Лесной насос

Эта страница создана специально для комментариев и вопросов по лесному насосу (биотическому насосу атмосферной влаги).

9 responses to “Лесной насос

  1. Миронов Андрей, Миронова Елена, к.г.н.

    Уважаемые авторы блога bioticregulation!
    Мы хотели бы предложить Вам для обсуждения некоторые экспериментальные данные, которые, на наш взгляд, сходны с функционированием климатической системы Земли.
    Ввиду недостаточности данных для исследования такого сложного вопроса как континентальный влагообмен, а также с целью наблюдения на практике за процессами, происходящими при работе лесного биотического насоса, нами была сконструирована и опробирована экспериментальная установка. Она позволяет наблюдать за следующими процессами:
    1. Постоянный процесс испарения влаги над водной поверхностью с последующей конденсацией (имитирует океаны, моря, реки, озера и т.д.).
    2. Цикличный процесс испарения влаги также с последующей конденсацией, отражающий, по нашему мнению, работу лесного биотического насоса. Цикличный процесс состоит из чередования активного испарения (что соответствует ситуации сразу после дождя) и очень замедленного испарения (что соответствует ситуации длительного отсутствия осадков).
    В результате длительных наблюдений при многократных повторах были получены следующие экспериментальные данные:
    1. Постоянный процесс испарения влаги не приводит к понижению атмосферного давления и перемещению воздушных масс. Мы считаем, что над океаном испарение влаги не приводит к падению давления, т.к. сконденсированные молекулы воды компенсируются поступлением новых молекул при испарении с водной поверхности.
    2. Цикличный процесс испарения влаги на стадии очень замедленного испарения приводит к значительному понижению атмосферного давления и перемещению воздушных масс. Нам представляется, что испарение влаги на покрытой лесом территории приводит к падению давления, т.к. водяной пар, поднимаясь вверх, конденсируется, в то время как почва постепенно высыхает и испарение уменьшается.
    3. Для перемещения воздушных масс необходим значительный градиент давления, который может создаваться при цикличном процессе с разной скоростью (что отражает скорость испарения влаги деревьями).
    4. Нарушение градиента давления, т.е. появление областей нулевого или очень низкого градиента давления приводит к нарушению (прекращению или замедлению) работы лесного биотического насоса. На наш взгляд, это области пустынь или подвергающихся опустыниванию земель, блокирующие поступление влаги с океана на континент с помощью лесного биотического насоса.
    5. Данное замедление работы лесного биотического насоса (в случае, если не произошло полное прекращение его работы) проявляется следующим образом: в области, где происходит испарение влаги деревьями создается очень высокое давление (оно накапливается с той же скоростью, что и при нормальной работе биотического насоса, но в течение более длительного времени, что соответствует наблюдаемым в природе долгим засушливым периодам). Затем по градиенту давления происходит перемещение воздушных масс, объем этих масс, соответственно, значительно больше, что соответствует природным явлениям, когда сразу выпадает очень значительное количество осадков. По нашему мнению, экспериментальные данные по замедлению работы биотического насоса отражают участившиеся в последнее время серьезные колебания континентального влагообмена: длительные засухи и крупномасштабные наводнения в различных регионах мира.
    Изучение континентального влагообмена представляется нам очень важной задачей для определения путей сохранения и восстановления коренных растительных сообществ, которые и обеспечивают биотическую регуляцию влогообмена.

    • Уважаемые Елена и Андрей! Спасибо за Ваш комментарий и интерес к биотическому насосу. Для детального анализа Ваших наблюдений необходимо подробное описание экспериментальной установки. Что касается атмосферных процессов, мы можем сделать следующие замечания.

      Вы пишете, что постоянное испарение не приводит к понижению давления, так как компенсирует происходящую конденсацию. Однако в открытой атмосфере локальная скорость испарения принципиально не может совпадать со скоростью конденсации. Почему это так?

      Конденсация происходит при подъеме влажного воздуха. При этом на место поднявшегося воздуха обязательно должен поступать воздух по горизонтали из близлежащих областей. То есть, конденсация связана с циркуляцией. Область подъема и конденсации мы называем акцепторной областью. Пришедший по горизонтали воздух также содержит водяной пар. Поэтому в области, где происходит подъем, конденсируется как тот водяной пар, который испарился локально, так и тот, который прибыл вместе с воздухом по горизонтали. Если в той области, откуда пришел воздух (мы называем ее донорной областью), величина испарения почти достигает величины испарения в области конденсации, то скорость конденсации будет локально превосходить скорость испарения по крайней мере в два раза. Это во-первых.

      Во-вторых, скорость конденсации зависит от скорости подъема и потому может быть сколь угодно высокой. Скорость испарения определяется другой физикой и зависит от величины относительной влажности у поверхности и, соответственно, от интенсивности перемешивания воздуха вблизи водной поверхности, она ограничена и не зависит от направления перемещения воздуха. Поэтому, в частности, возможны ураганы над поверхностью океана и торнадо на суше. Там скорость конденсации намного превосходит скорость испарения, поэтому стационарность ураганов и торнадо возможно только за счет их перемещения во влажной атмосфере. («Съев» водяной пар в одном месте, они должны перемещаться в другое или распадаться.)

      Что определяет положение донорной и акцепторной областей? При равных величинах испарения в обеих областях положение донорной и акцепторной области случайно. Атмосфера неустойчива по отношению к возникновению конденсационной циркуляции: случайное превышение конденсации над испарением приводит к падению давления и засасыванию воздуха в эту область из других областей, где при той же величине испарения начинается опускание воздуха, а конденсация прекращается. Это определяется физикой процессов, но предоставляет возможность биотического управления осадками: увеличение испарения биотой понижает высоту «точки росы», т.е. высоту, на которой водяной пар становится насыщенным и начинается конденсация. Чем ниже эта высота, тем больше водяного пара в атмосферном столбе, и тем больше конденсация. Акцепторная область — это та, где больше испарение. Этого можно достигнуть даже тогда, когда температура земной поверхности акцепторной области ниже донорной.

  2. Миронов Андрей, Миронова Елена, к.г.н.

    Уважаемые Виктор Георгиевич и Анастасия!
    Наша экспериментальная установка состоит из нагревателя, бака-испарителя, верхнего и нижнего трубопроводов и бака-конденсатора. Ее принцип действия заключается в следующем: при помощи нагревателя вода в баке-испарителе закипает и начинает испаряться, пар в начале проходит по верхнему трубопроводу, а затем – по нижнему, где уже начинает конденсироваться, поступает в конденсатор, из которого он не может выйти, т.к. тот выполняет функцию водяного затвора (заполнен холодной водой). Бак-испаритель работает в цикличном режиме: после того как мы выключаем нагреватель, бак-испаритель остывает, там возникает область пониженного давления, и вода сама засасывается из бака-конденсатора (несмотря на то, что он находится значительно ниже бака-испарителя) обратно в бак-испаритель, полностью его заполняя и компенсируя все потери при испарении, что, на наш взгляд, и отражает работу лесного биотического насоса. Возникающий эффект 100% -го самозасасывания объясняется не только возникновением области пониженного давления в баке-испарителе, а также «сцепленностью» водяного потока. Это образно можно сравнить с наблюдаемым на практике примером, когда водители автомобилей сливают из бензобака в канистру бензин с помощью резинового шланга.
    В экспериментальной установке мы не учитываем перемешивание водяного пара с воздухом в акцепторной области и, соответственно, поступление новых порций воздуха из донорной области при подъеме смеси водяного пара с воздухом в акцепторной области. На наш взгляд, в момент испарения над поверхностью воды, когда молекулы воды еще не перемешались с воздухом, происходит некоторое локальное повышение давления, т. к. увеличивается количество молекул газа в единице объема воздуха. На следующем этапе, когда произошло перемешивание с воздухом, действительно при подъеме воздуха в акцепторной области будет создаваться разряжение, заполняемое потоком воздуха из донорной области. На третьем этапе, когда насыщенный влагой воздух поднимается к облакам, возникает перенасыщенность воздуха водяным паром, происходит некоторое повышение давления. На четвертом этапе при конденсации водяных паров в облачность создается разряжение, заполняемое воздухом из донорной области. Мы считаем, что локальными повышениями и понижениями давления воздуха при испарении и конденсации влаги можно пренебречь, т.к. общий суммарный баланс количества молекул воздуха в атмосферном столбе не меняется, не смотря на происходящие при этом локальные перемещения воздушных масс.
    Мы согласны с Вами, что для описания природы ураганов и торнадо большое значение имеет не совпадение скоростей испарения и конденсации, но на примере экспериментальной установки рассматриваем в основном континенентальный влагоперенос без учета таких крайних случаев.

    • Уважаемые Елена и Андрей!

      Несовпадение скоростей испарения и конденсации является не крайним случаем, но одной из основных характеристик конденсационной циркуляции, которая присуща всем без исключения явлениям, включая континентальный транспорт влаги. Еще раз подчеркнем, что в области конденсации (акцепторной области) при подъеме влажного воздуха конденсируется как водяной пар, принесенный из донорной области через атмосферу, так и локальной испарившийся водяной пар. Это выражается в том, что наблюдаемые осадки P в акцепторной области всегда существенно превышают локальное испарение E. Например, для бассейна реки Амазонки это примерно двукратное превышение, P ~ 2 E. Вообще выполняется равенство P = E + R, где R — это речной сток (на единицу площади бассейна), который в стационарном состоянии равен притоку водяного пара из атмосферы.

      Описание Вашей экспериментальной установки помогает понять, почему до недавнего времени конденсационная атмосферная циркуляция не была описана. Её, в отличие от циркуляции, основанной на Архимедовой плавучести, практически невозможно наблюдать в обычных лабораторных условиях. Это связано с тем, что для того, чтобы произошла конденсация в атмосфере не требуется отвод тепла во внешнюю среду, который бы лимитировал скорость конденсации, — температура поднимающегося газа уменьшается за счет увеличения его потенциальной энергии в гравитационном поле, это может происходить с произвольно высокой скоростью. Опускание обедненного водяным паром воздуха поддерживает относительную влажность, меньшую единицы, у поверхности Земли, что позволяет испарению происходить постоянно, а не в результате внешнего нагрева, как в экспериментальной установке. Характерная высота, на которой происходит связанное с гравитационным полем охлаждение, равна нескольким километрам, поэтому при движении газа в лабораторных условиях этот процесс наблюдать очень трудно.

  3. Миронов Андрей, Миронова Елена, к.г.н.

    Уважаемые Анастасия и Виктор Георгиевич!
    Ваш детальный анализ работы нашей экспериментальной установки помог нам понять суть конденсационного механизма континентального переноса влаги. Именно Ваше указание на то, что при подъеме испарившегося водяного пара в атмосферу происходит понижение его температуры, т.к. увеличивается потенциальная энергия молекул воды в гравитационном поле Земли, можно сказать, «раскрыло нам глаза»! Теперь мы полностью с Вами согласны, что несовпадение скоростей испарения и конденсации влаги лежит в основе континентального влагообмена.
    Мы по-новому взглянули на процессы, происходящие при работе экспериментальной установки. Несмотря на то, что в лабораторных условиях проблематично имитировать подъем водяного пара на несколько километров от поверхности Земли, сам процесс конденсации наблюдать можно. Сейчас мы не сомневаемся, что после выключения нагревателя в баке-испарителе происходит не некоторое снижение давления (как нам раньше ошибочно представлялось), а конденсация остывшего водяного пара и быстрое возникновение области очень пониженного давления, которая стремительно и полностью засасывает всю воду, до этого испарившуюся. Вы пишете, что процесс конденсации в атмосфере в отличие от лабораторных условий не лимитируется отводом тепла во внешнюю среду, но в нашей установке, благодаря особенностям конструкции бака-испарителя (стенки выполнены из тонкого железа, внешняя поверхность имеет большую площадь), процесс остывания происходит быстро. Мы наблюдали, но не имели должного объяснения, что при повышении температуры окружающего воздуха возле бака испарителя нарушается процесс самозасасывания, что, конечно, происходило из-за недостаточного отвода тепла в момент конденсации.

    • Уважаемые Елена и Андрей!
      Мы рады, что обсуждение оказалось полезным. Изменение температуры в баке влияет на изменение давления наряду с конденсацией/испарением. Относительную величину этих двух факторов легко оценить. Поскольку давление сухого воздуха пропорционально температуре, то при комнатной температуре в 300 К (27 градусов Цельсия) увеличение температуры бака на 10 градусов приведет к увеличению давления сухого воздуха примерно на 3 процента. Парциальное давление насыщенного водяного пара при 300 К составляет около трех процентов от нормального атмосферного давления. Давление насыщенного водяного пара удваивается при увеличении температуры на 10 градусов. Таким образом, при 300 К увеличение давления влажного воздуха за счет испарения также составит около трех процентов при росте температуры на 10 градусов. При более значительном нагреве вклад испарения в увеличение давления будет больше, чем вклад повышения температуры.

  4. 1. Приведите примеры количественных критериев определения лесного сообщества, или лучше алгоритм, на основе которого(ых) можно определить величину функции лесного насоса? 2. Как на практике, с научной точки зрения определить возраст оборота рубки хвойных лесов в России, опираясь на теорию биотической регуляции? На чем основано утверждение о том, что оборот рубки ориентирован на временной цикл 300 лет? 3. Скажите, пожалуйста, как отличается интенсивность испарения в сосновом лесу в 20 лет, 100 лет и 300 лет, руководствуясь теоретическими выкладками модели лесного насоса.

    • 1. Величину функции лесного насоса можно определить, в частности, следующими способами: (1) сравнением пространственного распределения и устойчивости осадков в лесных и обезлесенных территориях, (2) сравнением пространственного распределения осадков между периодами активного функционирования леса и анабиоза лесного сообщества (например, в летний и зимний период), (3) исследованием исторических данных по изменению режима осадков при обезлесивании.

      Пример: летнее и зимнее распределение осадков по шестидесятой параллели в Евразии (самый протяженный в мире лесной пояс). Как видно из графика, функционирование леса в летний период приводит к стягиванию влаги с Атлантического океана и относительно равномерному ее распределению по всему континенту. В зимний период осадки уменьшаются с запада на восток, падая втрое примерно через две тысячи километров.

      Евразийский бореальный лесной пояс

      2. Лесной насос — это сверхсложный экологический механизм управления ветром и осадками, возникший в процессе эволюции лесных экосистем. Как и организм человека, лесной насос нельзя воспроизвести техническими средствами на основе любого алгоритма. Функционирование лесного насоса основано на жизнедеятельности всех видов экологического сообщества, от бактерий и грибов до растений. Поэтому максимальная эффективность лесного насоса соответствует ненарушенным лесным сообществам, т.е., тем сообществам, давность нарушения которых превосходит двести-пятьсот лет в зависимости от типа экосистемы.

      Рубка и любое другое антропогенное воздействие разрушает лесную экосистему и, следовательно, лесной насос. С точки зрения биотической регуляции для сохранения устойчивости окружающей среды и круговорота воды на суше любые антропогенные нарушения не должны занимать более 1% площади, занимаемой лесом. Именно этот процент в естественном ненарушенном лесу соответствует территориям, занятым восстанавливающимися сообществами в состоянии сукцессии. Это вывалы старых деревьев, берега рек и т.п. Помимо этого, такой процент первичной продуктивности потребляют в совокупности крупные животные в ненарушенных экосистемах, вносящие в экосистему наибольшие флуктуации растительной биомассы.

      Осознание существования биотического насоса требует пересмотра всех развившихся за последние столетия в России представлений об использовании леса.

      3. Испарение с поверхности полога леса не является единственной составляющей действия лесного насоса. Важнейшими составляющими являются способность леса сохранять влагу в почве, что определяется высотой деревьев, сомкнутостью полога и наличием развитой подстилки; способность продуцировать вещества, действующие как ядра конденсации для регуляции процесса конденсации над лесом, а также все составляющие, обеспечивающие устойчивость самого сообщества — в частности, наличие полного видового состава растений, препятствующего развитию эпидемий насекомых-вредителей, наличие в почве полного набора микроорганизмов, обеспечивающей круговорот веществ и устойчивое поддержание оптимального состава почвы.

      Еще раз подчеркнем, что лесной насос — это биологический процесс управления физическими процессами конденсации и связанными с ней воздушными потоками. Описание лесного насоса, как описание любого нового явления, открывает широкое поле для дальнейших исследований и придает новый смысл всей имеющейся информации о функционировании лесных экосистем.

  5. Уважаемые авторы блога bioticregulation!
    Благодарим Вас за внимание к нашей экспериментальной работе! Поняв суть конденсационного механизма переноса влаги, мы стали более внимательно наблюдать за процессом конденсации, происходящим в баке-испарителе при остывании. На наш взгляд, можно выделить три типа конденсации с разной динамикой циркуляции:
    1. При небольшом количестве пара в баке-испарителе (из бака-испарителя выкипело небольшое количество воды) процесс «самозасасывания» происходит спокойно.
    2. При среднем количестве пара обратное «засасывание» испарившейся воды происходит волнообразно: плавные периоды чередуются с активными, когда вода поступает с сильным напором.
    3. При большом количестве пара – обратное движение воды идет с сильным напором.
    При более внимательном наблюдении можно заметить, что сильный напор воды (во 2 и 3 случаях) возникает не сразу, а по мере поступления холодной воды из бака-конденсатора, что усиливает процесс конденсации: холодная вода способствует отводу тепла в момент конденсации.
    По нашим представлениям, описанные три типа конденсационной динамики отражают происходящие в реальной атмосфере процессы: скорость поступления воздушных масс из донорной области зависит от интенсивности и длительности испарения в акцепторной. Однако, наблюдаемые особенности конденсации в экспериментальных условиях позволяют предположить, что скорость вызываемой ею циркуляции зависит не только от количества испарившейся влаги, но и от поступления холодных воздушных масс из акцепторной области, которые усиливают конденсацию, способствуя отводу тепла.
    В ближайшее время мы планируем дополнить качественные наблюдения трех типов конденсации количественными оценками. Нам важно знать Ваше мнение о том, на каких количественных оценках следует сконцентрировать внимание, чтобы получить графическую картину процессов, а также с помощью каких приборов это можно выполнить. Нам хотелось бы получить статистически достоверные и высокой точности результаты. Со своей стороны мы гарантируем доступность для Вас результатов исследований.

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