Метеорология как наука > Физическая метеорология
Биотический насос атмосферной влаги
Tuskarilla:
--- Цитировать ---Анастасия Макарьева, Виктор Горшков и различные коллеги, в том числе я недавно, выдвинули теорию, описывающую, как испарение и конденсация влияют на динамику атмосферы. Это первая теория, указывающая на то, что конденсация играет общую и доминирующую роль в динамике атмосферы (хотя другие предполагали роль в циклонических штормах, см. Lackmann and Yablonsky 2004 ; Wacker et al. 2006 ).
Традиционная теория температурного градиента предполагает, что все доминирующие процессы, которые определяют градиенты атмосферного давления, можно понять без учета изменений в молекулярной плотности (плотности частиц), которые происходят при испарении и конденсации воды. Новые механизмы возникают, когда мы ищем более полную картину. Я кратко обрисую некоторые ключевые принципы. Тем, кто ищет более подробную информацию, следует обратиться к Макаревой и Горшкову ( 2010 ), Макаревой и Горшкову ( 2007 ) и Макаревой и др. ( 2013 ).
Водяной пар неравномерно распределен в атмосфере - дисбаланс поддерживается постоянным взаимодействием испарения и конденсации. Во всех регионах нашей планеты, кроме самых засушливых, концентрация водяного пара заметно снижается с высотой на протяжении первых километров в нижних слоях атмосферы. Требуется энергия для испарения воды: то есть, чтобы освободить молекулы друг от друга, а также работать против местного атмосферного давления, чтобы создать пространство для дополнительного газа. Таким образом, атмосферный водяной пар сохраняет энергию.
Когда в атмосфере происходит конденсация, высвобождается накопленная энергия - часть преобразуется в тепло (либо излучается, либо нагревает местную атмосферу), часть (гравитационная энергия) рассеивается на трение за счет ускорения и движения падающей воды (например, часть из эта гравитационная энергия используется в гидроэлектрических схемах), а остальная часть может ускорять воздух, поскольку он создает градиент давления (обсуждение относительных величин в контексте глобальной циркуляции см. в Макарьева и др. 2013 ). Это последний процесс, способность конденсации ускорять воздух, на который ранее не обращали внимания (Макарьева и др., 2013 ; Макарьева и др., 2017 ).
Как происходит это ускорение? Если мы сравним атмосферный столб во влажной влажной области с атмосферным столбом в более сухой области, мы обнаружим, что соотношение давления (и температуры) воздуха с высотой отличается. Если эти колонны разместить рядом друг с другом, мы обнаружим, что влажная колонна поддерживает более низкое давление на малой высоте и более высокое давление на большой высоте, чем более сухая колонна. Эта разница в давлении с высотой создает циркуляцию, так что влажный столб (где происходит большая часть конденсации) будет втягивать воздух низкого уровня из более сухой области и возвращать воздух в него на более высоком уровне. Этот влажный столб теперь поднимается и охлаждается, и возникающая в результате конденсация приводит к падению атмосферного давления на самых низких высотах, втягивая еще больше влажного воздуха, который, в свою очередь, поднимается, охлаждается и конденсируется. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока имеется достаточно водяного пара для его подпитки. Результирующие градиенты давления и ожидаемые скорости генерации энергии (мощности), связанные с этими процессами, сопоставимы с наблюдениями (Макарьева и др.2013 ).
Скорость испарения и конденсации зависит от разных факторов. Конденсация доминирует над пространственными структурами, возникающими в результате этих процессов, потому что, хотя испарение является медленным и широко распространенным, ограниченным по энергии процессом, постепенно увеличивая локальное давление на больших площадях, конденсация может быть как быстрой, так и локализованной. Сильные штормы возникают, когда большие объемы влажного воздуха быстро поднимаются в ограниченном пространстве, что приводит к интенсивной конденсации (Макарьева и др., 2013 ). Эта идея предсказывает, что мощность шторма линейно связана с общим количеством осадков - этот прогноз соответствует наблюдениям (Макарьева и др., 2015 ; Сабувала и др., 2015 ).
--- Конец цитаты ---
--- Цитировать ---Ключевым следствием теории ветра, основанного на конденсации, является то, что в регионах с высокими скоростями испарения по сравнению с окружающими регионами возникают зоны с более низким давлением, которые втягивают воздух. Этот воздух сходится, поднимается и охлаждается, а влага конденсируется, образуя осадки, которые могут превзойти местное испарение. При прочих равных, разница в среднем испарении между соседними регионами предсказывает ветер между ними. Таким образом, ожидается, что области с большей площадью листьев будут привлекать ветры из областей с меньшей площадью листьев (Макарьева и др., 2013 ). Эта взаимосвязь подразумевает, что достаточно большие площади древесного покрова активно втягивают воздух и влагу из других мест. Этот процесс называется «биотический насос».
Привлечение просвечивающей растительности к влажному воздуху было признано ранее. Например, в засушливых районах южной Африки есть свидетельства того, что замедленное увеличение площади листьев после дождя усиливает последующие ветры и осадки, так что «растительность самоподдерживающе притягивает потоки воздуха к себе» (Chikoore and Jury 2010 ).
--- Конец цитаты ---
--- Цитировать ---Биотический насос объясняет различные явления. Он объясняет, как высокий уровень осадков сохраняется в континентальных внутренних районах Амазонки, Конго и Сибири, в то время как в районах без лесов уменьшение количества осадков по мере удаления от материка более круто (обычно вдвое каждые несколько сотен километров по ровной местности с примерно экспоненциальным спадом) ( Макарьева, Горшков 2007 ; Макарьева и др. 2009 ; Шейл, Мурдиярсо 2009 ; Макарьева и др. 2013). Ни глобальная циркуляция, ни региональная переработка не могут объяснить эти закономерности - они могут влиять на скорость спада с расстоянием, но не сводят на нет ее. Для этого эффекта - втягивания дождя в континентальные внутренние районы - требуется биологически функционирующий лес, поэтому мы можем предсказать, что этот эффект будет меньше над бореальными лесами глубокой зимой (когда транспирация прекращается).
--- Конец цитаты ---
https://forestecosyst.springeropen.com/articles/10.1186/s40663-018-0138-y
Tuskarilla:
Mist
Спасибо за внимание к материалам.
Насчет цитат, я по другому не хочу оформлять из уважения к авторам. Привычка. А тут скорее цвет фона у цитат грубый, но то правится в настройках форума, просто админу вероятно не очень хочется что-то делать в этом отношении, как то элементарное даже - кнопку "цитировать выделенное". SMF форумы при настройке намного удобрнее, чем вот такой ванильный не настроенный и не пропатченный вариант.
А насчет орографии и мезоклимата к сожалению очень мало качественных данных. Но в целом, кажется, что идея биотического насоса не выглядит невероятной.
Coltan:
--- Цитата: Tuskarilla от 18 Март 2021, 17:16:47 ---А насчет орографии и мезоклимата к сожалению очень мало качественных данных. Но в целом, кажется, что идея биотического насоса не выглядит невероятной.
--- Конец цитаты ---
Все же имхо сей феномен имеет критической значение только для поддержания увлажнения в Амазонии - там транспирация не в пример выше чем в умеренных широтах. В других местах эффект не столь драматичен.
А кстати откуда цифры о дистанции пассивного транспорта влаги на материки? Если найдете оригинальное исследование, с удовольствием гляну на выходных.
Tuskarilla:
Coltan
Там много источников указано, пояснения к таблице стр. 9 https://www.bioticregulation.ru/offprint/vod_pr1.pdf
Возможно это актуально и для лесов в целом в экваториальной и субэкваториальной областях. Насчет бореальных лесов, тайги с лесообразующими хвойными породами сложнее сказать, надо тут что-то отдельно искать, какую-то информацию.
К примеру
--- Цитировать ---Результаты лесогидрологических исследований в различных географических условиях свидетельствуют о том, что гидрологический эффект, обусловленный характером использования земель на водосборах и изменением их лесистости,может проявляться как в увеличении, так и в уменьшении стока рек. Оценка причин такого неоднозначного влияния лесов на структуру водного баланса была и продолжает оставаться предметом острых дискуссий.В свое время Н.А. Воронков [2], анализируя результаты лесогидрологических исследований, сформулировал три основные концепции гидрологической роли лесов. Первая концепция иссушающей роли лесов, которой и сейчас придерживается большинство лесных гидрологов, основана на том, что суммарное испарение в сомкнутых высокопродуктивных лесах всегда выше, а сток ниже, чем на открытых участках, включая сельхозугодья. Такой эффект обусловлен тем, что корневые системы крупных деревьев работают как «мощные глубинные насосы», испаряя влагу в том числе и из нижних почвенных горизонтов [24, 21]. Приверженцы этой концепции ссылаются на данные об увеличении суммарного стока после вырубки лесов в ряде регионов как Северной Евразии, так и Северной Америки [3, 23]. Результаты таких наблюдений сложно поставить под сомнение, поскольку полностью элиминируется влияние природно-климатических условий. Однако при этом сохраняется проблема корректности переноса результатов,полученных на относительно локальных участках, на обширные территории [22, 20, 27].
Вторая концепция основывалась на всеобщей увлажняющей роли лесов. Ее приверженцы, ссылаясь на результаты наблюдений на парных водосборах на основе корреляционных связей между лесистостью водосборов и осадками, которые имели положительный знак, утверждали, что леса «притягивают» облака и способствуют выпадению осадков [13, 11, 14, 16 и др.]. Такой эффект, по их мнению, обусловливался шероховатостью полога леса, которая способствует возникновению восходящих потоков воздуха, переносящих водяные пары в верхние более холодные слои атмосферы, где влага конденсируется, что и приводит к увеличению местных осадков над лесными территориями.
Однако противники этой концепции, ссылаясь на слабую аргументацию причинно-следственных связей, резонно утверждали, что причина положительных связей между лесистостью и осадками кроется не в том, что лес «притягивает» осадки, а в том, что леса растут там, где осадков выпадает больше[6, 5].
Для опровержения этих возражений необходимо было иметь убедительные доказательства, основанные на экспериментальных данных, которых было явно недостаточно у сторонников концепции всеобщей увлажняющей роли лесов. Очевидно, что простой статистический подход, основанный на сравнении больших массивов географически разнородных данных, не позволяет выявить генетические особенности влагооборота лесных и безлесных территорий, раскрывающие суть гидрологической роли лесов.Имеются многочисленные свидетельства того, что леса по-разному трансформируют структуру водного баланса в зависимости от типа растительности и фоновых климатических условий [28, 26, 29], однако причины таких различий остаются наиболее слабым звеном гидрологической науки и практически не учитываются в глобальных гидрологических моделях.
Ученых и специалистов интересует ответ на вопрос: почему в одних условиях леса увеличивают суммарное испарение и снижают годовой сток рек, а в других способствуют увеличению стока, снижая эвапотранспирацию? Более того, даже на одних и тех же объектах в различные годы соотношение расходов влаги на испарение лесом и полем существенно различается в зависимости от характера увлажнения, радиационного и теплового баланса конкретных сезонов[22, 8, 17, 12, 10].Эти противоречия послужили основанием для формирования концепции неопределенной или неустойчивой гидрологической роли лесов [2],которой придерживались многие лесные гидрологи.
--- Конец цитаты ---
--- Цитировать ---Основным и существенным недостатком концепции неопределенной или неустойчивой роли лесов является то, что она не вскрывает механизмы влагооборота, обусловливающие различный гидрологический эффект. Очевидно, что процессы влагооборота во многом обусловлены фазовымсостоянием и физическими свойствами воды. В теплый период года, когда вода находится преимущественно в жидком и газообразном состояниях, в приземном слое преобладает вертикальная составляющая потоков влаги. В это время в активный влагооборот(физическое испарение, транспирация, сток) вовлечены все компоненты наземных экосистем, включая почву. Соотношение между испарением и стоком в теплый период года в большей мере определяется продуктивностью угодий и в меньшей степени характером растительности, будь то лес или другие типы растительности [7].
Исследования в лесах умеренного и тропического пояса также свидетельствуют о росте эвапотранспирации с повышением продуктивности растительного покрова. Причем, как правило, суммарное испарение в сомкнутых вечнозеленых лесах всегда выше, а сток ниже, чем на открытых участках, включая сельхозугодья. Такой эффект обусловлен тем, что корневые системы крупных деревьев работают как «мощные глубинные насосы», испаряя влагу в том числе и из нижних почвенных горизонтов [21].
--- Конец цитаты ---
--- Цитировать ---Установлено, что локальные фитоценотические и региональные климатически обусловленные контрасты проявления гидрологических функций бореальных лесов во многом определяются именно особенностями влагооборота в зимний период времени. Исследования, проведенные в различных географических условиях, свидетельствуют о том, что перехват снега пологом леса зависит от сомкнутости крон, состава насаждений, возраста древостоев, времени пребывания атмосферных осадков на кронах деревьев, ветрового режима, температуры и количества выпавших атмосферных осадков [25, 18, 9].
--- Конец цитаты ---
--- Цитировать ---Выявленные закономерности демонстрируют увеличение перехвата атмосферных осадков пологом леса и снижение коэффициента снегонакопления с увеличением сомкнутости и возраста насаждений, а также с ростом доли хвойных. При этом продолжительность пребывания снега в лесном пологе и повышение температуры также приводят к увеличению испарения снега с крон деревьев, в то время как с увеличением количества выпавшего снега доля перехваченных пологом атмосферных осадков снижается. Значение ветра неоднозначно. В морозную погоду под действием ветра сухой снег быстро осыпается с крон, что приводит к пополнению снегозапасов под пологом леса и снижению испарения с крон деревьев. В условиях мягких и теплых зим влажный снег долго сохраняется в кронах, а умеренная скорость ветра способствует лучшему его испарению.
--- Конец цитаты ---
--- Цитировать ---Таким образом, в теплом климате, где продуктивность лесов выше, зимой лес по сравнению с безлесными угодьями работает как лучший испаритель. Это обусловлено двумя основными причинами. Первая причина - снижение непродуктивного испарения снеговой влаги на открытых участках, т.к.плотный и влажный снег не подвержен ветровому переносу, во время которого испарение растет по экспоненте с увеличением скорости ветра. Вторая причина связана с возрастанием перехвата снега пологом леса с повышением температур воздуха. Эффект увеличения перехвата снега пологом с увеличением температур обусловлен изменением физических свойств снега - увеличением его пластичности и способности к слипанию частиц снега как друг с другом, так и с кронами деревьев
--- Конец цитаты ---
--- Цитировать ---В холодном климате, где, как правило, продуцируют низкополнотные древостои, лес, напротив, работает как накопитель снеговой влаги.Такой эффект обусловлен относительно небольшим зимним испарением в северных редколесьях по сравнению с безлесными территориями. В лесах, произрастающих в холодном климате,зимнее испарение невелико, поскольку с понижением температур воздуха и снижением полноты древостоев снижается и перехват твердых атмосферных осадков пологом леса. В тоже время на открытых участках в условиях суровых зим с увеличением скорости ветра испарение возрастает гораздо быстрее, чем в условиях теплых зим. Таким образом, игнорирование региональных климатических особенностей является основной причиной концептуальных противоречий, существующих в оценке гидрологической роли лесов различных географических регионов.
--- Конец цитаты ---
--- Цитировать ---Таким образом, можно констатировать, что с изменением фоновых климатических условий и фитоценотической структуры лесов меняется и их гидрологическая роль. В холодном климате уменьшение лесистости, как отмечалось выше, приводит к активизации метелей, усиленному испарению снега и, как следствие, к снижению суммарного стока.В теплом и влажном климате, где продуктивность лесов выше, лес по сравнению с безлесными угодьями работает как лучший испаритель. Это обусловлено двумя основными причинами - отсутствием ветрового переноса и снижением непродуктивного испарения на открытых участках и возрастанием перехвата твердых атмосферных осадков пологом высокопродуктивных сомкнутых древостоев. Лес в таких условиях становится фактором уменьшения стока рек
--- Конец цитаты ---
http://www.vniilgisbiotech.ru/documents/5.pdf
Навигация
Перейти к полной версии