Контакты 244851268 Телефон 8(067)6446674
Логин: Пароль: Код проверки: captcha >>Забыли пароль?

Поиск

>>Расширенный

Категории

Новости

Вы здесь: Начало > Новости

АТЛАНТИ ТРИМАЮТЬ НЕБО. НОВИЙ ПОГЛЯД НА РУШІЙНІ СИЛИ континентального влагооборота

Лише на одній третині суші збереглася незаймана дика природа.Все інше - оброблювані землі, пасовища, що піддається систематичним рубок лісу, дороги, міста і промислові території.Надалі, з розвитком економіки і зростанням світового населення, можуть бути освоєні і останні бастіони природної біоти.І тоді ще вцілілі незаймані ліси перетворяться в лесоплантаціі, а осушені болота - в сільськогосподарські угіддя.На це, по суті, націлений і новий лісовий кодекс РФ.Дику ж природу, як вважають деякі, досить зберегти в заповідниках.Однак подібне ставлення до природних, і в першу чергу лісовим, екосистемам не враховує їх найважливішу функцію, пов'язану зі збереженням запасів прісної води.Адже все, що накопичено в озерах, гірських льодовиках і болотах на всіх п'яти континентах, не перевищує річкового стоку в океан всього за чотири роки.Чому ж тоді не вичерпуються річки?І чи не може відбутися один раз, що вся прісна вода стече в море і більше її не буде?Питання такого роду нерідко займають допитливих дітей, хоча у навчених дорослих зазвичай заздалегідь готовий відповідь: тому що на суші йдуть дощі, а вода, випаровуючись з земної поверхні, піднімається вгору, утворюючи хмари, і знову випадає в опади.Але ж випаровується вода на суші, а річки течуть в океан.Вода ж, що випарувалася в океані, в пустелю, наприклад, не приходить.А верхів'я сьомий за величиною річки світу Єнісею віддалені від океану на таку відстань, куди ніяка океанська волога сама по собі проникнути не в змозі.Так що переконливе на перший погляд пояснення кругообігу прісної води нагадує історію барона Мюнхаузена, витягнув себе за волосся з болота.Щоб річки текли, що не пересихая, необхідний постійно діючий механізм - «лісовий биотический насос атмосферної вологи», який накачував б воду з океану в будь-, найвіддаленіші місця суші.Природу цього механізму досліджують співробітники Санкт-Петербурзького інституту ядерної фізики РАН доктор фізико-математичних наук В. Г. Горшков і кандидат фізико-математичних наук А. М. Макарьева.Наводимо виклад їх концепції.

Наука і життя // Ілюстрації

Фото Д. Зикова.

Процес опустелювання важко зупинити. Фото Є. Константинова.

Так схематично виглядає влагооборот між океаном і покритої лісом сушею, джерелом енергії для якого служить сонячне світло.

Геофізичні райони, де досліджено залежність середньорічних опадів від відстані до океану.

Мангрові зарості, типові для прибережних зон тропіків і субтропіків, не тільки підтримують водний баланс, а й захищають берега від руйнування. Фото Л. Синіцин.

Залежність між кількістю опадів P (мм / рік) і відстанню x (км) від океану на збезлісення територіях (світлі символи) і територіях, покритих лісом (темні символи). Нумерація районів, як на карті.

Якщо вирубати ліси, вітер не буде дути з океану і над сушею не випадуть дощі.

<

>

Життя на суші своїм існуванням зобов'язана перш за все рослинам, які можуть виростати тільки у вологому грунті, і ця вологість повинна підтримуватися протягом всього сезону активного життя рослин. Але суша, як відомо, підноситься над океаном, маючи більший або менший ухил, а тому, підкоряючись неминучим законам фізики, грунтова волога стікає з вище розташованих горизонтів, збираючись в струмочки, струмки, малі і великі річки, і потрапляє в кінці кінців в океан . Обсяг щорічного стоку становить близько 43 000 км3. Підраховано, що за 4 роки в океан повинна була б стекти вся вода суші, накопичена в озерах, льодовиках і болотах, якби вона не поповнювалася завдяки атмосферних опадів. Частина опадів формується над самою сушею за рахунок випаровування з її поверхні, а приблизно 1/3, або, точніше, 35 см з 100 см, що випадають за рік опадів (при розподілі по всій поверхні суші) припадає на випаровування океану. Іншими словами, якби океанська волога не була пролита на сушу дощем і не випадала снігом, вона б повністю висохла менш ніж за 10 років.

Звичайно, те, що називається кухнею погоди - переміщення атмосферних фронтів, народження гроз, формування циклонів і т.д., - область дуже складних і не до кінця вивчених явищ, погано піддаються математичної формалізації і моделювання. Однак не можна не звернути увагу на зв'язок процесів перенесення на сушу океанської вологи з лісовими масивами. Механізм такого перенесення, заснований на дії відомих фізичних законів, отримав назву лісової биотический насос атмосферної вологи. Але щоб розібратися в суті цього механізму, нам доведеться зупинитися трохи докладніше на процесі транспірації - випаровуванні води листової поверхнею рослин.

Транспірація - якийсь аналог кровообігу у тварин. Вона складається в безперервному русі надходить з грунту води і розчинених в ній речовин через кореневу систему рослин і далі зі стовбурових судинах ксилеми (провідної тканини рослин) до листів. При цьому вода рухається від коренів до листя по так званому градієнту водного потенціалу, убутному в міру зростання концентрації розчинених в ній солей і інших речовин, чому сприяє виборча проникність клітинних мембран. Швидкість руху води зі стовбурових судинах досить велика і становить у трав'янистих рослин близько 1 м / ч, а у високих дерев - до 8 м / ч. Судини ксилеми представляють собою трубки з вузьким просвітом, діаметр якого коливається від 0,01 до 0,2 мм. Щоб підняти воду за такими трубках до вершини великого дерева, необхідно тиск близько 4000 кПа (близько 40 атм). Але навіть за найбільш найтоншим судинах під дією одних лише капілярних сил вода не може піднятися вище 3 м, тоді як висота деяких дерев сягає 50 і навіть 100 м (як у каліфорнійській секвої або австралійського евкаліпта).

Пояснити цей феномен дозволяє теорія зчеплення, або когезії. Відповідно до цієї теорії, підйом води від коренів обумовлений її випаровуванням в листі, яке призводить до збіднення листових клітин водою, а отже, до підвищення концентрації розчинених в ній речовин і відповідно до зниження водного потенціалу. Тому вода з ксілемного соку з більш високим водним потенціалом спрямовується в клітини листа через вибірково проникні клітинні мембрани. Однак у міру виходу води з ксілемного судин в стовпі води створюється натяг, що передається вниз по стеблу, аж до коренів. Воно пов'язане зі здатністю молекул води до зчеплення, або когезії. Ця властивість обумовлена ​​їх полярністю (дипольниммоментом), в силу якого під впливом електростатичних сил молекули води притягуються один до одного (як би «склеюються») і утримуються за рахунок водневих зв'язків. В результаті когезии натяг в судинах ксилеми досягає такої сили, що може тягнути вгору весь стовп води. Різні оцінки міцності на розрив для стовпа ксілемного соку варіюються в межах від 3000 до 30 000 кПа (від 30 до 300 атм).

І, нарешті, на самому останньому етапі вода прагне покинути рослина, оскільки водний потенціал навколишнього помірно вологого повітря на декілька десятків тисяч кілопаскалей нижче, ніж в самій рослині. Причому залишає його вода головним чином в парообразной формі. Для перетворення води в пару потрібна додаткова енергія, звана прихованої теплотою пароутворення. Цю енергію і дають сонячні промені, службовці в кінцевому рахунку тією силою, що рухає процесом транспірації на всіх його етапах - від грунту до коріння рослини і від коренів до стебел і листя.

Те, що вода необхідна рослині для забезпечення його життєдіяльності, в тому числі для потреб фотосинтезу, абсолютно очевидно. Менш очевидна інтенсивність цього процесу. Адже сама рослина використовує в середньому менше 1% поглинається їм з грунту води, решта ж 99% повертаються в атмосферу, так би мовити, транзитом. Рівень транспірації при достатній освітленості, зволоженості грунту і температурі навколишнього повітря може бути дуже високий. Наприклад, трав'янисті рослини, такі як бавовник або соняшник, здатні втрачати за добу до 1-2 л води, а столітній дуб - понад 600 л. Невипадково транспирацию іноді називають неминучим злом. Правда, у більшості рослин в ході еволюції виробився ряд пристосувань, що дозволяють регулювати процес випаровування і при необхідності утримувати вологу. Це, наприклад, скидання листя під час сезонних похолодань або посухи. Це запасання вологи в слизових клітинах і в клітинних стінках різних частин рослини. Це, нарешті, продихи - особливі пори в епідермісі, розташовані в листі і частково в зелених стеблах, через які відбувається газообмін і випаровується до 90% води. Завдяки спеціальним замикаючим клітинам продихи можуть закриватися в посушливу погоду або в нічні години, коли припиняється фотосинтез, сповільнюючи тим самим процес транспірації. Існують і інші пристосування для зменшення транспірації, що сформувалися в умовах посушливого клімату і дефіциту вологи, як, наприклад, потовщення кутикули (воскового шару, що покриває епідерміс листя і стебел), відкриття продихів в нічний час і закриття вдень і т.д. І все ж в звичайних умовах в силу високого листового індексу (відношення площі освітлених листя до площі проекції крони на грунт), характерного насамперед для деревної рослинності, втрати води з транспирацией можуть бути дуже високі, істотно перевищуючи випаровування з поверхні водойми, рівного за площею проекції крони дерева на грунт.

Однак транспирация не єдине джерело випаровування, що формується над лісом. Дерева мають здатність акумулювати, «перехоплювати» своїми кронами значна кількість дощової атмосферної вологи або снігу, які також вносять свій істотний, що досягає 30%, внесок в розвивається лісом випаровування. Остання обставина має особливе значення для бореальних хвойних лісів, де налиплі на деревах снігові шуби і шапки забезпечують потік випаровування навіть взимку, коли транспірація відсутній. Таким чином, непорушений ліс здатний випаровувати вологу практично цілий рік, причому набагато інтенсивніше, ніж відкрита поверхню океану тієї ж температури, наближаючись в середньому до максимально можливої ​​величиною випаровування, що обмежується потоком сонячної енергії. Так, згідно з розрахунками, максимальний випар води над лісом, відповідне середньоглобальної потоку сонячної енергії, поглиненої земною поверхнею, становить ~ 2 м / рік, тоді як випаровування з поверхні океану майже в два рази менше ~ 1,2 м / рік. А якщо врахувати, що загальна листкова поверхня рослинної біоти в 4 рази перевершує поверхню всієї суші, то стане зрозуміло, що сумарне випаровування лісу може успішно конкурувати з випаровуванням над океаном. І це має вирішальне значення для формування континентального влагооборота.

Справа в тому, що грунтовий шар не здатний досить довго утримувати вологу, яка неминуче втрачається з річковим стоком, потрапляючи в кінці кінців в океан. І тому проблема її збереження на суші нерозривно пов'язана з компенсацією втрат за рахунок зворотного потоку вологи з океану. Однак, чим далі від берегової лінії, тим більша частина принесених з океану опадів, в силу піднесеного положення материків, повертається в нього з річковим стоком. У той же час пасивні атмосферні геофізичні потоки, які переносять вологу з океану, згасають у міру їх просування в глиб континенту, причому це затухання має експонентний характер. Правда, зазначена закономірність справедлива насамперед для збезлісення територій з низькорослої степовою рослинністю, що безпосередньо межують з береговою лінією, де на кожні 400 км проникнення в глиб степу, савани або прерії потік вологи і інтенсивність опадів зменшуються приблизно вдвічі. Дані про градієнті убування опадів для великих областей суші, які відповідають вказаному критерію, показали, що пасивний геофізичний транспорт вологи здатний забезпечити нормальні умови для життя тільки в прилеглій до океану смузі порядку декількох сотень кілометрів (для протяжних областей континентів з невисоким ухилом середній показник становить близько 600 км). Водний режим в подібних регіонах сильно залежить від випадкових флуктуацій і сезонних кількісних коливань принесених з океану опадів, як це має місце в зоні мусонного клімату з його рясними дощами влітку і дуже сухими зимами.

Але як же пояснити в такому випадку існування добре зволожених областей в глибині континентів, на відстані кількох тисяч кілометрів від океану - в Сибіру, ​​басейні Амазонки або Екваторіальній Африці? Відповісти на це питання, виходячи з одних лише пасивних геофізичних потоків, було б, мабуть, важко, якщо не взяти до уваги активний транспорт океанічної вологи, рушійним початком якого є лісовий биотический насос. А якщо точніше - ті атмосферні фізичні процеси, які виникають над лісом внаслідок транспірації, а також накопичення атмосферної вологи деревними кронами.

Суть їх, коротко, полягає в наступному. В атмосфері тиск газу на будь-якій даній висоті врівноважено вагою стовпа газу вище цієї позначки. З ростом висоти вага стовпа газу зменшується і, отже, падає рівноважний тиск газу. Той, кому доводилося підніматися в гори, знає з власного досвіду: на високогір'ї важче дихати, оскільки повітря там більш розріджене і відповідно біднішими киснем. Але, на відміну від інших компонентів повітря, водяна пара може бути присутнім в ньому в двох фазах - рідкою (у вигляді крапель дощу і туману) і газоподібної і при певних умовах переходить в рідкий стан, зникаючи з газової фази. З цим явищем, званим конденсацією, кожному з нас доводилося стикатися не раз, хоча б спостерігаючи освіту роси, що осідає в прохолодні літні вечори на траву, чагарники або якісь швидко остигають поверхні і предмети. Пояснюється це тим, що при зниженні температури сповільнюється процес випаровування води і динамічна рівновага між її газоподібної і рідкої складовими зсувається в бік останньої. В силу зменшення своєї кінетичної енергії істотно менше число молекул води прагне покинути рідку фазу, тоді як число повертаються в неї молекул водяної пари спочатку залишається незмінним. І якщо в денні години в теплому і сухому повітрі концентрація водяної пари була нижче свого можливого максимуму, або так званого рівня насиченості, то тепер, досягнувши стадії насичення, водяна пара починає швидко конденсуватися, переходячи в рідкий стан. У фізиці ця критична температурна відмітка отримала назву «точка роси», яку можна створити і штучно - знижуючи температуру вологого повітря або дотичних з ним предметів.

Щось подібне відбувається з водяною парою і при підйомі в висоту. Якби водяна пара, подібно іншим складовим атмосферного повітря, що не був конденсується газом, він залишався б в гравітаційному рівновазі на будь-якій висоті від Землі, так що його тиск знижувався б приблизно вдвічі на кожні 9 км підйому. Однак, як відомо, в земній атмосфері з ростом висоти знижується температура повітря - приблизно на 6 ° С на один кілометр. Так, наприклад, на висоті 10 км, де літають сучасні лайнери, температура за бортом нижче приземної майже на 60 ° С. Для всіх інших газів повітря таке падіння температури не є критичним, але зовсім по-іншому йде справа з водяним газом. Адже зі зниженням температури концентрація його молекул, відповідна стану насиченої пари, зменшується, причому експоненціально - приблизно вдвічі на кожні 10 ° С. Але концентрація водяної пари в повітрі не може бути вище насиченою, а тому відносний його надлишок починає відразу ж конденсуватися, зникаючи з газової фази. А це в свою чергу супроводжується зниженням ваги водяної пари в атмосферному стовпі, який вже не здатний компенсувати його тиск в більш низьких шарах атмосфери, що негайно веде до виникнення спрямованої вгору сили. І саме ця сила веде за собою висхідні потоки водяної пари, який, підносячись в верхні шари атмосфери, також конденсується, утворюючи хмари і випадаючи в опади у вигляді дощу або снігу. Тобто вибування пара з повітря безперервно поповнюється висхідними потоками вологи, які, подібно до давньогрецьким атлантам, підтримують хмарний покрив Землі.

І тут ми, можна Сказати, підійшлі впрітул до самой суті лісового біотічного насоса. Аджея если вісхідні потоки обумовлені процесами конденсації водяної пари у верхніх шарах атмосфери, то, очевидно, їх Потужність буде тім вищє, чим інтенсивніше піджівлює їх випаровуваності з земної поверхні. А значить, и приземного Вологе Повітря буде засмоктуватіся з областей, де випаровуваності менше, туди, де воно інтенсивніше. І якщо, як було показано вище, випаровування над непошкодженими лісовим масивом перевершує випаровування над поверхнею океану, то, отже, океанська волога закачуватиметься лісом все далі і далі в глиб континенту, компенсуючи тим самим річковий стік і забезпечуючи цілорічну вологість грунту. Але, звичайно, за умови, що лісовий покрив простягається до берегової смуги, як це має місце в басейні Конго, Амазонки або північних річок Росії і Канади, чий тайговий полог межує з заболоченими просторами Крайньої Півночі, мають вихід до океану. Або, принаймні, якщо лісовий масив знаходиться на відстані від берега на відстань, меншу довжини загасання пасивного геофізичного транспорту.

Тут слід зауважити, що закачування вологи з холодного, розташованого в більш високих широтах, ніж сам річковий басейн, океану представляє для біоти, як це не парадоксально, більш просту задачу, ніж, наприклад, транспорт вологи в зоні екватора. А вся справа в різниці інтенсивності випаровування, що визначає швидкість горизонтальних потоків закачується вологого повітря, яка в першому випадку набагато значніше. Саме цим можна пояснити існування многотисячекілометрових покритих лісом басейнів великих сибірських річок. Що ж стосується тропічних широт, то тут при кліматично схожих умовах, щоб залучити вологу з океану на сушу, потрібно набагато вищий рівень транспірації, який міг би запобігти виносу атмосферної вологи з лісу в океан. Іншими словами, втрати континентальної вологи зменшуються з ростом транспірації, і з цим, мабуть, пов'язано виявлене бразильськими екологами підвищення її інтенсивності в посушливі періоди в лісах Амазонки.

Але все це, повторюємо, справедливо лише у випадках, коли лісовий масив знаходиться на відстані від берега на відстань, меншу довжини загасання пасивного геофізичного транспорту. Знищення ж лісового покриву на береговій смузі в межах довжини загасання (~ 600 км) обриває дію біотичного насоса, і опади в глибині континенту перестають компенсувати річковий стік. Ґрунтова волога стікає в океан, ліси всихають, і річковий басейн припиняє своє існування. І всі ці незворотні зміни можуть відбутися за дуже короткий відрізок часу - близько 4-5 років, необхідних для стоку прісної води, накопиченої в гірських льодовиках, озерах і болотах.

Цілком ймовірно, щось подібне мало місце 50-100 тис. Років тому в Австралії, коли її заселили перші люди. Природно припустити, що прибульці, як це завжди і буває, освоювали в першу чергу узбережжі, винищуючи попутно лісу по всьому периметру континенту. І коли збезлісення смуга досягла по ширині довжини загасання пасивних геофізичних потоків, то цього, на жаль, виявилося досить, щоб навіть під час відсутності антропогенної активності в глибині континенту биотический насос залишився відрізаним від океанської вологи і австралійські лісу припинили своє існування, поступившись місцем величезної, протяжністю 4 млн км2, австралійській пустелі. До речі, чи не з цієї причини велика частина пустель межує з океанським узбережжям або має вихід до внутрішніх морів. Виходячи з щойно сказаного, ця географія знаходить своє переконливе обгрунтування в її історії, пов'язаної з діяльністю людей, що освоювали нові території, починаючи з морського узбережжя.

Може здатися, що Західна Європа, практично вже втратила своїх природних лісів, за винятком півночі Скандинавії, але тим не менш не зазнала опустелювання, являє собою наочне спростування наведених вище доводів. Однак це якраз те виняток, який лише підтверджує правило. І якщо Європа уникла такої долі, то перш за все завдяки своєму унікальному географічному положенню - оточуючим її внутрішнім морях і повсюдної близькості до берегової лінії, в силу чого жодна з областей цього субконтиненту не відділена від неї відстанню, великим довжини загасання геофізичного транспорту морської вологи. Остання обставина, мабуть, і породжує ілюзію безкарного перенесення практики винищення лісів в інші регіони планети, для яких вона напевно виявиться або вже виявилася згубною. Втім, і в самій Західній Європі на наших очах різко почастішали катастрофічні повені і посухи, що обумовлено в першу чергу знищенням лісів в гірських районах і скороченням заліснених територій, наслідком чого стало серйозне порушення природного гідрологічного режиму (танення гірських льодовиків і ін.).

Якщо пустелю можна вважати практично замкненою для вологи, оскільки повна відсутність транспірації призводить тут не до засмоктування вологого повітря з океану на сушу, а, навпаки, до виносу сухого повітря в океан, то в ландшафтних зонах типу степу і савани, а також на штучно зрошуваних землях і пасовищах випаровування в теплу пору року може перевищувати його інтенсивність над океанічної поверхнею. У цей період з морів і океанів сюди надходить загасаючий з відстанню потік вологого повітря, відомий під назвою «літній мусон», сезон дощів. У холодну ж пору року випаровування над чагарниками і травостоем стає менше океанічного, а тому накопичена тут волога «стягується» з суші в океан, чому відповідають посушливі зими і вітри, що дмуть у бік моря ( «зимовий мусон»). Тому хоча рослинність екосистем степового типу і підтримує певний запас вологи, але відсутність суцільного лісового пологу з високим листовим індексом не дозволяє їм довести випаровування до рівня, при якому потік вологи з океану на сушу постійно компенсував би річковий стік. Повноцінний биотический насос в таких екосистемах не діє, а інтенсивність опадів експоненціально загасає зі збільшенням відстані від берегової лінії.

Таким чином, рухоме миттєвою вигодою винищення аборигенних лісів - цього найбільшого «винаходи» земної біоти - не може бути кваліфіковано інакше, як злочин проти життя на Землі, в тому числі і проти самої людини. Але незнання законів не звільняє від покарання за їх порушення. І природа надходить з людиною точно так же, змушуючи його платити найвищу ціну за нерозумне до неї ставлення. Так чи будуть вічно текти ріки і шуміти непрохідні ліси, або ми спільними зусиллями перетворимо в кінці кінців наш «прекрасний і лютий світ» в величезну мляву пустелю?

Бажаючі познайомитися з концепцією лісового біологічного насоса більш докладно можуть звернутися до веб-сайту http://www.bioticregulation.ru/pump/pump_r.php

ЦИФРИ ТА ФАКТИ

• За природно-кліматичними обмеженням лісу можуть займати 50% суші, але в даний час вони покривають близько 30% суші, або 38,8 млн км2. З них на Росію припадає 22,4% всіх лісів світу загальною площею 8,8 млн км2.

• За рік в лісах утворюється 80 млрд т біомаси (в перерахунку на суху речовину), що становить 2/3 всього приросту біомаси рослин суші.

• На частку всіх лісів світу в біосфері доводиться 15% обороту вуглецю, причому на частку тропічних лісів припадає половина поглиненого на суші вуглецю.

• Ліси однієї Амазонії виробляють до 50% всього кисню, що утворюється на Землі в процесі фотосинтезу.

• Показник регуляції влагообмена для лісових екосистем - 2,5, для трав'яних - 1,5, для агроценозів - 1,2. Тобто лісу витрачають вологу майже вдвічі економніше, ніж агроекосистеми.

• До масштабного поширення людства ліси займали на Землі приблизно 60 млн км2. Тільки до епохи промислової революції на Землі, за різними оцінками, було знищено від 30 до 50% лісів. Ще 9% лісів, в першу чергу тропічних, було зведено в останні 200-300 років.

• Загальна площа пустель і напівпустель світу 48 млн км2, або близько 43% суші. З них площа антропогенних пустель близько 10 млн км2, або 6,7% всієї поверхні суші.

Процес опустелювання (втрата місцевістю суцільний рослинності з неможливістю її відновлення без участі людини) йде зі швидкістю 7 км2 в рік.

Під загрозою опустелювання знаходяться ще 30 млн км2, або 19% всієї суші.

Чому ж тоді не вичерпуються річки?
І чи не може відбутися один раз, що вся прісна вода стече в море і більше її не буде?
Так чи будуть вічно текти ріки і шуміти непрохідні ліси, або ми спільними зусиллями перетворимо в кінці кінців наш «прекрасний і лютий світ» в величезну мляву пустелю?