Gorshkov V.G., Makarieva A.M. (2007) Biotic pump of atmospheric moisture as driver of the hydrological cycle on land. Hydrology and Earth System Sciences, 11, 1013-1033.
Abstract
In this paper the basic geophysical and ecological principles are jointly analyzed that allow the landmasses of Earth to remain moistened sufficiently for terrestrial life to be possible. 1. Under gravity, land inevitably loses water to the ocean. To keep land moistened, the gravitational water runoff must be continuously compensated by the atmospheric ocean-to-land moisture transport. Using data for five terrestrial transects of the International Geosphere Biosphere Program we show that the mean distance to which air fluxes can transport moisture over non-forested areas, does not exceed several hundred kilometers; precipitation decreases exponentially with distance from the ocean. 2. In contrast, precipitation over extensive natural forests does not depend on the distance from the ocean along several thousand kilometers, as illustrated for the Amazon and Yenisey river basins and Equatorial Africa. This points to the existence of an active biotic pump transporting atmospheric moisture inland from the ocean. 3. Physical principles of the biotic moisture pump are investigated based on the previously unstudied properties of atmospheric water vapor, which can be either in or out of aerostatic equilibrium depending on the lapse rate of air temperature. A novel physical principle is formulated according to which the low-level air moves from areas with weak evaporation to areas with more intensive evaporation. Due to the high leaf area index, natural forests maintain high evaporation fluxes, which support the ascending air motion over the forest and "suck in" moist air from the ocean, which is the essence of the biotic pump of atmospheric moisture. In the result, the gravitational runoff water losses from the optimally moistened forest soil can be fully compensated by the biotically enhanced precipitation at any distance from the ocean. 4. It is discussed how a continent-scale biotic water pump mechanism could be produced by natural selection acting on individual trees. 5. Replacement of the natural forest cover by a low leaf index vegetation leads to an up to tenfold reduction in the mean continental precipitation and runoff, in contrast to the previously available estimates made without accounting for the biotic moisture pump. The analyzed body of evidence testifies that the long-term stability of an intense terrestrial water cycle is unachievable without the recovery of natural, self-sustaining forests on continent-wide areas.

Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2007) Биотический насос атмосферной влаги как движущая сила круговорота воды на суше. Hydrology and Earth System Sciences, 11, 1013-1033. [на англ. яз.] Русский текст доступен здесь.
Аннотация
В работе рассмотрены фундаментальные геофизические и экологические механизмы, поддерживающие увлажненность суши, достаточную для существования на ней жизни. (1) Под действием гравитации вода стекает с суши в океан. Сток должен быть скомпенсирован транспортом атмосферной влаги с океана на сушу. С использованием данных для пяти континентальных разрезов Международной Геосферной Биосферной Программы показано, что среднее расстояние, на которое влага переносится пассивными геофизическими воздушными потоками над обезлесенными территориями, не превышает нескольких сотен километров; осадки уменьшаются экспоненциально с расстоянием от океана. (2) Напротив, осадки над обширными областями, занятыми естественными лесами, не зависят от расстояния от океана на протяжении нескольких тысяч километров, что проиллюстрировано данными для речных бассейнов Амазонки и Енисея, а также для Экваториальной Африки. Это указывает на существование активного биотического насоса, закачивающего атмосферную влагу на сушу с океана. (3) Рассмотрены физические принципы действия биотического насоса, базирующиеся на ранее не исследованных свойствах атмосферного водяного пара, который, в зависимости от градиента температуры воздуха, может находиться в аэростатическом равновесии или вне его. Сформулирован новый физический принцип, согласно которому воздух в приземном слое распространяется из области с меньшим испарением в область с большим испарением. Поддерживая мощные потоки транспирации за счет высокого листового индекса, естественный лес закачивает влажный воздух с океана, увеличивая осадки до уровня, при котором гравитационный речной сток с оптимально увлажненной почвы компенсируется на любом расстоянии от океана, что составляет сущность работы биотического насоса атмосферной влаги. (4) Показано, как такой биотический механизм, оперирующий в масштабе континента, мог образоваться в ходе естественного отбора индивидуальных деревьев. (5) Широкомасштабное уничтожение естественного лесного покрова с заменой его на растительность с низким листовым индексом влечет за собой радикальное, вплоть до десятикратного, уменьшение средней величины осадков и речного стока на континентах, в противоположность имеющимся до сих пор оценкам, сделанным без учета биотического насоса атмосферной влаги. Проанализированные данные приводят к однозначному выводу, что долгосрочная устойчивость интенсивного круговорота воды на суше недостижима без восстановления естественных, самоподдерживающихся лесов на территориях континентальных масштабов.