Метеорология как наука > Физическая метеорология

Биотический насос атмосферной влаги

<< < (2/2)

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

[0] Главная страница сообщений

[*] Предыдущая страница

Перейти к полной версии