Реки текут до тех пор, пока существуют леса

«Экологически чистые источники энергии не спасут планету. Сохранить её могут лишь не затронутые деятельностью человека лесные массивы»

Алексей Тихонов

Круговорот воды и жизнь на поверхности этой планеты поддерживаются большими лесами. Одним из наиболее важных факторов, влияющих на передвижение воздушных масс в атмосфере является понижение давления в местах наибольшей конденсации влаги. Наиболее подробно этот созданный Господом механизм притяжения лесами осадков объяснён учёными Санкт-Петербургского института ядерной физики кандидатом физико-математических наук Анастасией Михайловной Макарьевой и профессором Виктором Георгиевичем Горшковым.

 

10 мая 2019 года ушел из жизни Виктор Георгиевич Горшков - профессор, доктор физико-математических наук,  автор научной концепции биотической регуляции окружающей среды.  Отличительная черта Виктора Георгиевича, как ученого, была способность видеть проблемы не со “стереотипной” стороны, как её видело и ...

 

Водяной пар, испарившийся с поверхностей листьев, конденсируется в верхних холодных слоях атмосферы, из-за чего воздух над лесом разрежается, что создает восходящие потоки воздуха над лесом, засасывающие влажные воздушные массы со стороны океана и приносящие их на сушу. После выпадения осадков сухой воздух возвращается назад к океану через верхние слои атмосферы.

На поверхности земли ветер дует туда, где происходит наибольшее испарение влаги. А оно больше всего над лесами, потому что у леса — самая большая площадь испарения на единицу площади земной поверхности благодаря большому количеству листьев.

Образно это можно объяснить так: с нескольких развешанных мокрых полотенец испарение больше, чем с одного полотенца. Океан — это одно полотенце, а лес — множество таких полотенец. Когда мы вырубаем леса и заменяем их, например, на траву — количество испаряемой влаги резко падает; сначала оно сравнивается с океаническим, а потом становится существенно меньше его, так как травы и редкие кустарники подвержены засухе.

Как результат — ветер меняет своё направление и начинает дуть с суши в сторону океана. Поэтому пустыня всегда заперта для влаги: ветер там дует всегда только лишь в сторону моря.

Объём ежегодного стока всех рек в мировой океан составляет около сорока трёх тысяч кубических километров. И чтобы реки не пересохли, необходимо регулярное выпадение осадков в тех же самых количествах. И именно леса, как гигантские природные насосы, обеспечивают доставку необходимой для жизни каждого из нас влаги от океана к удалённым уголкам суши.

Этот не замечаемый нами процесс, в действительности, жизненно важен для каждого. Поэтому каждому, включая детей, необходимо время понять, как работает этот божественный механизм циркуляции влаги в природе, чтобы его не нарушить.

Часть осадков формируется над самой сушей за счёт испарения с её поверхности, а примерно одна треть, или, точнее — 35 из 100 сантиметров выпадающих за год осадков приходится на испарение океана. И если бы океанская влага не проливалась на сушу дождём и не выпадала снегом — все ледники и болота, озёра и реки полностью пересохли бы менее, чем за десять лет.

Конечно же, «кухня погоды» — перемещение атмосферных фронтов, формирование циклонов, т.д. — область достаточно сложных явлений, но наиболее важный процесс переноса океанической влаги на сушу связан с лесными массивами и больше известен как «лесной биотический насос атмосферной влаги».

Чтобы понять его действие, нужно объяснить поподробней процесс транспирации — испарения воды поверхностью листьев растений. «Кровообращение» растений. Она состоит в непрерывном движении влаги по стволовым сосудам растений от корней к листьям. Скорость движения сока растений достаточно велика и составляет у травянистых растений около одного метра в час, а у высоких деревьев — до восьми метров в час.

Стволовые сосуды растений (ксилема) — это тонкие трубки диаметром от 0,01 до 0,2 миллиметра. Под действием одних только лишь капиллярных сил вода не может подняться выше трёх метров, тогда как высота некоторых деревьев достигает пятидесяти и даже ста метров.

Подъём воды от корней на такие высоты происходит благодаря благодаря силе сцепления молекул и вызван её испарением в листьях. Выражаясь научно, испарение воды в листьях приводит к обеднению листовых клеток водой, а следовательно, к повышению концентрации растворённых в ней веществ и, соответственно, к понижению водного потенциала. Поэтому вода из ксилемного сока с более высоким водным потенциалом устремляется в клетки листа через избирательно проницаемые клеточные мембраны.

Однако, по мере выхода воды из ксилемных сосудов, в столбе воды создаётся натяжение, передающееся вниз по стеблю, вплоть до корней. Оно связано со способностью молекул воды к сцеплению, или когезии. Это свойство обусловлено их полярностью (дипольным моментом), в силу которого под воздействием электростатических сил молекулы воды притягиваются друг к другу (как бы «склеиваются») и удерживаются за счёт водородных связей.

В результате когезии натяжение в сосудах ксилемы достигает такой силы, что может тянуть вверх весь столб воды. Разные оценки прочности на разрыв для столба ксилемного сока варьируются в пределах от 3000 до 30 000 кПа (то есть, от 30 до 300 атмосфер!). И, наконец, на самом последнем этапе вода стремится покинуть растение, поскольку водный потенциал окружающего воздуха на несколько десятков тысяч килопаскалей ниже, чем в самом растении. Вода покидает растение через его листья главным образом в парообразной форме.

Для превращения воды в пар нужна дополнительная энергия, называемая скрытой теплотой парообразования. Эту энергию и дают солнечные лучи, служащие в конечном итоге той силой, которая вытягивает воду из листьев растений и движет процессом транспирации на всех его этапах — от почвы к корням растений, а от корней — к стеблям и листьям.

При этом само растение использует для своей жизнедеятельности в среднем менее одного процента поглощаемой им из почвы воды, а 99% влаги проходят через растение транзитом и через испарение листьев возвращаются назад в атмосферу, чтобы призвать новый дождь. Количество воды, которое растение испаряет за сутки, в зависимости от температуры, количества света и влажности почвы, бывает довольно высоким. Подсолнечник испаряет за сутки до одного или двух литров воды, а столетний дуб — более 600 литров!

При необходимости, растения умеют различными способами удерживать внутри себя влагу и регулировать процесс испарения. Это — и сбрасывание листьев во времена засухи или сезонных похолоданий, и запасание влаги в слизистых клетках и в клеточных стенках различных частей растения, и утолщение кутикулы (воскового слоя, покрывающего эпидермис листьев и стеблей). Это так же и устьица — особые поры в эпидермисе, расположенные в листьях и отчасти в зелёных стеблях, через которые происходит газообмен и испаряется до 90% воды. Благодаря специальным замыкающим клеткам устьица могут закрываться в засушливую погоду или в ночные часы, когда прекращается фотосинтез, замедляя тем самым процесс испарения.

Но в любом случае, в густом лесу с соприкасающимися и переплетенными кронами соседних деревьев суммарная площадь поверхности листьев в десятки раз превосходит площадь земной поверхности, расположенной под лесом. Листья деревьев представляют собой испаряющую поверхность леса, в десятки раз большую испаряющей поверхности открытого океана того же размера.

Однако транспирация (испарение воды через листья) — не единственный источник испарения, формирующегося над лесом. Деревья обладают способностью аккумулировать, «перехватывать» своими кронами значительное количество атмосферной, дождевой влаги или снега, которые также вносят огромный, достигающий 30%, вклад в развиваемое лесом испарение. Это особенно характерно для северных хвойных лесов, где налипшие на деревьях снежные шубы и шапки обеспечивают поток испарения даже зимой, когда испарение воды с помощью листьев отсутствует. И благодаря этому леса даже зимой притягивают в их регион влагу в виде выпадающих новых обильных снегов.

Таким образом, ненарушенный лес способен испарять влагу практически круглогодично, причём намного интенсивнее, чем открытая поверхность океана той же температуры, приближаясь в среднем к максимально возможной величине испарения, даваемой потоком солнечной энергии. Так, максимальное испарение воды над лесом, соответствующее среднеглобальному потоку солнечной энергии, поглощённому земной поверхностью, составляет около двух метров в год, тогда как испарение с поверхности океана почти в два раза меньше — около 1,2 м/год. А если учесть, что общая листовая поверхность растений в 4 раза превосходит поверхность всей суши, то станет понятно, как испарения леса успешно конкурируют с испарениями над мировым океаном. Всё это имеет решающее значение в формировании континентального влагооборота, существующего благодаря биотическому лесному насосу.

 

Кроме «лесного насоса», в прибрежных районах существуют так же пассивные потоки влажных различных ветров, способные переносить влагу вглубь континента на расстояние в среднем до 600 километров.

Только благодаря им Западная Европа, практически уже лишившаяся своих естественных лесов, не подвергается засухам и опустыниванию, поскольку благодаря своему уникальному географическому положению, окружающим её внутренним и внешним морям и повсеместной близости к береговой линии, ни одна из её областей не отделена от морей расстоянием, превышающим длину затухания пассивного геофизического транспорта морской влаги.

Тогда как активный транспорт океанической влаги, обеспечивающий существование хорошо увлажнённых областей в глубине континентов, на расстоянии нескольких тысяч километров от океана — в Сибири, бассейне Амазонки или Экваториальной Африке обеспечен существованием биотического лесного насоса. А если точнее — теми атмосферными физические процессами, которые возникают над лесом вследствие испарения, а также накопления атмосферной влаги древесными кронами.

Суть их состоит в следующем. В атмосфере давление газа на любой данной высоте уравновешено весом столба газа выше этой отметки. С ростом высоты вес столба газа уменьшается и, следовательно, падает равновесное давление газа. Тот, кому приходилось подниматься в горы, знает по своему опыту: на высокогорье труднее дышать, поскольку воздух там более разрежен и кислорода в нём меньше.

Но, в отличие от остальных компонентов воздуха, водяной пар может присутствовать в нём в двух фазах: жидкой (в виде тумана и маленьких капель) и газообразной, переходя при определённых условиях в жидкое состояние и исчезая из газовой фазы. С этим явлением, называемым конденсацией, каждому из нас приходилось сталкиваться множество раз, наблюдая образование росы, оседающей в прохладные летние вечера на траве и кустарниках или других остывающих быстрее, чем воздух, предметах.

Объясняется это тем, что при понижении температуры замедляется процесс испарения воды и динамическое равновесие между её газообразной и жидкой составляющими сдвигается в сторону жидкой. Из-за уменьшения своей кинетической энергии всё меньше молекул воды стремится покинуть жидкую фазу, тогда как число возвращающихся в неё молекул водяного пара поначалу остаётся неизменным. И если в дневные часы в тёплом и сухом воздухе концентрация водяного пара была ниже своего возможного максимума, или так называемого уровня насыщенности, то теперь, достигнув стадии насыщения, водяной пар начинает быстро конденсироваться, переходя в жидкое состояние. В физике эта критическая температурная отметка получила название «точка росы».

То же самое происходит с водяным паром и при подъёме на высоту. Если бы водяной пар, подобно другим компонентам воздуха, не был конденсирующимся газом, он оставался бы в равновесии на любой высоте от Земли, и его давление понижалось бы примерно в два раза на каждые 9 км высоты. Однако мы знаем, что в земной атмосфере с высотой понижается температура воздуха — примерно на 6°С на один километр. Поэтому на высоте десяти километров, где летают современные лайнеры, температура за бортом на 60°С ниже, чем на земле. Для всех остальных находящихся в воздухе газов такое падение температуры не является критическим, но совсем по-другому обстоит дело с водяным газом.

Ведь с понижением температуры концентрация его молекул, соответствующая состоянию насыщенного пара, уменьшается вдвое на каждые 10°С. А концентрация водяного пара в воздухе не может быть выше насыщенной; потому избыток его начинает сразу же конденсироваться, исчезая из газовой фазы и переходя в жидкую. Это вызывает понижение веса водяного пара в атмосферном столбе, который уже не способен компенсировать его давление в более низких слоях атмосферы, что немедленно ведёт к возникновению направленной вверх тяги.

И именно эта сила увлекает за собой восходящие потоки водяного пара, который, возносясь в верхние слои атмосферы, также конденсируется, образуя облака и выпадая в виде дождевых или снежных осадков. То есть, выбывание пара из воздуха непрерывно пополняется восходящими потоками влаги, которые, подобно древнегреческим атлантам, поддерживают облачный покров Земли. И здесь мы вплотную подошли к сути лесного биотического насоса.