Відділ теоретичної фізики Інституту ядерної фізики в Санкт-Петербурзі (Росія) Творці теорії біотичних насосів (теорія біотичних насосів)

віктор

Співпраця з оперативною пам'яттю

1. Що стосується людини на вулиці і кількома словами, що таке теорія біотичних насосів, BPT (Biotic Pump Theory)?

Теорія біотичного насоса має як фізичну, так і екологічну складові. Фізики кажуть, що вітри дмуть звідки швидкість конденсації водяної пари низька до високої. Екологічні такі, що велика поверхня випаровування зеленого листя робить випаровування, а отже і конденсацію, постійно інтенсивнішим у природних лісах, ніж в океані. Тому, коли континент вкритий лісами, а вітер дме з моря на сушу, це приносить вологу, щоб палити процеси опадів і компенсувати стік річок. Цей індукований лісом перенос вологи з океану на сушу називається біотичним насосом атмосферної вологи.

2. Чому назва "біотика"?

Слово "біотичний" (а не "біологічний") підкреслює, що біотичний вологонасос може стабільно керуватися всіма живими організмами в природній біоти, а не лише якимись окремими видами (наприклад, деякими деревами) чи групами штучно відібраних видів людиною. Теорія біотичного насоса є частиною концепції біотичного регулювання навколишнього середовища (www.bioticregulation.ru). Згідно з цією концепцією, належне середовище для життя має підтримуватися в цьому стані живими організмами в цілій природній біоті (тобто всі біологічні організми) на Землі. Інформація, необхідна для біотичної регуляції, записана в генетичних програмах біологічних видів біоти Землі. Для стабільного функціонування біотичного насоса складної екосистеми в цілому необхідно, щоб він включав дерева, трави та бур'яни, бактерії, гриби та всіх тварин, які взаємодіють між собою.

Рисунок 1. - Класична схема кругообігу води

3. І для гідролога, з більш технічними словами?

По мірі підняття маси суші над океаном, завдяки гравітації, континенти постійно втрачають воду, вносячи її в океани через стік річок. Такий механізм може повністю виснажити світові запаси континентальної води всього за кілька років. Тому для збереження кругообігу води на суші необхідний транспортний механізм, який постійно повертає вологу на континент з океану.

Конденсація водяної пари над навісом лісу зменшує кількість цього газу в повітряній колоні. Отже, тиск повітря на поверхні нижчий. Вологе повітря тече із океанів у континентальні райони низького тиску. Атмосферна волога, розподілена з океану, випадає в осад над землею і компенсує гравітаційні втрати рідкої води через стік.

Лісовий біотичний насос повинен працювати комплексно, щоб регулювати приплив вологи, щоб знайти баланс між Сцилою (sic) і Харибдою (sic) посухи (надмірна вологість) та повені (надмірна вологість). Цього можна досягти різними способами, головним чином за рахунок біотичного впливу на аеродинамічну шорсткість, що забезпечує відсутність різкого прискорення в повітрі, що рухається углиб океану, шляхом послаблення біогенного виділення ядер конденсації та інших засобів.

4.Яку роль можуть відігравати метеорологи у розробці БПТ?

Протягом століть, починаючи з роботи Гедлі та його попередників, циркуляція атмосфери була пов’язана з диференціальним нагріванням поверхні Землі та архімедовою силою, яка піднімає гаряче і легке повітря, опускаючись холодним і важким. Теорія біотичного насоса насамперед описує невідомий раніше регулятор атмосферної циркуляції - падіння тиску повітря та виділення потенційної енергії під час конденсації водяної пари. Ми показали, як цей фізичний процес породжує вітри з помітною швидкістю і є основною причиною атмосферної циркуляції на Землі. Диференціальне нагрівання відіграє відносно незначну роль, відповідаючи за незначні вітрові явища, такі як вітер. Це свідчить про значну зміну парадигми в сучасній метеорології.

5. Чи має BPT подібність до проектів тераформування, розроблених років тому для досягнення умов проживання на таких планетах, як Венера та Марс?

І на Венері, і на Марсі конденсація відіграє помітну роль у кліматології планети. На Марсі саме водяна пара та СО2 зазнають фазові переходи. Вуглекислий газ Венери знаходиться вище критичної точки газ-рідина; плюс там є хмари сірчаної кислоти. Отже, фізичний механізм БПТ може бути застосований для опису атмосферної циркуляції на Марсі та Венері. Але на Марсі чи Венері немає життя, а також немає біотичної регуляції.

Чи можна екологічні умови цих планет регулювати біологічно, щоб зробити їх придатними для життя? Так, вони могли. Але нам потрібні різні природні екосистеми, що еволюціонували на цих планетах. Якщо наземні екосистеми перенести на Марс або Венеру або розмістити їх у закритих водоймах, вони неминуче розпадуться і припинять своє існування. В принципі, штучне проектування біологічних систем, здатних стабільно підтримувати сумісне життя та навколишнє середовище на Марсі, Венері чи деінде, крім Землі, неможливо. Причина полягає в тому, що інформаційні потоки, необхідні для екологічного регулювання, перевищують на 20 порядків всю можливу інформацію, яку надає цивілізація. Такі інформаційні потоки обробляються живими клітинами біосфери.

6.Як метеорологи можуть використовувати концепції BPT у своїх прогнозних картах погоди?

Біотичний насос виникає як наслідок конкретної взаємодії чотирьох відомих фізичних законів: закону Клаузіуса-Клапейрона, закону ідеального газу, закону гравітації та закону збереження енергії.

Закон Клаузіуса-Клапейрона говорить, що насичений тиск водяної пари (максимально можливий) приблизно подвоюється на кожні десять градусів Цельсія, коли температура зростає. Закон ідеального газу та гравітація поєднуються, щоб встановити, що в гідростатичній рівновазі тиск водяної пари зменшується наполовину на кожні дев'ять кілометрів підйому. Отже, насичена водяна пара може бути статичною лише в тому випадку, якщо вертикальний тепловий градієнт не перевищує десяти градусів на дев’ять кілометрів, або, точніше, критичного значення 1,2 ° С/км. Але закон збереження енергії, який визначає, що за відсутності зовнішнього надходження тепла підйом і розширення газу охолоджується, передбачає, що температура повітряної посилки, що піднімається, знижується в середньому на 6,5 ºC/км ( проміжне значення між сухим адіабатичним градієнтом та насиченим або вологим). Це приблизно в шість разів перевищує критичне статичне значення. Чотири закони поєднують заборону водяній парі знаходитись в гідростатичній рівновазі в земній атмосфері - її вертикальний розподіл здається стисненим майже в шість разів більше, ніж гідростатичний розподіл.

Атмосфера, що контактує з поверхнею рідкої води Світового океану, нестійка до конденсації водяної пари. У міру підняття повітря повітря охолоджується набагато більше, ніж зі швидкістю 1,2 ºC/км, частина його водяної пари конденсується. Отже, тиск повітря на поверхні (тобто приблизно дорівнює вазі газової колонки) знижується. У регіоні, де відбулася конденсація, утворюється зона низького тиску, тому повітря починає надходити в цю область. Він уловлює більше водяної пари, що підтримує процес конденсації. Ось як біотичний насос працює фізично.

Чотири закони, що лежать в основі БПТ, звичайно, добре відомі. У кількох дослідженнях, таких як Тренберт (1991), ван ден Дул і Саха (1993, J. Climate 6:22), Лакманн і Яблонський (2004, J. Atm. Sci. 61: 1674), було визнано зниження тиску повітря в конденсація. Weaver and Ramanathan (1995, J. Geophys. Res., 100D, 11585) згадують, що шкалу висоти водяної пари можна отримати з урахування рівняння Клаузіуса-Клапейрона, тим самим відновлюючи теоретичний результат, який ми знаємо за найдавнішими текстами з на початку ХХ століття, але бракує сучасній метеорологічній літературі. Горшков (1990, Енергія біосфери та стабільність стану навколишнього середовища, www.bioticregulation.ru/pubs/pubs5.php) вказує, що енергія ураганів та торнадо визначається конденсацією після тривалого періоду випаровування. Виділення потенційної енергії, пов’язане з перепадом тиску, пов’язаним з конденсацією та пов’язаним з фізичною основою біотичного насоса, раніше не обговорювалося.

7. Яка додана вартість існує у вашій теорії стосовно сучасних ідей?

Рисунок 2. - Вид зрізу на ділянку річки Амазонки.

8. Ви застосовували його в тропічних районах, зокрема в Амазонці, так?

9. Чи можливо велике та швидке відновлення тропічних лісів, яке може вплинути на глобальний клімат протягом декількох десятиліть?

Неможливо провести штучне лісовідновлення. Як ми вже згадували раніше, біотичний насос - це складне явище з великою кількістю інформації, яке з'явилось як наслідок біологічної еволюції сотні мільйонів років тому в часі. Просто лісовідновлення не допоможе. Однак повинна бути можливість сприяти природним процесам самовідновлення лісів. Ми передбачаємо, що якщо до теорії біотичних насосів поставитись серйозно і визнати завдання відновлення лісів, ми можемо розраховувати на появу екологічної медичної науки - яка, як і медична наука, що дозволяє вилікувати різні захворювання людини, шукатиме шлях, безкоштовне відновлення природних лісових екосистем після різних змін, яким вони зазнають.

Повне відновлення потужності біотичного насоса можливо, коли природний процес самовідновлення (сукцесії) закінчився. У бореальних екосистемах це займає більше ста років. Однак перші суттєві наслідки спочатку можна очікувати через кілька десятиліть, коли біологічна продуктивність відновлена.

10. Ви отримали критику та похвалу за цю теорію з боку колег, як ви захищаєтесь науково від критики?

11. Чи можна застосувати цю теорію до інших екваторіальних зон: ITCZ, ураганного поясу тощо.?

Якщо можливо. За даними BPT, нинішня форма зони міжтропічної конвергенції знаходиться під глибоким впливом лісів конголезських та амазонських річкових басейнів, а також тропічних лісів Азії та Індонезії, таких, що за їх відсутності ITCZ ​​був би іншим.

Рисунок 3. - Супутникове зображення ITCZ, що проходить над східною частиною Тихого океану. КРЕДИТИ: НАСА

12. Середземне море є відносно теплим морем восени, і в Іспанії ми маємо записи 800 мм опадів за 24 години або нещодавно 300 мм за 4-5 годин. Чи можна застосовувати BPT для певних районів середньої широти?

Концепція BPT не має географічних обмежень застосовності. Середземномор’я - відносно невелике водосховище, розташоване між Європою та Африкою. Атмосферний транспорт випареної вологи з цього моря може суттєво вплинути лише на континентальні райони, порівнянні з розмірами самого моря. Головним джерелом вологи в Європі залишається Атлантичний океан. Як і скрізь, деградація природного рослинного покриву внаслідок пожеж, заготівлі деревини та надмірної експлуатації сільського господарства, це спричиняє зменшення водного циклу та транспорту вологи в Південній Європі, сприяючи опустелюванню в регіональному масштабі

13. Зміна клімату збільшить кількість водяної пари в атмосфері, як, згідно з вашою теорією, це вплине на розвиток водного кругообігу та опадів?

Інтенсивність кругообігу води обмежена надходить сонячною радіацією, тому вона не може помітно змінюватися зі збільшенням концентрації водяної пари в атмосфері. Деградація природної рослинності та опустелювання земель, незалежно від глобальної температури та концентрації пари, роблять землю сухішою. Це головне повідомлення теорії біотичних насосів: інтенсивність кругообігу води на землі залежить головним чином від стану її рослинного покриву, а не від геофізичних умов. Ми також зауважимо, що згідно з концепцією біотичного регулювання, деградація природних екосистем у глобальному масштабі веде до дестабілізації клімату, а не обов'язково до потепління. Клімат Землі з рідкою гідросферою нестабільний щодо стихійних переходів до несумісних станів життя - або «сніжної кулі» Землі, або втечучого парникового ефекту через позитивний зворотний зв'язок між температурою поверхні моря та вмістом вологи в атмосфері (основна відповідальність для парникового ефекту). Зміна клімату - це не глобальне потепління, але це постійна втрата кліматичної стабільності.

14. Які основні шляхи розслідування для зміцнення вашої теорії?

Ми вважаємо, що ми встановили основні поняття теорії. Ми переконані, що потік повітря від індукованої конденсації буде визнаний головним рушієм атмосферної циркуляції Землі, тому, на наш погляд, у світлі нових знань в даний час навряд чи існує якась цікава робота для фізиків клімату, якщо вони переглядають встановлені лінії Що стосується наших власних дослідницьких планів, існує кілька теоретичних питань, які потрібно вирішити, такі як найбільш точний опис ока урагану, Детальний опис тертя в стаціонарній схемі циркуляції біотичного насоса та опис прихованого та відчутного тепла на основі потоків, заснованих на новому підході. Одним із завдань, яке слід виконати окремо, є кількісна оцінка стабільності стаціонарного циркуляційного біотичного насоса як функції місцевого випаровування та розміру лісистої території.

Щодо аналізу регіональних даних, ми вважаємо, що було б цікаво порівняти дані про кількість опадів, стоків та лісистості з даними останніх 200-300 років, про які є надійні історичні дані про антропогенну діяльність. Наприклад, масове вирубування лісів, яке сталося кілька століть тому навколо Москви (столиці Росії), супроводжувалося зникненням великої кількості малих та середніх річок. Як повідомляють наші колеги, Колумбія в доіспанські часи була одним з регіонів з найбільшою кількістю поверхневих вод у світі, тоді як з розвитком сучасної вирубки лісів опустелювання в Колумбії зараз швидко прогресує. Ці регіональні закономірності повинні бути серйозно вивчені у всьому світі. Дуже поширеним є замовчування “глобального потепління” для будь-яких змін клімату, але фактична причина опустелювання інша. Це погіршення біотичного насоса атмосферної вологості.

15. Які посилання чи публікації ви б порекомендували всім, хто цікавиться вашою теорією?

Всі наші публікації з теорії біотичних насосів перелічені тут: http://www.bioticregulation.ru/pump/pump7.php. Читачу слід починати з Макарієвої та Горшкова (2007) HESS 11: 1013, що є основною публікацією. Також можна підписатися на наші новини, щоб отримувати оновлення.

RAM хоче подякувати Віктору Горшкову та Анастасії Макарєвій за те, що дали нам це інтерв'ю.