arrow http://www.bioticregulation.ru/pump/pump8_r.php

Обзор теории лесного насоса 2009:
15 ответов Испанскому метеорологическому журналу

* * *

1. Для среднего читателя опишите в нескольких словах, о чем теория биотического насоса (ТБН)?
2. Почему биотический?
3. А теперь для гидрологов в технических терминах опишите, пожалуйста, ваш насос.
4. Какое влияние ТБН окажет на стоящие перед метеорологами задачи и существующие в метеорологии концепции?
5. Имеет ли ТБН какое-либо отношение или сходство с проектами создания на Марсе и Венере окружающей среды, похожей на земную, которые были популярны в относительно недалеком прошлом?
6. Это относительно новая теория? Существуют ли ее исторические предшественники?
7. Что добавляет ваша теория к существующим идеям и теориям?
8. Применяли ли вы вашу теорию к описанию тропических регионов, в частности, к бассейну Амазонки?
9. Могли бы интенсивные усилия по восстановлению дождевых лесов привести к заметному глобальному климатическому эффекту уже в течение нескольких десятилетий?
10. Часть исследователей не являются энтузиастами вашей теории. Как вы аргументируете свою научную позицию и отвечаете на их критику?
11. Возможно ли применение вашей теории к другим экваториальным зонам подобно области тропических циклонов и межтропической зоне конвергенции и т.п.?
12. Средиземное море осенью сравнительно теплое. Недавно в Испании у нас выпало 800 мм осадков за судки, и 300 мм за 4-5 часов. Можно ли применить теорию биотического насоса к средиземноморскому бассейну?
13. При изменении климата увеличится количество водяного пара в атмосфере. Какое влияние это окажет, согласно вашей теории, на круговорот воды и, в частности, на выпадение дождей?
14. Какими вам видятся основные пути исследований для усиления вашей теории?
15. Какие ссылки и публикации вы посоветуете прочитать тем, кто интересуется вашей теорией?
RAM благодарит Виктора Горшкова и Анастасию Макарьеву за это интервью.
Мы также благодарны RAM за интересные вопросы. 30 декабря 2009.
На испанском языке интервью можно прочитать здесь.

* * *

Men occasionally stumble over the truth,
but most of them pick themselves up
and hurry off as if nothing ever happened.

Winston Churchill

 

Там багато правильних думок...

Из отзывов наших читателей

 

1. Для среднего читателя опишите в нескольких словах, о чем теория биотического насоса (ТБН)?

Теория биотического насоса имеет физическую и экологическую составляющие. Физическая составляющая — ветер дует туда, где интенсивно происходит конденсация водяного пара. Экологическая составляющая — листья деревьев естественного леса имеют большую испаряющую поверхность. Поэтому испарение и, следовательно, конденсация устойчиво происходят более интенсивно над естественным лесом, чем над океаном. Поэтому, когда континент покрыт лесом, ветер дует с океана на сушу и поставляет туда влагу. Эта влага выпадает на суше в виде осадков и компенсирует речной сток. Осуществляемый лесом транспорт океанической влаги на сушу и называется биотическим насосом атмосферной влаги.

список вопросов

2. Почему биотический?

Слово "биотический" (а не "биологический") означает, что лесной насос приводится в действие всей совокупностью живых организмов естественной биоты, а не какими-то отдельными видами (например, деревьев) или искусственно подобранными человеком наборами организмов. Теория биотического насоса — одна из частей концепции биотической регуляции окружающей среды, согласно которой пригодная для жизни окружающая среда поддерживается в таком состоянии живыми организмами ненарушенной биоты (то есть, совокупности всех организмов) Земли. Сложнейшая информация, необходимая для биотической регуляции, записана в генетических программах биологических видов организмов, составляющих биоту. Для устойчивой работы биотического насоса необходима вся сложная экосистема, включающая деревья, подлесок, бактерии, грибы и животных, взаимодействующих друг с другом.

список вопросов

3. А теперь для гидрологов в технических терминах опишите, пожалуйста, ваш насос.

Континенты возвышаются над уровнем моря, поэтому под действием гравитации суша постоянно теряет воду, которая стекает в океан. Речной сток может полностью опустошить запасы воды на суши всего за несколько лет. Поэтому для того, чтобы круговорот воды на суше продолжался, необходим механизм, который транспортировал бы влагу с океана обратно на континент.

Конденсация водяного пара над пологом леса уменьшает количество газа в атмосферном столбе. В результате, давление воздуха на поверхности уменьшается. Влажный воздух поступает с океана в область низкого давления на суше. Влага, принесенная с океана, выпадает в виде дождя на суше и компенсирует гравитационный речной сток.

Биотический насос сложным образом регулирует поступающий воздушный поток влаги, балансируя между Сциллой и Харибдой засух и наводнений. Это достигается различными способами, такими, в частности, как биотическая регуляция аэродинамической шероховатости поверхности, которая предотвращает чрезмерное ускорение воздуха, двигающегося с океана вглубь суши; продуцирование и выделение деревьями биогенных ядер конденсации и др.

список вопросов

4. Какое влияние ТБН окажет на стоящие перед метеорологами задачи и существующие в метеорологии концепции?

В течение нескольких столетий, начиная с работ Хэдли и его предшественников, причиной атмосферной циркуляции считается неравномерный нагрев поверхности Земли и связанная с ним сила Архимеда, которая заставляет теплый и легкий воздух подниматься, а холодный и тяжелый воздух опускаться. ТБН описывает принципиально иной и не исследованный ранее физический механизм возникновения атмосферной циркуляции — падение атмосферного давления и выделение потенциальной энергии при конденсации водяного пара. Мы показали, что этот процесс приводит к появлению ветров со скоростями, совпадающими с наблюдаемыми, и является основной причиной атмосферной циркуляции на Земле. Неравномерность нагрева земной поверхности имеет второстепенной значение и ответственно за появление относительно слабых ветров, типа бризов или пылевых вихрей. Это предполагает серьезное изменение господствующей в метеорологии парадигмы.

список вопросов

5. Имеет ли ТБН какое-либо отношение или сходство с проектами создания на Марсе и Венере окружающей среды, похожей на земную, которые были популярны в относительно недалеком прошлом?

Как на Венере, так и на Марсе конденсация играет значимую роль в формирования климата. На Марсе фазовые переходы претерпевают водяной пар и углекислый газ; на Венере углекислый газ находится за критической точкой, помимо этого там существуют облака серной кислоты. Поэтому физический механизм ТБН может быть использован для описания атмосферной циркуляции на Марсе и на Венере.

Но ни на Марсе, ни на Венере нет жизни и нет биотической регуляции. Могла бы биотическая регуляция на Марсе и Венере обеспечить устойчивую окружающую среду, пригодную для жизни? Да, могла. Но для этого нужны были бы отличные от земных естественные экосистемы, которые эволюционно должны были бы быть приготовлены на этих планетах. При забросе земных экосистем на Марс и Венеру они немедленно там погибнут. Искусственное приготовление экосистем, способных поддерживать устойчивую, пригодную для жизни окружающую среду, на Марсе и Венере невозможно, потому что потоки информации в естественных экосистемах планеты на 20 порядков превосходят возможные потоки информации в цивилизации с учетом компьютеров любого поколения. Подробнее об этом см. здесь.

список вопросов

6. Это относительно новая теория? Существуют ли ее исторические предшественники?

Биотический насос возникает в результате взаимодействия четырех хорошо известных физических законов — закона Клапейрона-Клаузиуса, закона идеального газа, закона тяготения и закона сохранения энергии.

Закон Клапейрона-Клаузиуса устанавливает, что насыщенное (т.е., максимально возможное) давление водяного пара примерно удваивается при повышении температуры на десять градусов Цельсия. Законы идеального газа и тяготения, объединившись, предписывают, что в гидростатическом равновесии давление водяного пара уменьшается в два раза на каждые девять километров подъема. Поэтому насыщенный водяной пар может находиться в статическом (т.е. неподвижном) равновесии, только если температура воздуха падает с высотой не быстрее, чем на десять градусов за девять километров подъема. Чуть точнее, критический градиент температуры воздуха не должен превышать 1.2 градуса на километр. Однако закон сохранения энергии, согласно которому в отсутствие внешнего притока тепла поднимающийся и расширяющийся воздух охлаждается, определяет, что в земной атмосфере температура поднимающегося объема воздуха падает в среднем на 6.5 градусов на километр (это промежуточное значение между влажным и сухим адиабатическими градиентами). Это значение примерно в шесть раз больше критического. Таким образом, четыре закона сообща запрещают водяному пару пребывать в неподвижном равновесии в атмосфере Земли — его вертикальное распределение оказывается сжатым почти в шесть раз по сравнению с гидростатическим.

Атмосфера, находящаяся в контакте с жидкой поверхностью мирового океана, оказывается неустойчивой по отношению к конденсации водяного пара. По мере подъема влажного воздуха он охлаждается существенно сильнее, чем на 1.2 градуса на километр, поэтому часть содержащегося в нем водяного пара конденсируется. В результате, давление воздуха у поверхности, приближенно равное весу газа в атмосферном столбе, уменьшается. В области конденсации формируется зона пониженного давления, и воздух из близлежащих областей начинает двигаться по направлению к этой области. В этом и состоит физика биотического насоса.

Четыре физических закона, составляющих основу ТБН, давно и хорошо известны. В нескольких публикациях — Trenberth (1991, J. Climate 4: 707), van den Dool, Saha (1993, J. Climate 6: 22), Lackmann, Yablonsky (2004, J. Atm. Sci. 61: 1674) и других — было отмечено, что конденсация приводит к уменьшению давления воздуха. В другой работе — Weaver, Ramanathan (1995, J. Geophys. Res., 100D, 11585) — было отмечено, что наблюдаемая высота распределения водяного пара в атмосфере может быть получена из рассмотрения уравения Клапейрона-Клаузиуса. Это было известно по крайней мере с конца девятнадцатого столетия, но отсутствовало в современной метеорологической литературе. Горшков (1990), стр. 147 отметил, что энергетика ураганов и смерчей определяется расходом энергии, накопившейся в атмосфере за длительный период путем испарения влаги, см. также Горшков (1995), стр. 227. Выделение потенциальной энергии, связанное с конденсацией, ранее не оценивалось.

список вопросов

7. Что добавляет ваша теория к существующим идеям и теориям?

Теория биотического насоса дает единое количественное описание таких атмосферных явлений как (1) крупномасштабная стационарная циркуляция (континентальная и океаническая, горизонтальный масштаб составляет несколько тысяч километров), (2) ураганы и (3) торнадо. В существующей метеорологической парадигме для описания ветров средней силы, характерных для широкомасштабных циркуляционных явлений, прибегают к идее о неравномерном нагреве земной поверхности. Для объяснения ураганов (очень сильных ветров) концепция о неравномерном нагреве отбрасывается, несмотря на возникающее при этом логическое противоречие. (Действительно, если неравномерный нагрев поверхности не нужен для образования ураганных ветров, возможно, он не нужен и для образования ветров средней силы?) Ураганы описываются как тепловые машины, экстрагирующие тепло из океана, равномерно нагретого по горизонтали. Наконец, физической теории образования торнадо (самых сильных ветров, наблюдаемых на суше) вообще не существует. Согласно теории биотического насоса все эти явления возникают по причине конденсации водяного пара, которая происходит в атмосфере на различных пространственных и временных масштабах. Новая теория позволяет получить совпадающие с наблюдениями численные оценки радиуса ветровой стены и глаза ураганов, профилей радиальной, тангенциальной и вертикальных скоростей и давления для ураганов и торнадо, максимальной протяженности ураганов из численных значений фундаментальных атмосферных параметров, таких, в частности, как парциальное давление водяного пара, радиус циркуляции и шероховатость земной поверхности.

список вопросов

8. Применяли ли вы вашу теорию к описанию тропических регионов, в частности, к бассейну Амазонки?

Да, лесной бассейн Амазонки является самым мощным биотическим насосом на Земле, поставляющим огромные количества влаги на тысячи километров вглубь континента. Согласно теории биотического насоса, уничтожение лесов Амазонки привело бы к превращению Южной Америки в пустыню. В то же время современные глобальные циркуляционные модели (ГЦМ) предсказывают лишь незначительное уменьшение осадков в регионе после его обезлесивания. Те же самые модели не способны воспроизвести круговорот воды в бассейне Амазонки. В частности, смоделированный поток атмосферной влаги с океана на сушу оказывается в два раза меньше реально наблюдаемого потока, который равен наблюдаемому стоку Амазонки в океан. Несмотря на эту давно известную и остро стоящую проблему с ГЦМ, нам неизвестны попытки метеорологов применить новую теорию биотического насоса, чтобы понять физические и экологические принципы атмосферной циркуляции в Амазонке.

список вопросов

9. Могли бы интенсивные усилия по восстановлению дождевых лесов привести к заметному глобальному климатическому эффекту уже в течение нескольких десятилетий?

Искусственно восстановить леса невозможно. Как отмечено выше, биотический насос представляет собой сложный информационно-емкий процесс, который образовался в ходе биологической эволюции сотни миллионов лет назад. Простое высаживание деревьев не поможет. Однако может оказаться возможным ускорить естественные процессы самовосстановления лесов. Мы считаем, что если теория биотического насоса будет серьезно воспринята, а задача глобального восстановления лесов осознана, можно ожидать появления такой науки как экологическая медицина. Подобно тому, как обычная медицина ускоряет исцеление человека от различных болезней, экологическая медицина будет изыскивать пути ускорения самовосстановления естественных лесов после различных нарушений.

Полное восстановление мощности биотического насоса произойдет только по завершении процесса самовосстановления (сукцессии) экосистемы. В бореальных лесах этот процесс занимает более столетия. Однако первые значительные эффекты можно ожидать в течение нескольких десятилетий, т.е. после восстановления биологической продуктивности лесной экосистемы.

список вопросов

10. Часть исследователей не являются энтузиастами вашей теории. Как вы аргументируете свою научную позицию и отвечаете на их критику?

До сих пор примечательным возражением к теории биотического насоса было следующее. Выделение скрытого тепла при конденсации приведет к увеличению температуры и повышению давления воздуха, а не к его понижению. Такой позиции придерживается, например, рецензент нашей статьи в журнале ACPD (Атмосферная химия и физика, обсуждения). Эту позицию одобрил исполнительный комитет журнала во главе с главным редактором. Однако, как мы показали в нашем ответе, стр. S12442, расчеты рецензента были сделаны для процесса (адиабатическая конденсация при постоянном объеме), который запрещен законами термодинамики. При этом не были приняты во внимание закон Клапейрона-Клаузиуса и существование гравитационного поля.

Действительно, когда воздух находится в неподвижном (гидростатическом) равновесии в поле силы тяжести, давление воздуха у поверхности равно весу воздушного столба единичной площади, т.е. общей массе всех молекул воздуха, приходящихся на единицу площади поверхности, умноженной на ускорение свободного падения. Вес не зависит от температуры. Поэтому после уменьшения массы воздуха в столбе за счет конденсации (т.е., удаления водяного пара из газовой фазы) давление у поверхности также падает по мере приближения к равновесному распределению. Это падение, связанное с изменением массы газа, происходит независимо от изменения температурного профиля в столбе, на который влияет выделение скрытого тепла. Именно это падение давления у поверхности земли делает возможным биотический транспорт атмосферной влаги в нижних слоях атмосферы.

Мы приветствуем любое конструктивное внимание к теории биотического насоса, как критическое, так и позитивное, и стараемся давать подробные ответы на критику с использованием всех находящихся в нашем распоряжении средств распространения информации.

список вопросов

11. Возможно ли применение вашей теории к другим экваториальным зонам подобно области тропических циклонов и межтропической зоне конвергенции и т.п.?

Да, возможно. Согласно нашей теории, современный облик межтропической зоны конвергенции в значительной степени определяется функционированием дождевых лесов Конго и Амазонки, а также индонезийских и тропических азиатских лесов и выглядел бы иначе в их отсутствие.

В частности, присутствие на континенте протяженного лесного покрова, стягивающего атмосферную влагу с океана, препятствует возникновению ураганов в прилегающей к континенту акватории.

список вопросов

12. Средиземное море осенью сравнительно теплое. Недавно в Испании у нас выпало 800 мм осадков за судки, и 300 мм за 4-5 часов. Можно ли применить теорию биотического насоса к средиземноморскому бассейну?

ТБН основана на всеобщих физических законах и не имеет ограничений в области применимости и в равной степени применима как к тропикам, так и к умеренной зоне.

Максимальное испарение определяется постоянной солнечной мощностью и поэтому не может увеличиваться в несколько раз относительно своего среднего значения. Осадки, всегда в среднем равные испарению, могут локально возрастать и уменьшаться в десятки раз относительно среднего значения. Это фундаментальное различие между осадками и испарением. Только сплошной лесной покров способен выравнивать осадки, предотвращая засухи и наводнения. Как избыточные осадки, приводящие к наводнениям, так и засухи являются следствием отсутствия сплошного ненарушенного лесного покрова на территориях, линейные размеры которых превышают тысячу километров.

Средиземное море — относительно небольшой водный резервуар между Африкой и Европой. Атмосферный транспорт влаги, испарившейся с этого моря, может существенно повлиять только на области сравнимого с самим морем размера. Главным источником влаги для Европы остается Атлантический океан. Как и в других регионах планеты, разрушение естественного растительного покрова в Южной Европе в результате пожаров, рубок и сельскохозяйственной эксплуатации подрывает устойчивость регионального круговорота воды и транспорта влаги и ускоряет опустынивание.

список вопросов

13. При изменении климата увеличится количество водяного пара в атмосфере. Какое влияние это окажет, согласно вашей теории, на круговорот воды и, в частности, на выпадение дождей?

Мощность круговорота воды ограничена мощностью солнечного излучения. Поэтому она не может существенно возрасти с увеличением концентрации водяного пара в атмосфере. Разрушение естественной растительности сделает континенты засушливыми независимо от изменения глобальной температуры и концентрации водяного пара. Это основное положение теории биотического насоса: мощность круговорота воды на суше определяется, главным образом, состоянием растительного покрова, а не геофизическими особенностями региона.

Также необходимо отметить, что согласно концепции биотической регуляции, глобальная деградация естественных экосистем ведет к дестабилизации климата, а не к потеплению. Климат Земли с ее жидкой гидросферой неустойчив по отношению к спонтанным переходам к непригодным для жизни состояниям. Это либо полностью обледеневшая планета, либо катастрофический парниковый эффект, определяемый положительной обратной связью между увеличением температуры поверхности океана и количеством атмосферной влаги (основного парникового вещества). Климатические изменения не являются глобальным потеплением, но представляют собой потерю климатической устойчивости.

список вопросов

14. Какими вам видятся основные пути исследований для усиления вашей теории?

Мы считаем, что мы успели создать основной костяк ТБН. У нас нет сомнений в том, что конденсационная динамика будет признана основным физическим механизмом атмосферной циркуляции на Земли. Поэтому сейчас имеется огромное поле для новых исследований, в ходе которых климатологи и физики могли бы пересмотреть сложившиеся парадигмы мышления в свете новых результатов. Наши собственные планы включают несколько задач. Нам хотелось бы еще более детально получить выражения для ураганов и смерчей на границе глаза и ветровой стены — самой сложной части уравнения, описывающего эти структуры, — и величины потоков явного и скрытого тепла в атмосферу с земной поверхности, а также исправить существующие в метеорологической литературе ошибки, связанные с неверным определением и интерпретацией фрикционной скорости u* в атмосфере у земной поверхности. Отдельной задачей является описание устойчивости стационарной циркуляции, связанной с биотическим насосом, в зависимости от локального испарения и размера территории, занятой лесом.

Мы также полагаем, что было бы интересно сопоставить исторические данные по осадкам, речному стоку и площади лесного покрова в тех регионах, для которых имеются более-менее достоверные исторические данные о хозяйственной активности человека. Например, масштабное сведение лесов в московской области пару столетий назад сопровождалось исчезновением большого числа малых и средних рек. Еще пример — наши коллеги сообщают, что до испанской колонизации Колумбия славилась как регион, обладавший одним из самых больших запасов поверхностных вод. В современной Колумбии происходит интенсивное уничтожение лесов и одновременное быстрое опустынивание, т.е. разрушение круговорота воды. Подобные региональные тенденции заслуживают серьезного изучения. Сегодня принято винить "глобальное потепление" в любых климатических изменениях, но истинная причина опустынивания иная — разрушение человеком биотического насоса атмосферной влаги.

список вопросов

15. Какие ссылки и публикации вы порекомендуете тем, кто интересуется вашей теорией?

Все наши публикации по биотическому насосу приведены здесь. Можно начать с научно-популярной статьи "Реки: будут ли они вечно течь на Земле?".

список вопросов