Отдел по теоретична физика към Института по ядрена физика в Санкт Петербург (Русия) Създатели на теорията за биотичната помпа (теория за биотичната помпа)

анастасия

RAM Сътрудничество

1. За човек на улицата и с няколко думи какво представлява теорията за биотичната помпа, BPT (Biotic Pump Theory)?

Теорията за биотичната помпа има както физически, така и екологични компоненти. Физиците твърдят, че ветровете духат оттам, където скоростта на кондензация на водната пара е ниска до там, където е висока. Екологичните са, че голямата повърхност на изпаряване на зелените листа прави изпаряването и, следователно, кондензацията, постоянно по-интензивно в естествените гори, отколкото в океана. Следователно, когато континентът е покрит с гори и вятърът духа от морето към сушата, той влага влага, за да подхранва процесите на утаяване и компенсира речния отток. Този индуциран от гората пренос на влага от океана към сушата се нарича биотична помпа на атмосферната влага.

2. Защо името "биотичен"?

Думата "биотичен" (а не "биологичен") подчертава, че биотичната помпа за влага може да бъде стабилно управлявана от всички живи организми в естествената биота, а не само от някои конкретни видове (например някои дървета) или групи от изкуствено подбрани видове от човека. Теорията за биотичната помпа е част от концепцията за биотично регулиране на околната среда (www.bioticregulation.ru). Според тази концепция подходящата среда за живот трябва да се поддържа в това състояние от живи организми в непокътнатата природна биота (т.е. всички биологични организми) на Земята. Информацията, необходима за биотичната регулация, е записана в генетичните програми на биологичните видове от земната биота. За стабилното функциониране на биотичната помпа на сложната екосистема като цяло е необходимо тя да включва дървета, треви и плевели, бактерии, гъби и всички животни, които взаимодействат помежду си.

Фигура 1. - Класическа схема на водния цикъл

3. И за хидролог, с повече технически думи?

Тъй като земните маси се издигат над океана, поради гравитацията континентите непрекъснато губят вода, като я допринасят за океаните чрез оттичане от реките. Подобен механизъм може напълно да изчерпи световните континентални водни резерви само за няколко години. Следователно, за да се запази водният цикъл на сушата, е необходим транспортен механизъм, който непрекъснато връща влагата на континента от океана.

Кондензацията на водна пара над горския навес намалява количеството на този газ във въздушната колона. Следователно въздушното налягане на повърхността е по-ниско. Влажният въздух тече от океаните към континенталните райони с ниско налягане. Атмосферната влага, разпределена от океана, се утаява над сушата и компенсира гравитационната загуба на течна вода чрез оттичане.

Горската биотична помпа трябва да работи по сложен начин, за да регулира притока на влага, за да намери баланс между Scylla (sic) и Charybdis (sic) на сушите (доставянето на влажност е твърде ниско) и наводненията (доставката на влажност е твърде висока). Това може да се постигне по различни начини, главно чрез биотични ефекти върху аеродинамичната грапавост, което гарантира отсъствието на драстично ускорение във въздуха, движещ се навътре от океана, чрез отслабване на биогенното отделяне на кондензационни ядра и други средства.

4. Каква роля могат да играят метеоролозите в развитието на BPT?

В продължение на векове, започвайки с работата на Хадли и неговите предшественици, атмосферната циркулация се свързва с диференциално нагряване на земната повърхност и Архимедовата сила, която издига горещ и лек въздух, потъвайки студен и тежък. Теорията за биотичната помпа описва предимно неизвестен досега регулатор на атмосферната циркулация - спада на въздушното налягане и освобождаването на потенциална енергия по време на кондензацията на водни пари. Показахме как този физически процес създава ветрове с видима скорост и е основната причина за атмосферната циркулация на Земята. Диференциалното отопление играе сравнително малка роля, като е отговорно за незначителни модели на вятъра като бриз. Това предполага голяма промяна на парадигмата в съвременната метеорология.

5. Има ли BPT някакво сходство с проектите за тераформиране, разработени преди години за постигане на условия за обитаемост на планети като Венера и Марс?

И на Венера, и на Марс кондензът играе важна роля в климатологията на планетата. На Марс именно водните пари и CO2 претърпяват фазови преходи. Въглеродният диоксид на Венера е над критичната точка газ-течност; плюс там има облаци сярна киселина. Следователно физическият механизъм на BPT може да бъде приложен за описване на атмосферната циркулация на Марс и Венера. Но на Марс или Венера няма живот и няма биотична регулация.

Може ли условията на околната среда на тези планети да се регулират биологично, за да ги направят годни за живот? Да, можеха. Но ще ни трябват различните природни екосистеми, които са се развили на тези планети. Ако земните екосистеми бъдат прехвърлени на Марс или Венера или поставени в затворени резервоари, те неизбежно се разпадат и ще престанат да съществуват. По принцип изкуственото проектиране на биологични системи, способни стабилно да поддържат съвместим живот и околната среда на Марс, Венера или където и да е другаде, освен Земята, е невъзможно. Причината е, че информационните потоци, необходими за регулиране на околната среда, надвишават с 20 порядъка цялата възможна информация, предоставена от цивилизацията. Такива информационни потоци се обработват от живите клетки на биосферата.

6. Как могат метеоролозите да използват концепциите за BPT в своите прогнозни метеорологични карти?

Биотичната помпа възниква като последица от конкретно взаимодействие на четири известни физически закона: законът на Клаузий-Клапейрон, законът за идеалния газ, законът за гравитацията и законът за запазване на енергията.

Законът на Клаузий-Клапейрон казва, че наситеното налягане на водната пара (максимално възможното) се удвоява приблизително на всеки десет градуса по Целзий, че температурата се повишава. Законът за идеалния газ и гравитацията се комбинират, за да установят, че при хидростатично равновесие налягането на водната пара се намалява наполовина за всеки девет километра изкачване. Следователно наситените водни пари могат да бъдат статични само ако вертикалният термичен градиент не надвишава десет градуса на девет километра или, по-точно, критична стойност от 1,2 ° C/km. Но законът за запазване на енергията, който определя, че при липса на външен принос на топлина, повишаването и разширяването на газа се охлажда, предписва, че температурата на издигащия се въздушен пакет намалява средно с 6,5 ºC/km (междинна стойност между сухия адиабатен градиент и наситения или мокър). Това е приблизително шест пъти по-голямо от критичната статична стойност. Четирите закона се комбинират, за да забранят водната пара да бъде в хидростатично равновесие в земната атмосфера - нейното вертикално разпределение изглежда е компресирано почти шест пъти повече от хидростатичното му разпределение.

Атмосферата в контакт с повърхността на течната вода на Световния океан е нестабилна спрямо кондензацията на водни пари. Като част от въздуха, който се издига, той се охлажда много повече, отколкото при скорост от 1.2 ºC/km, някои от неговите водни пари се кондензират. Следователно, въздушното налягане на повърхността (т.е. приблизително равно на теглото на газовата колона) се намалява. В района, където е настъпила кондензация, се образува зона с ниско налягане, така че въздухът започва да тече в този регион. Той улавя повече водни пари, което подпомага процеса на кондензация. Ето как биотичната помпа работи физически.

Четирите закона, които са в основата на BPT, са, разбира се, добре известни. Няколко изследвания като това на Trenberth (1991), van den Dool and Saha (1993, J. Climate 6:22), Lackmann and Yablonsky (2004, J. Atm. Sci. 61: 1674) признават намаляването на въздушното налягане в кондензация. Weaver and Ramanathan (1995, J. Geophys. Res., 100D, 11585) споменават, че скалата за височината на водната пара може да бъде получена от разглеждането на уравнението Клаузий-Клапейрон, като по този начин възстановява теоретичния резултат, който познаваме от най-старите текстове от началото на ХХ век, но липсва в съвременната метеорологична литература. Горшков (1990, Енергията на биосферата и стабилността на състоянието на околната среда, www.bioticregulation.ru/pubs/pubs5.php) посочва, че енергията на урагани и торнадо се определя чрез кондензация след продължителен период на изпаряване. Освобождаването на потенциална енергия, свързано с спада на налягането, свързано с кондензация и свързано с физическата основа на биотичната помпа, не е обсъждано по-рано.

7. Каква добавена стойност съществува във вашата теория по отношение на настоящите идеи?

Фигура 2. - Въздушен изглед на участък от река Амазонка.

8. Приложили сте го в тропическите райони, особено в Амазонка, нали?

9. Възможно ли е повторно залесяване в тропическата среда достатъчно голямо и бързо, така че да има ефект върху глобалния климат в рамките на няколко десетилетия?

Не е възможно да се извърши изкуствено повторно залесяване. Както споменахме по-рано, биотичната бомба е сложен феномен с много информация, който се появи като последица от биологичната еволюция преди стотици милиони години във времето. Простото залесяване няма да помогне. Трябва обаче да е възможно да се улеснят естествените процеси на самовъзстановяване на горите. Очакваме, че ако теорията за биотичната помпа бъде възприета сериозно и бъде призната задачата за повторно залесяване, можем да очакваме да се появи екологична медицинска наука - която, подобно на медицинската наука, която позволява лечението на различни човешки заболявания, ще търси начин безплатното възстановяване на естествените горски екосистеми след различните промени, на които те са подложени.

Пълното възстановяване на мощността на биотичната помпа е възможно, когато естественият процес на самовъзстановяване (последователност) приключи. В бореалните екосистеми това отнема повече от сто години. Първите значителни ефекти обаче могат да се очакват за пръв път след няколко десетилетия, когато биологичната продуктивност е възстановена.

10. Получавали сте критики и похвали за тази теория от колегите си, как се защитавате научно от критика?

11. Възможно ли е тази теория да се приложи към други екваториални зони: ITCZ, ураганен пояс и др.?

Ако е възможно. Според BPT, настоящата форма на Междутропичната зона на сближаване е дълбоко повлияна от горите на конгоанските и речните басейни на Амазонка и от тропическите гори на Азия и Индонезия, така че при тяхното отсъствие ITCZ ​​би бил различен.

Фигура 3. - Сателитно изображение на ITCZ, минаващо над източната част на Тихия океан. КРЕДИТИ: НАСА

12. Средиземно море е относително топло море през есента и в Испания имаме данни за 800 mm валежи за 24 часа или наскоро от 300 mm за 4-5 часа. Може ли BPT да се прилага за определени зони на средни ширини?

Концепцията BPT няма географски граници на приложимост. Средиземно море е сравнително малък воден резервоар, разположен между Европа и Африка. Атмосферният пренос на изпарена влага от това море може значително да засегне само континенталните области, сравними с размера на самото море. Основният източник на влага в Европа остава Атлантическият океан. Както навсякъде другаде, деградацията на естествената растителна покривка в резултат на пожари, дърводобив и свръхексплоатация на селското стопанство, това води до намаляване на водния цикъл и транспорта на влага в Южна Европа, улеснявайки опустиняването в регионален мащаб

13. Изменението на климата ще увеличи количеството водни пари в атмосферата, как според вашата теория това би повлияло на развитието на водния цикъл и валежите?

Интензивността на водния цикъл е ограничена от постъпващата слънчева радиация, така че не може да се промени значително с увеличаване на концентрацията на атмосферни водни пари. Влошаването на естествената растителност и опустиняването на земята, независимо от глобалната температура и концентрацията на пари, правят земята по-суха. Това е основното послание на теорията за биотичната помпа: интензивността на водния цикъл на земята зависи главно от състоянието на нейната растителна покривка, а не от геофизичните условия. Ние също така отбелязваме, че според концепцията за биотична регулация деградацията на природните екосистеми в световен мащаб води до дестабилизация на климата, а не непременно затопляне. Климатът на Земята с нейната течна хидросфера е нестабилен по отношение на спонтанни преходи в несъвместими състояния на живота, било то „снежна топка“ на Земята или избягал парников ефект, поради положителната обратна връзка между температурата на морската повърхност и съдържанието на влага в атмосферата (основният отговорник за парниковия ефект). Изменението на климата не е глобално затопляне, но е трайна загуба на стабилност на климата.

14. Кои са основните пътища на разследване за укрепване на вашата теория?

Ние вярваме, че сме установили основните концепции на теорията. Убедени сме, че въздушният поток от индуцирана кондензация ще бъде признат за основен двигател на атмосферната циркулация на Земята, така че според нас в светлината на новите познания в момента едва ли има някаква интересна работа за климатичните физици, ако те преразглеждат установени линии Що се отнася до нашите собствени изследователски планове, има няколко теоретични въпроса, които трябва да бъдат решени, като най-точното описание на окото на урагана, още едно включване Подробно описание на триенето в стационарния модел на циркулация на биотичния помпа и описание на латентна и чувствителна топлина въз основа на потоци, базирани на новия подход. Една от задачите, които трябва да се изпълняват поотделно, е да се определи количествено стабилността на неподвижната циркулационна биотична помпа като функция на местното изпаряване и размера на залесената територия.

По отношение на анализа на регионалните данни, ние вярваме, че би било интересно да се сравнят данните за валежите, оттоците и горската покривка с тези от последните 200-300 години, за които има надеждни исторически доказателства за антропогенни дейности. Например масовото обезлесяване, което се случи преди няколко века около Москва (столицата на Русия), беше придружено от изчезването на голям брой малки и средни реки. Както съобщават нашите колеги, в доиспанско време Колумбия е един от регионите с най-много повърхностни води в света, докато с напредването на съвременното обезлесяване в Колумбия опустиняването напредва бързо. Тези регионални модели трябва да бъдат сериозно проучени в целия свят. Много често се случва да се използва по подразбиране „глобално затопляне“ за всяко изменение на климата, но истинската причина за опустиняването е различна. Това е влошаване на биотичната помпа на атмосферната влажност.

15. Какви връзки или публикации бихте препоръчали на всички, които се интересуват от вашата теория?

Всички наши публикации по теорията за биотичната помпа са изброени тук: http://www.bioticregulation.ru/pump/pump7.php. Читателят трябва да започне от Макариева и Горшков (2007) HESS 11: 1013, което е основната публикация. Също така е възможно да се абонирате за нашите новини, за да получавате актуализации.

RAM иска да благодари на Виктор Горшков и Анастасия Макариева, че ни предоставиха това интервю.