Makarieva A.M., Gorshkov V.G. (2013) Energetics of locomotion in animate and inanimate nature. Energy: Economics, Technology, Ecology, 6(2013), 46-52. popular science
Abstract
Except for tsunami and earthquakes, all types of motion on the Earth’s surface owe themselves to various transformations of solar energy. The Earth reflects back to space one third of the incoming solar radiation. The atmosphere absorbs another third. In the result, with an account of the diurnal and seasonal changes, the mean flux of solar radiation per unit area of the Earth’s surface amounts to about 150 W/m2. Efficiency at which solar energy is transformed to any type of motion at the Earth’s surface does not exceed several percents. Global atmospheric circulation with its mean winds of about 5 m/s is characterized by a global mean power not exceeding 4 W/m2. The power of the biosphere – the rate of plant growth expressed in energy units– reaches the same order of magnitude (about 2 W/m2) only in the most productive equatorial rainforests. On the other hand, human sportsmen like weightlifters or sprinters are able to develop power in excess of 10 kW. Taken per unit area of the ground surface their bodies occupy, this corresponds to a power output of several tens of kilowatts per square meter. Hurricanes and tornadoes that occasionally form in the atmosphere develop wind velocities up to 100 m/s. Their power per unit area of the Earth’s surface exceeds by many times not only the flux of solar radiation reaching the Earth’s surface, but also the flux of solar radiation outside the atmosphere – the so-called solar constant equal to 1.4 kW/m2. In this paper we consider how such motions with their power significantly exceeding the power of solar radiation are maintained in animate and inanimate worlds. What is the link between forest functioning on land and the formation of the most powerful atmospheric vortices like hurricane Sandy or typhoon Bopha?

Notes

This paper was written in November 2012 under the influence of hurricane Sandy that struck New York. Why aren't there immobile hurricanes and tornadoes in existence? What is the link between forest functioning on land and the formation of the most powerful atmospheric vortices like hurricane Sandy or typhoon Bopha? We wrote:

"The on-going deforestation disrupts the biotic pumping of water vapor from the ocean to land producing droughts and river lows. One of the strongest droughts affected a large area in the United States in 2011-2012 unambiguously indicating lack of the ocean-to-land moisture transport. Moisture evaporated from the oceanic surface remained in the atmosphere above the ocean raising the probability of hurricane formation and their passage near the coastal zone. Hurricane Sandy in 2012 with its enormous size of the condensation area can be viewed as a result of the continental-scale drought in the US."

These ideas are consistent with the new results of satellite data analysis obtained by scientists from the Space Research Institute (Moscow, Russia), who showed that there is a critical amount of water vapor in the atmospheric column below which the formation of long-lived cyclones is not possible (Sharkov et al. 2012 Izvestiya Atm. Ocean. Phys. 48: 901).

Mentioning the Philippines devastated in November 2013 by super typhoon Haiyan we wrote:

"Hurricanes and typhoons that form closest to the equator - like typhoon Bopha that struck the Philippines in 2012 - have the smallest possible angular momentum and windwall radius. What is more, such systems have access to the largest amounts of water vapor in the warm near-equatorial air column. As a result, such a typhoon should be characterized by maximum possible concentration of wind energy at the windwall and have maximum destructive power. These extreme weather events are related to the diminishing area of tropical forests in Indonesia and Indochina as well as to the complete elimination of forests on the Philippines. These forests no longer move vapor away from the adjacent areas of the Pacific Ocean in amounts sufficient for the prevention of the violent super-typhoons."

Deforestation on the Maritime Continent (on Borneo, for example, forest cover diminished from 80 to 50% in the last fifty years) has been accompanied by a significant reduction of rainfall.

Deforestation and rainfall decline on Borneo (Kumagai et al. (2013) Hydrological Processes doi: 10.1002/hyp.10060)
Conversion of pristine forest (a) to palm plantation (b) on Borneo is accompanied by decline in precipitation (c). Source: Kumagai et al. (2013) Hydrological Processes doi:10.1002/hyp.10060.

At the same time the zone of maximum convection (precipitation) has shifted eastward away from Indonesia. In agreement with the biotic pump concept mean surface pressure over the deforested continent has grown, while it decreased over the oceanic region whereto the rains had moved.

Change of cloudiness and sea level pressure in the region of Walker circulation (Tokinaga et al. 2012 J. Climate 25: 1689)
Changes during the last 59 years of (a) cloudiness (relative units, red (blue) color means increasing (decreasing) cloudiness and rainfall and (b) sea level pressure in the region of Walker circulation. Dots indicate statistically significant changes (95% confidence). Source: Tokinaga et al. (2012) J. Climate 25: 1689.

Nevertheless, regional deforestation continues to be totally neglected in the on-going search for possible causes of the observed changes in Walker circulation (see our view on this matter here).

Макарьева А.М., Горшков В.Г. (2013) Энергетика передвижения в живой и неживой природе. Энергия: Экономика, Техника, Экология, 6(2013), 46-52. научно-популярная статья
Аннотация
Кроме землетрясений и цунами, все виды движений на поверхности Земли как в живой, так и в неживой природе происходят за счёт преобразования энергии солнечного излучения. Треть солнечного излучения отражается Землей в космос. Столько же поглощается атмосферой. В результате, с учетом смены дня и ночи и угла подъема Солнца над горизонтом средний поток солнечного излучения на единицу земной поверхности составляет около 150 Вт/м2. Эффективность (КПД) преобразования солнечной энергии в любые виды движений у земной поверхности не превосходит нескольких процентов. Мощность на единицу земной поверхности среднего ветра, дующего со скоростью около 5 м/с, не превосходит 4 Вт/м2. Мощность биосферы – скорость роста растений в энергетических единицах – достигает такой же величины (порядка 2 Вт/м2) только в тропических экваториальных лесах.
Однако тяжелоатлеты и спринтеры развивают мощности порядка 10 кВт. При этом их мощность на единицу площади занимаемой ими поверхности земли составляет несколько десятков киловатт на квадратный метр. В атмосфере нередко возникают ураганы и смерчи со скоростью ветра до 100 м/с. Их мощность на единицу земной поверхности многократно превосходит не только мощность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, но и поток солнечного излучения за пределами атмосферы - так называемую солнечную постоянную, равную 1,4 кВт/м2. В этой статье рассматривается, как такие движения с мощностью, многократно превышающей солнечную, поддерживаются в живой и неживой природе. Как связаны между собой функционирование леса на суше и образование мощнейших атмосферных вихрей типа урагана Сэнди и тайфуна Бофы?

Примечания

Эта статья была написана в ноябре 2012 года под впечатлением урагана Сэнди, обрушившегося на Нью-Йорк. Почему не существует неподвижных ураганов и смерчей? Как связаны между собой функционирование леса на суше и образование мощнейших атмосферных вихрей типа урагана Сэнди и тайфуна Бофы? В частности, мы писали:

"Разрушение лесного покрова человеком приводит к прекращению действия лесного насоса водяного пара с океанов на сушу, засухам и обмелению рек. Наблюдаемая в последние полтора года беспрецедентная засуха на большой территории США однозначно указывала на отсутствие стягивания водяного пара с океана на сушу. Весь испарявшийся над океаном водяной пар оставался над океаном, что привело к высокой вероятности возникновения ураганов и их прохождения вблизи береговой границы. Возникновение урагана Сэнди, имевшего огромные размеры области конденсации, представляет собой результат произошедшей в США засухи."

Отметим, что этот вывод хорошо согласуется с новыми результатами анализа спутниковых данных, полученными специалистами Института космических исследований, согласно которым существует критическое значение количества водяного пара в атмосфере, ниже которого развитие долгоживущих вихрей (циклонов) невозможно (Шарков и др. 2012 Иссл. Земли из космоса 2012(2): 73).

Про Филиппины, поражённые в ноябре 2013 года супертайфуном Хайян, мы писали:

"Ближайшие к экватору ураганы и тайфуны - как, например, Бофа, поразивший в 2012 году Филиппины, - имеют наименьший из возможных угловой момент и радиус ветровой стены и наибольшее количество водяного пара в тёплом тропическом атмосферном столбе. Такой тайфун характеризуется максимально возможной концентрацией ветровой энергии вблизи ветровой стены и разрушительной силой. Такие экстремальные погодные явления связаны с сокращением площади тропических лесов в Индонезии и Индокитае, а также почти полным уничтожением лесов на самих Филиппинах. Эти леса прекратили стягивать водяной пар с прилегающих к ним районов Тихого океана в количестве, достаточном для предотвращения возникновения разрушительных супертайфунов."

Обезлесивание в Индонезии (на Борнео, в частности, относительная площадь лесного покрова уменьшилась за последние полвека с 80 до 50 процентов) сопровождается значительным уменьшением осадков.

Обезлесивание и уменьшение осадков на Борнео (Kumagai et al. (2013) Hydrological Processes doi: 10.1002/hyp.10060)
Сведение естественных лесов (a) и превращение их в пальмовые плантации (b) на Борнео сопровождается падением осадков (c). Источник: Kumagai et al. (2013) Hydrological Processes doi:10.1002/hyp.10060.

При этом наблюдается смещение зоны активной конвекции от Индонезии и Папуа Новой Гвинеи на восток. В согласии с теорией биотического насоса давление над обезлесенными островами растёт, а в зоне над океаном, куда смещается конденсация, давление падает.

Изменение осадков и давления на уровне моря в районе циркуляции Уокера (Tokinaga et al. 2012 J. Climate 25: 1689)
Изменение за последние 59 лет (a) облачности (в относительных единицах, красный цвет означает увеличение, синий -- уменьшение) и (b) давления на уровне моря (hPa за 59 лет) в районе циркуляции Уокера. Точки обозначают места, где изменения достоверны с 95-ти процентной вероятностью. Источник: Tokinaga et al. (2012) J. Climate 25: 1689.

Однако обезлесивание в Индонезии полностью игнорируется при исследовании возможных причин наблюдаемых изменений циркуляции Уокера (см. нашу позицию здесь).