Физический принцип действия лесного биотического насоса



Лесной биотический насос влаги

(Популярное изложение)

 

© 2006 А.М.Макарьева, В.Г.Горшков

Отделение теоретической физики, Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН

 

       1. Реки и ненарушенная биота

       Люди живут на суше, где освоили 70% ее территории. Дикая жизнь, которую теперь называют ненарушенной биотой, не существует на этой территории. Ненарушенная биота сохранилась на оставшихся 30% суши в виде не разрезанных дорогами девственных лесов и болот. Освоенные семьдесят процентов суши превращены в пастбища для скота, обрабатываемые земли для выращивания урожая, разреженный, подвергаемый непрерывным вырубкам древостой и промышленные предприятия. Большая часть освоенной человеком в прошлом территории суши превратилась в пустыни, которые уже невозможно использовать. Сохранившаяся ненарушенная биота представляется ненужной человеку. Поэтому предполагается с развитием техники и экономики освоить ненарушенную биоту на этих оставшихся 30% суши, превратив девственные леса в вырубаемый древостой, а осушенные болота в пахотные земли. На это, в частности, нацелен новый Лесной Кодекс Российской Федерации. Ненарушенную биоту считается достаточным сохранить в заповедниках как “памятники природы”, которые занимали бы не более одного-двух процентов территории суши.

       Подобное отношение к ненарушенной биоте не учитывает ее очень важных для человека функций, которые до недавнего времени не были известны людям. При любом уровне развития цивилизации человек может жить на суше только при возможности использования пресной воды. Пресную воду человек берет из рек. Реки — единственный источник пресной воды на суше. Все пресные озера, горные ледники и болота содержат столько воды, сколько стекает через реки в океан всего за четыре года. Почему же текут реки? Почему нет рек в пустынях? Не может ли случиться так, что вся воды, стекающая откуда-то в реки, полностью стечет в океан и больше ее не будет? Эти вопросы всегда волновали пытливых детей.

       На эти вопросы взрослые сразу отвечают, что на суше идут дожди. Там, где много дождей, текут реки и растет лес. Где дождей мало, лес расти не может, и рек почти нет, здесь растут травы, образующие степи, прерии, саванны. Дожди идут потому, что вода испаряется с земной поверхности, пар поднимается вверх, образует облака и выпадает в осадки.

       Но ведь испаряется-то вода на суше, до океана тысячи километров. А реки-то текут в океан. Вода же, испарившаяся в океане, сама на сушу, например, в пустыню, не приходит. Верховья седьмой по величине реки мира Енисея удалены от океанов и морей на расстояние в несколько тысяч километров, и никакая влага, испарившаяся в океане, сама на такое расстояние вглубь континента пройти не может. Поэтому кажущееся убедительным объяснение течения рек напоминает историю с бароном Мюнхаузеном, вытащившим себя за волосы из болота. Для того, чтобы реки текли, необходим насос, закачивающий воду из океана на сушу в любое удаленное от океана место. В этой статье мы покажем, что таким насосом является ненарушенная биота девственных лесов и болот, которая и обеспечивает возможность жизни на суше для всего живого, включая самого человека.

 

Лесной биотический насос пресной воды

       Вся жизнь на суше связана с растениями, которые могут произрастать только во влажной почве. Влажность почвы должна быть одинаковой в течение всего сезона активной жизни растений. Суша возвышается над океаном и имеет уклон. Поэтому, вследствие существования физических сил тяготения, влага из почвы стекает в направлении максимального уклона, собирается в реки и реками течет в океан. В среднем, уклон суши не зависит от расстояния до океана. Поэтому при одинаковой влажности почвы речной сток на единицу площади земной поверхности одинаков на любом удалении от океана. Этот факт действительно наблюдается во всех участках суши с ненарушенной биотой, т.е. в девственных лесах и болотах. Таким образом, сотни миллионов лет назад при заселении суши из океана жизнь должна была решить задачу накопления влаги на суше и сохранения оптимальной влажности почвы при условии существования непрерывного речного стока воды в океан.

       Тот факт, что жизнь решила эту задачу, означает, что существует открытый жизнью физический закон, допускающий ее решение. Лишь строго определенная жизнь по своей форме и функционированию может использовать физические законы. Жизнь, которая может ходить, должна иметь ноги; жизнь, которая может летать, должна иметь крылья, а жизнь, которая использует энергию солнечного излучения, должна иметь листья. Энергия солнечного излучения является основным и практически единственным источником энергии для всей жизни на Земле. И поэтому листья были изобретены жизнью еще в океане до заселения суши. Однако изобретения листьев недостаточно для заселения суши. Травы и редкие кустарники подвержены засухе и не могут обеспечить постоянную влажность почвы и существование рек на суше. Совершенно так же, имея ноги, невозможно научиться летать, не изобретя крыльев.

       Травы и кустарники — степи, прерии, саванны, пастбища и обрабатываемые человеком поля — не могут сформировать речные бассейны на любом удалении от океана. Эта растительность может обеспечивать лишь быстро затухающие с удалением от берега океана потоки влаги в летние влажные сезоны года. Затухание происходит в геометрической прогрессии, т.е. при проникновении вглубь суши на каждые 400 км поток влаги и осадки уменьшаются вдвое, рис. 1, рис. 2а,б. Причем это происходит только во влажный сезон, называемый сезоном дождей или влажным летним муссоном. В более холодный зимний сезон никакая влага с океана в саванны, степи и прерии не поступает. В этот сезон, называемый сухим зимним муссоном, влага, испарившаяся над травами, уносится в океан, и суша высыхает. Муссонный климат неустойчив и с течением времени все эти виды травостоя превращаются в пустыни, куда океанская влага не поступает никогда. Муссонного климата в пустынях нет, и это однозначно указывает на то, что существование муссонов поддерживается травостоем. Однако превращение травостоя в пустыни показывает, что устойчивое существование жизни на суше в виде травостоя невозможно даже на малых расстояниях от океана.

       Для устойчивого заселения всей суши жизнь вынуждена была изобрести новый вид растительности — высокие деревья с широкой кроной, состоящей из огромного числа листьев. В густом лесу с соприкасающимися и переплетенными кронами соседних деревьев суммарная площадь поверхности листьев в десятки раз превосходит площадь земной поверхности, расположенную под лесом. Листья деревьев представляют собой испаряющую поверхность леса, в десятки раз большую испаряющей поверхности открытого океана того же размера. Этот факт открывает путь к пониманию до сих пор неизвестного людям физического закона, который дает возможность лесу закачивать океанскую влагу на любое расстояние вглубь континента так, чтобы скомпенсировать постоянный речной сток и обеспечить оптимальную круглогодичную влажность почвы.

Все покрытые лесом речные бассейны простираются на любые расстояния вглубь континентов, рис. 1, рис. 2г, д, е, и однозначно свидетельствуют о существовании биотического лесного насоса океанской влаги на сушу. Круглогодичная влажная почва ненарушенных лесов предотвращает пожары. Управляемое лесом испарение листьев, называемое транспирацией, не допускает возникновения наводнений. (Паводковый сток на севере — неизбежное следствие выключения биотического лесного насоса в зимний период. В теплой зоне, где ненарушенный лес функционирует круглогодично, паводкового стока нет, и величина стока остается постоянной в течение всего года.) Постоянная тяга биотического лесного насоса делает невозможным возникновение ураганов и смерчей. Эти явления на суше возникают только на нарушенных человеком территориях. Недавно ураган в южной части Северной Америки уничтожил целый город — Новый Орлеан. Раньше в этих областях ураганов не было.

       Физический закон, позволивший заселить сушу, мучительно познавался жизнью в течение сотен миллионов лет путем бесчисленной череды эволюционных проб и ошибок, пока, наконец, не были открыты возможности построения сплошного лесного покрова. Рассмотрению человеком леса — единственно возможной формы устойчивой жизни на суше — как запаса древесины, с помощью которой можно ускорить экономический рост, трудно что-нибудь сопоставить по своей нелепости. Разборка гаек, скрепляющих рельсы железнодорожного полотна, на грузила для ловли рыбы в известном рассказе А.П.Чехова, представляется лишь очень слабой аналогией.

       Лес — это сложное сообщество деревьев и обслуживающих работу леса других биологических видов — бактерий, грибов и животных. Древесина стволов и ветвей, выполняющая сложные опорные функции, в ненарушенных лесах пронизана деятельностью грибов и бактерий. Отмершие деревья стоят, падают и разлагаются бактериями с определенной скоростью. Животные срезают ветки и листья. И вся эта сложнейшая деятельность сообщества направлена на поддержание максимальной устойчивости жизни на суше и, главным образом, на сохранение устойчивости круговорота воды, без которой жизнь невозможна.

       Людям, рассматривающим лес с позиции качества его древесины в деревообрабатывающей промышленности и строительстве, ненарушенный лес представляется гнилым и захламленным, содержащим излишнее количество мертвых стволов и веток. Стремясь получить наилучшую древесину, люди разрежают деревья, очищают лес от сухостоя и подлеска, выжигают сухие ветки. Все это лишает энергии и пищи сложное сообщество организмов, обслуживающих лес, и разрушает действие биотического насоса. Согласно юридическим нормам, сформулированным самим человеком, незнание законов не освобождает от наказания за их невыполнение. Природа поступает с человеком точно таким же образом. Современная динамика разрушения биотического лесного насоса продемонстрирована на рис. 2в, на примере северо-западной части США, где в нарушенном лесу осадки медленно спадают с удалением от океана и начинают убывать в геометрической прогрессии там, где лес уничтожен полностью, см. рис. 1, стрелка 4.

 

Физический принцип действия лесного биотического насоса

Дожди идут с неба из туч и облаков. Чтобы вода попала на небо, она должна сначала испариться на земной поверхности, из океанов, морей и влажной почвы. Затем после испарения водяные пары должны подняться до уровня облаков, где они конденсируются и зависают до начала дождя. Подъем водяного пара создает ветер, направленный вверх, который поддерживает облака.

       Очевидно, что там, где больше испарение, больше и направленный вверх ветер, больше облаков и больше осадков. Лес же способен развить величину испарения, намного большую испарения с открытой водной поверхности. Поэтому испарение леса больше, чем испарение океана. Над лесом возникают вертикальные потоки воздуха, большие, чем над океаном. Следовательно, снизу начнется подсос богатого влагой воздуха с океана в лес. Эта океанская влага засасывается на лес, поднимается вверх, образует облака и выпадает в осадки над лесом, компенсируя речной сток, рис. 3а, рис. 2г,д, е.

       Таким образом, влага идет всегда из области, где испарение меньше, в область, где испарение больше, даже в том случае, если в первой области влажность меньше, чем во второй. В пустыню, где испарения нет, влага не идет никогда, рис. 3б.

       Травостой саванн, прерий, степей, обрабатываемых земель может развивать поток испарения, больший, чем в океане, только в жаркий летний период. В этот период с океанов и морей на травостой поступает затухающий с расстоянием поток влаги, образуя влажный летний муссон, рис. 3г. В более холодный зимний период испарение травостоя меньше испарения океана и сохранившаяся влага травостоя стягивается с суши в океан, образуя сухой зимний муссон, рис. 3в.

       Отметим, что существование испарения и осадков в виде дождя и снега всегда было хорошо известно людям. Тот наблюдаемый факт, что подъем испарившихся водяных паров с земной поверхности до облачного покрова неизбежно вызывает восходящие потоки увлекаемого паром воздуха достаточен для понимания сформулированного выше физического принципа, используемого лесом. Но до сих пор физическая причина, заставляющая водяные пары всегда подниматься только вверх с земной поверхности в атмосферу, оставалась невыясненной. А ведь существование восходящих потоков обязательно сопровождается силой, направленной вверх. Именно эта сила, как древнегреческие атланты, и поддерживает облачное небо над Землей. Выясним теперь природу и величину этой силы.

       Давление воздуха на любой высоте уравновешено весом атмосферного столба воздуха, расположенного над этой высотой. Так как с ростом высоты вес столба над ней становится меньше, то уменьшается и давление воздуха с увеличением высоты. Это уменьшение хорошо известно каждому. Воздух в атмосфере всегда присутствует в виде газа. А вот вода бывает в двух фазах — газообразной и жидкой в каплях дождя и тумана. Туман образуется, когда температура воздуха уменьшается. Но всем известно, что температура воздуха уменьшается с высотой. Поэтому с ростом высоты все больше водяного пара переходит в жидкую фазу тумана, образуя облака. Все газы в атмосфере устанавливаются в равновесии или отклоняются от него независимо друг от друга. Это было установлено Дальтоном в середине позапрошлого века. Превращение водяного пара в туман уменьшает вес газа водяного пара в атмосферном столбе, и давление газа водяного пара становится больше этого веса. Согласно закону Дальтона, положительная разность между давлением и весом столба водяного пара не может быть скомпенсирована появлением соответствующей отрицательной разности у сухого воздуха. Поэтому эта разность для водяного пара и создает направленную вверх силу.

Величина этой силы зависит от скорости падения температуры воздуха с высотой. Если бы температура воздуха не уменьшалась с ростом высоты и была бы одинаковой на всех высотах, то образование тумана и облаков в атмосфере стало бы невозможным. Испарение влаги с земной поверхности полностью прекратилось и водяные пары как и воздух установились бы в равновесии, при котором вес столба пара над любой высотой равнялся бы давлению пара на этой высоте. В этом случае дождей бы не было, реки перестали бы течь, и суша стала бы безжизненной.

       Восходящий поток водяного пара и связанная с этим сила в реально существующей атмосфере могут поддерживаться непрерывно, когда испарение влаги с земной поверхности в точности компенсирует образование тумана и облачности в атмосфере. Если испарение прекращается, например, в результате остановки транспирации деревьев, то исчезает и образование облачности и тумана в атмосфере. Поэтому силу, заставляющую пары воды подниматься вверх и поддерживающую облака, естественно называть силой испарения. Сила испарения больше там, где больше испарение с земной поверхности, и в эти области устремляются горизонтальные потоки воздуха из областей, где испарение меньше. В результате, сила испарения является одной из основных сил, вызывающих циркуляцию воздуха в атмосфере. Этот физический закон был известен экологическому сообществу в течение сотен миллионов лет, но не был осознан людьми вплоть до последнего времени.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 782; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!