arrow http://www.bioticregulation.ru/pump/pump3_r.php

Основные результаты

На первой странице этого документа представлено краткое научно-популярное изложение теории лесного насоса атмосферной влаги, актуальное на апрель 2009 года, см., в частности, здесь. Для детального ознакомления с основными результатами рекомендуем прочитать Препринт ПИЯФ № 2655 и Препринт ПИЯФ № 2763 на русском языке и три комментария на английском языке, включающие краткое описание теории лесного насоса с точки зрения рассмотрения мощности конденсации водяного пара и последние результаты по новому представлению силы турбулентного трения. Не теряет актуальности научно-популярная статья "Реки. Будут ли они вечно течь на Земле?" (PDF, 0.8 Мб). Страница 2 с количественным выводом величины силы испарения также актуальна, страницы 3 и 4, ввиду новых результатов по турбулентному трению, представляют в большей степени историческую ценность.

Зададимся следующими вопросами:

  1. Почему на большей части территории суши идут дожди и текут реки?
  2. Почему, с другой стороны, существуют пустыни без дождей и рек?
  3. Какова роль естественных лесов на суше?
  4. Почему в одних районах суши часты засухи и наводнения, ураганы и смерчи, а в других районах этого не бывает?
  5. Почему тайфуны и ураганы над океанами возникают достаточно редко, но в строго определенных местах?

Ответы на все эти вопросы заключены в физическом явлении, которое мы назвали термоконденсационным осмосом водяного пара в гравитационном поле Земли.

Осмотическое давление соленой воды
Полупроницаемая перегородка пропускает молекулы воды (синие кружки), но не пропускает молекулы соли (красные кружки). В начальном состоянии (1) давление растворов по обе стороны перегородки одинаково. Парциальное давление воды в левой части сосуда меньше, чем в правой, на величину, равную парциальному давлению соли po. Стремясь к равенству парциального давления справа и слева, вода проникает в левую часть сосуда (2). При этом общее давление раствора там увеличивается, столб жидкости поднимается. Отметим, что при этом концентрация соли слева несколько уменьшается. Если проделать дырочку в верхней левой части сосуда, то находящаяся над дырочкой вода стечет вниз и может совершить полезную работу. Поэтому естественную имеющуюся в природе границу реки/океан иногда рассматривают в качестве одного из принципиально возможных "альтернативных источников энергии".

Осмос — это выравнивание парциальных давлений различных составляющих в жидкости или газе. Наиболее известно выравнивание парциальных давлений растворителя и растворенных солей, разделенных полупроницаемой перегородкой. Например, осмос в морской и пресной воде, разделенных перегородкой, пропускающей только молекулы воды, приводит к выравниванию парциальных давлений воды по обе стороны перегородки, в то время как парциальное давление соли остается неизменным. Как следствие, происходит подъем уровня морской воды над уровнем пресной на 280 м. Эта разница равна осмотическому давлению морской воды в единицах водного столба, т.е. 28 атмосфер. При прорастании некоторых семян осмотическое давление внутри семян достигает 400 атм. (Вода плотнее воздуха в 1000 раз. Поэтому, если бы концентрация солей имела порядок 100%, осмотическое давление имело бы порядок 1000 атм.) Осмотическое давление — мощнейшая сила в природе. По размерности это потенциальная энергия единицы объема, которая может переходить в кинетическую (энергию потока жидкости или газа) в соответствии с уравнением Бернулли.

Менее известны явления осмоса в газах. Если в газе в определенной части пространства происходит фазовый переход или химическая реакция с образованием жидкой или твердой фазы определенной парциальной составляющей газовой смеси, то возникает резкое падение давления всего газа в этой области и динамический поток газа (ветер), направленный в эту область.

Термоконденсационный осмос водяного пара
Температура в верхней части атмосферы существенно ниже, чем у поверхности Земли. Поэтому водяной пар (синие кружки), испарившийся с поверхности, конденсируется в верхней части атмосферы и исчезает из газовой фазы. Таким образом, вертикальный градиент температуры воздуха эффективно действует как полупроницаемая перегородка, которая "не пропускает" вверх водяной пар, но не препятствует выравниванию парциальных давлений неконденсирующихся составляющих воздуха (желтые кружки).

Именно это происходит с водяным паром в верхних слоях атмосферы, где пары воды конденсируются, образуя облачность, и где выпадают осадки. Уже этого достаточно для понимания всех процессов атмосферной циркуляции. Очевидно, что стационарное состояние возможно, если конденсация компенсируется испарением с земной поверхности, куда выпадают осадки. Отсюда следует важный вывод:

Если в определенной области испарение становится больше, то больше становится и осадков, больше вертикальный перепад давления и скорость восходящих потоков воздуха, сопровождающиеся уменьшением давления у земной поверхности. Следовательно, в область с бóльшим испарением вблизи земной поверхности засасывается воздух из областей с меньшим испарением. Ветер дует из донорных областей с меньшим испарением в реципиентную область с бóльшим испарением.

Так как приземный воздух наиболее обогащен водяными парами, то реципиентная область с бóльшим испарением засасывает водяные пары (влагу) из донорных областей с меньшим испарением, даже если концентрация влаги в донорной области меньше, чем в реципиентной, т.е. против градиента концентрации влаги.

Blossoming flower

Сделанные утверждения на качественном уровне дают ответы на все поставленные выше вопросы.

Пустыня круглогодично заперта для влаги
 
Лесной насос атмосферной влаги

В пустыне испарение минимально, поэтому ветры всегда дуют с пустыни в океан, иссушая пустыню и делая это состояние устойчивым. Это ответ на второй вопрос.

В силу возвышения суши над океаном любая влага, попавшая на сушу случайно, реками стечет в океан даже при одинаковой величине испарения на суше и в океане. Следовательно, без открытия возможности увеличения испарения суши по сравнению с испарением океана сушу увлажнить нельзя. Увеличение испарения на суше по сравнению с океаном эффективно представляет собой насос влаги, который должен компенсировать речной сток. Это открытие было сделано жизнью в виде сплошного покрова леса — деревьев большой высоты с испаряющей площадью поверхности листьев, в десятки раз большей испаряющей площади поверхности океана того же размера. Образуется лесной насос атмосферной влаги с океана на сушу. Это ответы на вопросы 1 и 3.

Лес создает необходимую ему влажность почвы на любом удалении от океана и затягивает влагу с океана в количестве, точно совпадающем с речным стоком. Постоянная тяга лесного насоса не допускает колебаний стока, вызывающих наводнения, и предотвращает возникновение засух. Это ответ на вопрос 4.

Регионы, где исследовалась зависимость осадков от расстояния до океана
Геофизические районы, где исследована зависимость среднегодовых осадков от расстояния до океана. Зеленый цвет обозначает лесной покров.

Зависимость среднегодовых осадков от расстояния до океана на обезлесенных и покрытых лесом территориях
Зависимость количества осадков P (мм/год) от расстояния x (км) от океана на обезлесенных территориях (полые символы) и территориях, покрытых лесом (черные символы). Нумерация регионов как на карте выше. Лесные насосы атмосферной влаги обеспечивают высокое увлажнение почвы независимо от удаленности от океана.

Ураганы и смерчи возникают в отсутствие постоянного направленного ветра, когда в малой локальной области конденсация влаги превышает конденсацию в соседних областях. В этих случаях в такую локальную область затягивается воздух и водяные пары изо всех окружающих ее соседних областей. Приток водяных паров увеличивает их конденсацию в подобной локальной области, что усиливает приток воздуха и водяных паров (положительная обратная связь). В результате скорость ветра достигает максимальной ураганной величины. При постоянной тяге лесного насоса схождение ветров в локальных областях становится невозможным, ураганы и смерчи не возникают. Лесной насос стягивает влагу с больших поверхностей океанов. В таких областях также не могут возникать ураганы и смерчи. Это ответы на вопросы 4 и 5.

Blossoming flower

Вставка сделана в апреле 2009 г. Более развернутая картина состоит в следующем.

Что же происходит в атмосфере над сушей и океаном. Мы все привыкли к тому, что бывает дождливая погода. Дожди идут сверху из высоких туч, а не прыскают снизу фонтанами из морей, озер и рек. То, что дожди идут сверху, физически не тривиально и требует объяснения. Всем известно, что если охладить воздух, водяной пар в нем конденсируется и выпадает роса. Это связано с тем, что концентрация и давление газа — водяного пара — уменьшается вдвое с падением температуры на каждые 10 оС (этот закон физики известен всем из повседневных наблюдений). Все знают, что с высотой при подъеме в гору или на самолете воздух становится холоднее. Поэтому на высоте "выпадает роса", образуя облака. Давление воздуха на любой высоте уравновешивает вес воздушного столба над этой высотой. Поэтому давление воздуха падает вдвое на высоте 6 км. Водяной пар легче воздуха, поэтому его давление должно было бы падать вдвое на высоте 9 км. Для того, чтобы это выполнялось, температура воздуха должна была бы уменьшаться с высотой не быстрее 10 оС/9 км = 1,1 оС/км. Наблюдаемое падение температуры с высотой происходит в шесть раз быстрее, со скоростью 6,5 оС/км. Давление водяного пара на каждой высоте в шесть раз больше веса его столба над этой высотой. Равновесия нет. Происходит испарение атмосферы и непрерывный поток водяного пара вверх. Именно это и обеспечивает дожди и конденсацию водяных паров в верхних слоях атмосферы.

Если бы скорость падения температуры с высотой была бы меньше 1,1 оС/км, то не было бы испарения, суша была бы безводной. Нетрудно понять, что пропуск такого фундаментального факта не мог пройти даром для теоретической метеорологии: теория ветровой циркуляции атмосферы была построена на неверной основе. Это следует хотя бы из того, что до сих пор не существует объяснения смерчей, а теория ураганов построена откровенно на физически безграмотной основе вечных двигателей второго рода, отвергнутых еще в середине девятнадцатого века. С этим же связана невозможность долгосрочных предсказаний засух и наводнений в традиционной метеорологии. Поэтому любые существующие объяснения появления пустынь на основе традиционной метеорологии физически несостоятельны.

Для понимания действия биотического лесного насоса (и всех остальных наблюдаемых типов ветровой циркуляции атмосферы) достаточно знания того, что практически весь водяной пар, образующийся от испарения океанов, морей, озер, рек и почвенной влаги, конденсируется в верхних слоях в атмосфере. Далее он выпадает в осадки, испаряется и вновь конденсируется на высоте, образуя всем известный круговорот воды в природе. Физика конденсации состоит в том, что водяной пар исчезает из газовой фазы воздуха. Это приводит к падению давления воздуха и засасыванию воздуха в область конденсации из окружающего пространства, где конденсация не происходит или происходит с меньшей скоростью. То есть, возникает ветер, направленный в область повышенной конденсации. Это объясняет все наблюдаемые явления ветровой циркуляции атмосферы.

1) Самый простой случай — это пустыни. В пустыне нет конденсации, нет облаков и дождей. Конденсация есть только над окружающим пустыню океаном. Ветер дует с пустыни на океан, унося с пустыни остатки водяного пара, который поднимается вверх и выпадает над океаном осадками. Сухой, практически лишенный водяного пара воздух возвращается назад в пустыню в верхних слоях атмосферы.

2) Другой, тоже простой случай, но с самыми сильными ветрами на Земле — это смерч. В разогретой до 40 оС полупустыне (области, наиболее часто встречающейся в Северной Америке) давление водяного пара в 8 раз выше, чем при 10 оС. Если такой водяной пар скапливается в определенном локальном месте так, что в окружающих областях его практически нет, то неизбежная конденсация водяного пара (напомним, что весь водяной пар обязательно поднимается и подвергается конденсации) приводит к затягиванию воздуха на место конденсации из всех окружающих областей, где конденсации нет. Элементарный подсчет показывает, что конденсация водяного пара при температуре порядка 40 оС и выше приводит к наблюдаемым в смерчах скоростям ветра. (Давление водяного пара, составляющее при 40 оС около 10% давления воздуха, представляет собой потенциальную энергию, переходящую в кинетическую энергию ветра (ρu2/2, ρ — плотность воздуха, u — скорость ветра). Давление воздуха p = 1 атм = 105 Дж/м3, 1 Дж = 1 (кг x м2)/с2, ρ ~ 1 кг/м3. Приравнивая ρu2/2 = 0,1p, получим скорость ветра u ~ 100 м/с.)

3) Ураган отличается от смерча только размером и температурой воздуха (26 оС и выше, что на 10 оС меньше, чем в смерче). В урагане конденсация захватывает область порядка нескольких сотен километров (в смерче — не более нескольких десятков километров). Скорость конденсации и осадков в ураганах и смерчах в несколько десятков и даже сотен раз выше обычной скорости испарения, поддерживаемой солнечной энергией. Скорости ветра в ураганах также элементарно рассчитываются и совпадают с наблюдениями

4) Обычный циклон в умеренной зоне отличается от тропического урагана только размером (~ тысячи километров) и температурой воздуха (~ 15 оС). В циклоне скорость конденсации и осадков почти равна (но несколько больше) скорости испарения. Осадки происходят в циклоне, а сухой воздух, лишенный водяных паров, разносится от циклона в верхних слоях атмосферы в области повышенного давления (называемых антициклонами), где, не создавая облаков, опускается вниз. Смерчи, ураганы и циклоны отличаются друг от друга лишь количественно, не имея качественных различий в противоположность представлениям традиционной метеорологии. Вращение воздуха во всех этих ветровых структурах — следствие вращения Земли.

5) Самый сложный случай — это биотический лесной насос. Ненарушенный человеком лес — это область, где конденсация на огромной территории выше, чем над океаном. Лес испаряет и конденсирует влагу больше, чем океан. Океан при этом выполняет роль влажной пустыни, лишенной осадков, а весь водяной пар, испарившийся в океане, переносится в леса и питает реки, стекающие в океан. При этом возникновение ураганов над океаном становится невозможным. Лес способен делать так, чтобы конденсация в точности совпадала с суммой испарения и стока, что поддерживает постоянное увлажнение почвы. При этом в ненарушенном лесу не возникает наводнений, засух, ураганов, смерчей и не может быть пожаров — дождь идет либо непрерывно, либо через заданные короткие промежутки времени. Это очень сложно достигнуть, и все живые организмы леса выполняют необходимую для этого работу.

Три важнейших физических условия использует биота леса, возникшая в процессе эволюции.

  1. Превышение испарения леса над испарением океана — это достигается огромным количеством листьев, перекрывающихся между собой крон деревьев, общая площадь которых десятикратно превосходит площадь проекции деревьев на поверхность Земли. Каждый лист испаряет как равная ему площадь водной поверхности. Листья деревьев разнесены на большие расстояния друг от друга, хорошо обдуваются ветром, так что испарение с каждого листа не уменьшает испарения с соседнего.
  2. Поддержание строгого равенства: осадки = речной сток + испарение — самая сложная задача. Она решается на основе удовлетворения следующим двум физическим требованиям:
  3. большой высоты деревьев,
  4. большой протяженности леса.

Поясним это детально. Испарение задано потоком солнечной энергии и не может быть выше предельного максимального значения. Лес может лишь уменьшить испарение или поддерживать его на максимальном значении, регулируя открытие устьиц. А конденсация, происходящая высоко над лесом на высоте порядка одного километра, может происходить с любой скоростью, как в ураганах и смерчах. Но увеличение конденсации возможно только при ускорении воздушных потоков как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Чем больше скорость ветра, тем больше водяного пара будет приноситься с океана и тем больше будет конденсация и величина осадков, которое вызывает наводнение. Для предотвращения ускорения воздушных масс, согласно известному из школы закону физики, сумма всех сил, действующих на каждый объем воздуха, движущийся с океана, должна быть равна нулю. На любой объем воздуха, движущийся у земной поверхности, действует ускоряющая сила конденсации водяного пара и тормозящая сила трения о земную поверхность. Тормозящая сила при малых скоростях движения, как хорошо всем известно из наблюдений за движением нас самих (людей), животных и нашего транспорта, пропорциональна весу движущегося тела и не зависит от скорости движения. (Этот факт не учитывается в традиционной метеорологии.) Работа постоянной силы равна произведению силы на пройденный путь, а мощность — произведению постоянной силы на скорость движения.

Вот это сложнейшее равенство работ (или мощностей) ускоряющей и тормозящей сил обеспечивается 2) высотой леса, поддерживающего строго определенную большую шероховатость земной поверхности, и 3) протяженностью леса. Замедление воздушного потока при слишком большом трении приводит к постоянной засухе, ускорение при слишком малом трении — к наводнению, выпадению всей влаги в виде дождя и последующей длительной засухе до накопления водяного пара за счет испарения. Все это, как известно, происходит в нарушенных лесах и обезлесенных территориях. Необходимость большой протяженности ненарушенного леса порядка нескольких тысяч километров представляет собой одно из самых главных следствий теории биотического лесного насоса. Поэтому мы попытаемся дать простое объяснение этого условия.

Ускоряющая сила конденсации действует вверх над всей территорией лесного массива. Высота атмосферы, где происходит конденсация, порядка h = 2 км. Сила конденсации пропорциональна концентрации водяного пара, которая одинакова над всем лесом. Работа силы конденсации равна произведению силы на высоту h. Работа силы трения, действующей по горизонтали, равна произведению постоянной силы трения на длину пути L воздушной массы вдоль лесного массива. Работы сил трения и ускорения должны быть равны друг другу. Это условие по известным значениям сил конденсации и трения и высоты h ~ 2 км приводит к значению L ~ (2 – 5) x 103 км. При меньших значениях L возникают ураганы и наводнения, чередуемые продолжительными засухами, разрушающие лес и жизнь.

До заселения суши жизнью вся суша представляла собой устойчивую пустыню. Над океанами бушевали ураганы, разделенные длительными периодами накопления водяного пара за счет испарения. Сотни миллионов лет методом проб и ошибок жизнь изучала существующие физические законы, пока не приготовила на их основании единственно возможный способ обводнения суши на базе сплошного протяженного сомкнутого покрова высоких деревьев. Эффективное использование физических законов с помощью биотехнических изобретений, удовлетворяющих требованиям 1), 2) и 3), обеспечивается дополнительным изобретением точной настройки системы — экологическим сообществом всего разнообразия видов живых организмов, населяющих ненарушенный лес. К тому, что пытается сделать "венец творения" с созданной за миллиард лет эволюции уникальной системой сохранения жизни на суше, комментарии излишни. Подчеркнем, что сохранение отдельных видов вне ненарушенного леса равносильно хранению гаек и болтов от сложнейшей разрушенной технической машины.

  • Лесной насос: основные результаты
  • >>
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4