леса и способностью леса регулировать региональный круговорот воды и сохранять собственную устойчивость: эти параметры не могут быть максимизированы одновременно. Таким образом, обеспечение региональной водной безопасности состоит не в том, чтобы просто поддерживать биомассу леса стационарной, а в том, чтобы поддерживать ее стационарной в состоянии максимальной экологической компетентности — то есть, в том естественном состоянии, когда возможности леса по регулированию окружающей среды наиболее высоки.

Русский авторский перевод статьи, Электронное Приложение, анимированные рисунки и научно-популярный текст «Сохранение Евразийского лесного пояса — стратегическая задача России» можно скачать по адресу http://www.bioticregulation.ru/ab.php?id=taac&lang=ru.

Реклама

7 responses to “Как леса направляют воздушные реки

  1. То что я понял из вашего опуса — на отлично!
    Предполагаю, что то чего я не понял — еще лучше! 😉

  2. Продолжающееся разрушение лесного покрова в Евразии приводит к остановке транспорта влаги с океана на сушу в период вегетации. При этом вместо того, чтобы выпадать дождем в глубине континента, влага проливается над океаном и в прибрежных регионах (см. подробнее здесь, раздел «Заключение»). Осадки в прибрежной зоне увеличиваются и становятся хаотическими, а внутреннюю часть континента поражает засуха. Эту картину мы наблюдаем сегодня, когда заливает Швецию и Польшу, наводнение в Крымске, а сельхозрегионы в России вновь страдают от засухи.
    Было бы полезно, если бы исторические данные по осадкам для всех действующих в нашей стране метеостанций (которые оплачиваются налогоплательщиками) были бы легко доступны для анализа рядовым гражданам России в Интернете. Наглядные графики и цифры для всех регионов, сравнение прошлого с настоящим могли бы заинтересовать и тех, кто пока не задумывается об экологических проблемах.

    Погода в мире словно сошла с ума
    Аномальная засуха в регионах России бьёт рекорды по принесённым убыткам
    США подверглись сильной засухе впервые за 12 лет
    В Молдове установилась катастрофическая засуха, грозящая урожаю
    Чтобы прекратилась засуха, президент Молдовы призывает всех больше молиться
    Засуха и саранча осложняют в Якутии кормозаготовительную кампанию
    Засухой в Украине охвачено около 50% посевов сельхозкультур

  3. В работе авторов «СОХРАНЕНИЕ ЕВРАЗИЙСКОГО ЛЕСНОГО ПОЯСА — СТРАТЕГИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА РОССИИ» утверждается, что воздушные реки охотно текут из океана на сушу, если та покрыта естественным лесом, и не делают этого, когда лес на суше отсутствует, таким образом, лесной покров обеспечивает транспорт атмосферной влаги на сушу в континентальных масштабах. Возникает вопрос: «Насколько это утверждение справедливо?»

    Обычно принято считать, что причиной возникновения ветра являются разница температур: теплый воздух поднимается, холодный опускается. Авторами работы, для объяснения этого явления вводится понятие «Биотический насос», который представляет собой механизм, с помощью которого леса создают управляемые ветровые потоки, несущие влагу из океана всему живому на суше. Очевидно, что ветер дует из областей высокого давлениям в области с низким. Как же создать область пониженного давления на суше? Давление воздуха зависит от числа молекул газа. При конденсации водяной пар исчезает из газовой фазы, и давление уменьшается. Поэтому, если поддерживать процесс конденсации над сушей, то суша будет оставаться зоной пониженного давления. Общая плотность поверхности листьев и ветвей деревьев существенно превосходит площадь проекции дерева на поверхности земли. Поэтому испарение с поверхности леса более эффективно насыщает атмосферу водяным паром, чем испарение с открытой водной поверхности той же площади. Следовательно, интенсивная конденсация происходит над лесом. Лес, становится зоной пониженного давления, куда и направляются влажные океанские ветра. Завершая круговорот, влага выпадает осадками над сушей и возвращается в океан в виде речного стока.

    Это утверждение авторов не противоречит здравому смыслу, но абсолютно очевидно, что его масштаб нельзя сравнивать с воздействием Солнца. Основная причина циркуляции атмосферы — солнечная энергия и неравномерность её распределения на поверхности планеты, в результате чего различные участки почвы и воздуха имеют различную температуру и, соответственно, различное атмосферное давление (барический градиент). Кроме солнца на движение воздуха также влияет вращение Земли вокруг своей оси (эффект Кориолиса), неоднородность её поверхности, что вызывает трение воздуха о почву и его увлечение и только в последнюю очередь указанные процессы конденсации. Кроме того, важно учитывать, что в случае отсутствия достаточного количества влаги на испаряющей поверхности, испарение не может быть большим даже при высокой температуре и огромном дефиците влажности. Над сушей в этом случае будет очень велико лишь «возможное испарение». Над водной поверхностью испарение и «возможное испарение» всегда совпадают, поэтому с поверхности океана испаряется влаги в 7,2 раза больше, чем с поверхности суши, и следовательно тезис авторов статьи о том, что испарение над лесом всегда выше, чем над океаном в корне не верен.

    • Уважаемый Vital! Спасибо за Ваш комментарий.

      1. Над водной поверхностью испарение и «возможное испарение» всегда совпадают, поэтому с поверхности океана испаряется влаги в 7,2 раза больше, чем с поверхности суши, и следовательно тезис авторов статьи о том, что испарение над лесом всегда выше, чем над океаном в корне не верен.

      Это утверждение противоречит закону сохранения вещества и хорошо установленным эмпирическим данным. Рассмотрим для простоты покрытый лесом континент и прилежащий к нему регион океана примерно равной площади (например, Амазонка и Атлантика). Осадки над лесом Pf равны сумме испарения над лесом Ef и воздушного притока влаги с океана Rf, который равен речному стоку: Pf = Ef + R. Осадки над океаном Po равны разнице испарения над океаном Eo и оттока влаги на континент R: Po = Eo — R. Для Амазонки известно, что сток составляет примерно половину осадков: R ~ Pf/2, что означает, что вторую половину составляет испарение: Ef ~ Pf/2.

      Если бы, как утверждает Vital, испарение над океаном было бы в 7 раз выше, чем над лесом, Eo = 7 Ef = 7/2 Pf, то осадки над океаном были бы в три раза больше, чем над лесом: Po = Eo — R = 7/2 Pf — Pf/2 = 3 Pf. В реальности же, как показано на рис. 6 в статье в Theoretical and Applied Climatology, осадки над Атлантическим океаном в два раза меньше, чем над Амазонкой (или Конго). Тот факт, что площадь океана на самом деле существенно превышает площадь суши, лишь усиливает этот вывод: если бы испарение над океаном было во много раз больше, чем над лесом, стягивание водяного пара с океана на сушу не могло бы существенно уменьшить осадки над океаном по сравнению с сушей.

      Отметим, что пренебрежение законом сохранения вещества в гидрологии не редкость (см., например, здесь).

      2. Кроме того, важно учитывать, что в случае отсутствия достаточного количества влаги на испаряющей поверхности, испарение не может быть большим даже при высокой температуре и огромном дефиците влажности. Над сушей в этом случае будет очень велико лишь «возможное испарение».

      Это верно, но в нормальном ненарушенном лесу нет отсутствия «достаточного количества влаги», влага присутствует в достаточном количестве, а вот площадь испаряющей поверхности (суммарная площадь листьев) на единицу площади земной поверхности в лесу гораздо больше, чем над океаном. Именно поэтому «испарение с поверхности леса более эффективно насыщает атмосферу водяным паром, чем испарение с открытой водной поверхности той же площади.»

      3. Это утверждение авторов не противоречит здравому смыслу, но абсолютно очевидно, что его масштаб нельзя сравнивать с воздействием Солнца. Основная причина циркуляции атмосферы — солнечная энергия и неравномерность её распределения на поверхности планеты, в результате чего различные участки почвы и воздуха имеют различную температуру и, соответственно, различное атмосферное давление (барический градиент).

      Это утверждение бездоказательно. В метеорологической и климатологической литературе не существует теоретических оценок барического градиента, создаваемого неравномерным нагревом поверхности. Ключевой вопрос, поставленный еще Лоренцом, — почему динамическая мощность атмосферной циркуляции составляет порядка одного процента от солнечной мощности, — до недавнего времени оставался без ответа. (В отсутствие ответа на этот главный вопрос циркуляционные модели просто подгоняются под наблюдения путем задания подходящего к.п.д. тепловой машины атмосферы.)

      Конденсационная динамика позволила впервые получить такую оценку. Было показано, что теоретически оцениваемые градиенты давления, генерируемые конденсацией, хорошо совпадают с наблюдаемыми как для ячейки Хэдли, так и для компактных циркуляционных структур типа ураганов и смерчей.

      4. Кроме солнца на движение воздуха также влияет вращение Земли вокруг своей оси (эффект Кориолиса), неоднородность её поверхности, что вызывает трение воздуха о почву и его увлечение и только в последнюю очередь указанные процессы конденсации.

      Сила Кориолиса и трение воздуха о почву не являются движущими силами циркуляции — они возникают только при наличии движения воздуха независимо от того, что послужило причиной этого движения. Как обсуждалось в п. 3, конденсационная динамика является основным механизмом, генерирующим ветровую циркуляцию на Земле.

  4. Вот неплохая визуализация работы биотического насоса
    http://www.newscientist.com/video/2255144160001-invisible-rivers-in-the-sky-wreak-havoc-on-land.html
    Хотя там речь совсем не о нем, но все ж. А то у вас с наглядностью проблематично.

  5. Рассматриваете ли вы деревья, как генераторы атмосферного электричества? Теоретически, электризация водяного пара отрицательным зарядом должна способствовать более полному попаданию влажного воздуха в высотную зону конденсации (за счёт помощи кулоновой силы) и к большему понижению давления.
    Литератор Антонин Ладинский в своей книге «Ярославна королева Франции» отметил, что обширные дубравы «притягивают грозы». Мы бы теперь сказали, что не притягивают, а создают.
    Есть ли у вас идеи, как вернуть лес в те места, где он погублен сотни и тысячи лет назад?

Комментировать

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s