Почему дует ветер?

[cartesius]

Зеленый пылесос

http://www.rusrep.ru/2009/09/proishozdenie_vetra/

Ольга Андреева

Почему дует ветер? Потому что деревья качаются! Такой геофизической модели придерживаются многие дошкольники. Взрослые над этим посмеиваются и объясняют детям азбучные истины. Но выясняется, что эти истины не такие уж однозначные. И «дошкольная» версия не такая уж абсурдная. Геофизик Анастасия Макарьева предложила новую теорию, объясняющую, почему дует ветер, образуются ураганы и текут реки

Настя занимается геофизикой, и у нее очень высокий индекс цитируемости. Это значит, что на научные статьи с ее участием ссылается чуть ли не все мировое научное сообщество. Последняя ее работа, опубликованная в прошлом году в журнале Европейского геофизического союза, стала самой комментируемой статьей года. В ней на нескольких страницах объясняется ни много ни мало — почему дует ветер и текут реки.

— Вот текут реки, — Настя пытается запихнуть надоедливые букетные иголки под глянцевую обертку. Безнадежно! Иголки лезут в рот и в кашу, но Настя отпихивает их и упрямо гнет свое. — Реки стекают в океаны — земля наклонена, поэтому они все туда и стекают. Вопрос: откуда берется вода? Вот, например, истоки Енисея удалены от океана на тысячи километров. Все запасы пресной воды на суше стекли бы в океан за четыре года. Значит, нужно, чтобы с моря постоянно поступал влажный воздух, тогда на сушу будут выпадать осадки, вода будет попадать в реки, и таким образом будет происходить ее круговорот. Но каков физический механизм этого самого круговорота, который ответственен за жизнь на суше? Ведь в пустыне ничего подобного не происходит. Вот, например, Сахара: она расположена на берегу моря, но ветер дует в обратную сторону — из Сахары. Он не приносит влаги — наоборот, все, что в Сахаре испарит из себя какой-нибудь саксаул, уносит в море, которое и без того влажное. Вот мы и описали этот механизм.

Идея Насти проста до слез. Не наших с вами, конечно, а специалистов, которые занимались этим вопросом в течение как минимум трех столетий и рассматривали механизм движения воздушных потоков как тепловую машину. Даже в школе учат: тут тепло, тут холодно, воздух расширяется, становится легче, поднимается, а снизу подтекает холодный. Но почему на холодные истоки Амазонки постоянно дует ветер с теплого океана, а из жаркой Сахары воздух несет в сторону прохладного моря? Ведь все должно быть наоборот. Модель, построенная на перепаде «тепло — холодно», работает безупречно только в районе экватора. Настя предложила ввести в систему координат не только температуру, но и конденсацию влаги, которая обеспечивает перепад давления.

— Ведь что такое давление? — риторически вопрошает она, выуживая иголки из остывающей каши. — Молекулы газа летают и бьются о нас с вами. А когда водяной пар конденсируется в капли, эти молекулы исчезают, и что происходит? Правильно — давление падает, и воздух со стороны начинает подсасываться, как в пылесосе. То есть эта самая конденсация водяного пара приводит к понижению давления и появлению горизонтального подсоса. А где больше всего конденсация, как вы думаете?

— Над океаном? — я мучительно вспоминаю школьный курс физической географии. И попадаю пальцем в небо.

— Неправильно. Конденсация больше там, где больше испарение. А оно больше там, где растет лес. Если океан можно сравнить с одной мокрой тряпкой, то лес представляет собой много мок­рых тряпок. У леса огромная поверхность — много листьев. И там испаряется больше влаги. Лес перетягивает на себя канат пониженного давления.

Я с изумлением обнаруживаю, что на самом деле понимаю. Если суша покрыта лесом, она обеспечивает постоянную зону пониженного давления и действует как насос, тянущий на себя атмосферную влагу с океана.

Этот баланс устойчив. Пока леса не начали вырубать в массовом порядке, он существовал сотни миллионов лет. Все великие реки мира — результат действия лесного насоса атмосферной влаги. Но нарушение целостности лесного покрова приводит к изменению направления ветра: он начинает дуть не с моря на сушу, а с суши на море. Что приводит к окончательному опустыниванию.

Именно это, по мнению Насти, и произошло с Австралией. Представьте себе цветущий континент, полностью покрытый лесом, усеянный внутренними континентальными озерами с пресной водой. По данным палеонтологов, такова была Австралия около ста тысяч лет назад. И вдруг все это практически в одночасье становится пустыней. Почему? Палеонтологи только констатируют факт, ничего не объясняя. Настя же пытается объяснить. В Австралии появляются первые поселенцы. Живут они около океана, здесь же и рубят лес. В какой-то момент береговая лесополоса оказывается вырубленной полностью. По Настиной логике это равносильно тому, как если бы у насоса отрубили шланг: ветер немедленно поменял направление и стал дуть в сторону моря, иссушая цветущий континент. Леса, миллионы лет покрывавшие Австралию, засохли в течение нескольких десятилетий. Все произошло молниеносно. Та же участь постигла Сахару, Южную Африку, нашу Среднюю Азию. Достаточно только перерубить шланг — и все.

— Понимаете, — почти кричит Настя, привлекая внимание людей за соседними столиками, — проблема лесов — это не птички-бабочки. Это проблема всего — будет вообще жизнь или не будет? Вон Лужков или кто-то там говорит: «Вот мы сейчас реки повернем и будем воду продавать». Если мы вырубим лес, у нас будет пустыня. Смотрели фильм «Кин-дза-дза»? Вот у нас так же станет. И продавать будет нечего.

Как заметил один из участников обсуждения Настиной работы, идея «биотического насоса», определяющего направление мировых воздушных потоков, для метеорологии примерно то же самое, чем в свое время стала для астрономии идея, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. «Биотический насос» ставит все на свои места, закрывая белые пятна.

— Я теперь кому хочешь могу объяснить, что такое ураган, — весело сообщает Настя. — Это просто обратный взрыв. Вот представьте: вы взяли и плюхнули воды на раскаленную печку. Что будет? Вода испарилась — пшшш… и все такое — давление резко увеличилось, и пошла как бы взрывная волна. А когда происходит конденсация, процесс обратный: давление резко понижается, и воздух устремляется не на периферию, а в центр. Вот и ураган! Ведь ураганы и смерчи обязательно сопровождаются интенсивнейшими осадками. То есть там идет мощнейший процесс конденсации. А закрутка происходит как вторичный результат вращения Земли. Это абсолютно новый подход к ураганам! Их же до сих пор рассматривают как тепловой цикл.

В России ни один из трех имеющихся профильных научных журналов печатать Настины данные не решился. Сказали: все у вас неправильно, таких вообще нельзя к серьезным журналам подпускать. Идея «биотического насоса» вступает в неразрешимый конфликт с сущест­вующей метеорологической теорией.

— Давайте встретимся лет через 40. Чтобы получить Нобелевскую премию, надо долго жить, — Настя совершенно не шутит, просто прикидывает.

Идея «биотического насоса» позволяет делать такую почти невероятную для метеорологии вещь, как долгосрочные прогнозы погоды. Например, появись эта теория на несколько лет раньше, можно было бы просчитать возможность возникновения разрушительных ураганов в Южном полушарии.

Все имеющиеся сегодня модели утверждают, что в Атлантике у берегов Бразилии ураганов быть не может. Согласно теории Насти, там их не было ровно потому, что Бразилия покрыта лесом, что обеспечивает равномерную циркуляцию воздуха. Но сейчас бразильские леса тотально вырубают. А это делает ураганы вполне вероятными. «Катарина» 2004 года — красноречивое тому подтверждение. Бразильцы до последнего момента не верили, что такое возможно: не бывает у нас ураганов — и все! В результате были и жертвы, и разрушения. И, если верить Насте, бразильцам надо ждать следующих катастроф — лес-то продолжают вырубать.

— Понимаете, это все не сразу приходит, — Настя уже отдала несъеденную кашу официантке и бросила бесплодную борьбу с букетом, — я когда в Политех поступила, на кафедру биофизики, не видела, к чему себя приложить. Пришла на кафедру и сказала: «Дайте мне что-нибудь сделать хорошее». А мне говорят: ну вот бактерии — попереливай. Там трубочкой надо было дуть, а я не туда дунула, заглотнула эту смесь — противно, ужас! Но главное — я не видела, где же тут служение.

В поисках служения Настя тайно от родителей поступила на филфак, на математическую лингвистику. Потом перевелась на скандинавскую филологию. И быть бы ей переводчиком и, как она выражается, «достойной личностью», если бы не встреча с Виктором Георгиевичем Горшковым, известным физиком, читавшим в Политехе курс «Экология человека».

— Все, что я вам тут рассказываю, я рассказываю как подмастерье, понимаете? — говорит Настя. — Вот он — ученый. Это он создал концепцию биотической регуляции окружающей среды, он мне показал, какие масштабные проблемы стоят и в какой мы все ужасной ситуации находимся. Что меня привлекало? Что я не к чему-то позолоченному примыкаю. Тут надо бороться за справедливость.

— Вообще-то академическая наука ассоциируется с такими тихими кабинетными занятиями…

— Какое там тихие! — возмущается Настя. — Это что-то сумасшедшее! Это настолько увлекает! Перед той картиной мира, которую мне открыл Горшков, перед ней все видно — моральные качества, ум, талант. Все это взвешивается на этих весах.

— А почему вы вообще решили пойти в науку?

— Знаете, я и сама недавно стала задумываться: почему? — серьезно говорит Настя. — Почему не скандинавская филология, которую я с красным дипломом закончила, а все-таки геофизика? И вот теперь я, наверно, могу объяснить. Когда мне было лет двенадцать, я как-то для себя очень четко сформулировала, чего я хочу. Я хочу нести на себе скорбь мира. Вот именно такими словами. Какая скорбь мира? Есть ли она? Я тогда понятия не имела. Но почему-то точно знала, что именно этим и хочу заниматься.

— Скажите, а вы счастливы?

— Если иметь в виду простые базовые ценности — чтобы близкие не болели, например, — да, счастлива. Но понимаете, ввиду того, что сейчас происходит на планете, я теперь столько этой скорби мира огребла, что она стала частью моей личной жизни. То есть между моими интимными женскими переживаниями, скажем, и моими тревогами о планете нет разницы в силе ощущений, понимаете? Ну нельзя быть счастливым, когда так варварски уничтожают леса! Если я в новостях слышу, как какой-нибудь депутат говорит: «Мы сейчас построим новый деревообрабатывающий комбинат», меня передергивает, будто я сиамский близнец того дерева, которое первым ляжет на деревообрабатывающий станок. Ученый, чьи выстраданные прогнозы игнорируются, чьи предостережения попираются действием в масштабах всего человечества и в первую очередь в родной стране, обречен на такие муки, понимаете?

А в самом деле — понимаю ли я, о чем говорит Настя? Похоже, идея «биотического насоса» куда проще, чем желание нести на себе скорби мира.

Изменено 15 марта 2009 пользователем cartesius (история изменений)

[cartesius]

Адская жара остывает от нашего дыхания

http://www.rg.ru/Anons/arc_2002/0517/5.shtm

Сенсационное открытие сделали российские ученые из Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН: постоянство климата на Земле обеспечивают все живые существа. Без них наша планета превратилась бы либо в ледяной, либо в раскаленный шар.

Общеизвестно: труднее всего разглядеть удивительное в привычном. В самом деле, кому придет в голову задаться вопросом: почему на Земле устойчивый климат - в южных странах жарко, в северных холодно, в средних широтах температура меняется по временам года по устоявшемуся расписанию? И так из тысячелетия в тысячелетие. Почему? Вот такой неожиданный вопрос задали себе кандидат физико-математических наук Анастасия Макарьева и доктор тех же наук, профессор Виктор Горшков из Петербургского ИЯФ. Ответ на этот вопрос на первый взгляд хрестоматийный: распределение температуры на поверхности планеты зависит от наклона земной оси, а тепло приходит от Солнца. Но вот парадокс: чтобы климат оставался постоянным, часть солнечного излучения, достигшего Земли, должна уходить обратно в космос. Планета должна отдавать строго дозированный излишек тепла. На деле же эта пропорция не соблюдается. Некоторые газы, содержащиеся в атмосфере, "ловят" и рассеивают солнечное излучение, отраженное поверхностью Земли. Действуют как полиэтиленоваая пленка в садовом парнике. Однако масштабного перегрева атмосферы, который в таком случае вроде бы должен произойти, пока не наблюдается. Общее количество тепла на планете остается примерно постоянным. Вот эту загадку и взялись разгадать Анастасия Макарьева и Виктор Горшков.

Ученые провели сложные математические исследования - теоретические расчеты, чтобы выяснить, каким должен бы быть климат Земли исходя из данных о содержании в атмосфере газов, вызывающих парниковый эффект, количестве энергии, поступающей от Солнца, отражательной способности земной поверхности и ряда других. Расчеты привели к поразительным результатам. Оказывается, для нашей планеты существуют только два физически устойчивых состояния: либо оледенение, либо жара, вызывающая полное испарение всей воды в реках, морях и океанах. В первом случае температура на земной поверхности будет равна минус 85 градусов Цельсия, во втором - плюс 400 градусов. Промежуточные состояния неустойчивы и долго держаться не могут. Тем не менее именно промежуточные состояния и держатся на нашей планете, и она совсем не похожа ни на Венеру со средней температурой атмосферы плюс 480 градусов, ни на Марс, где минус 53 градуса. Значит, действует на Земле какой-то могучий фактор, который прочно удерживает ее климат в нынешнем неустойчивом состоянии. Ученые нашли этот фактор. Им оказалась... жизнь.

Постоянством своего климата Земля обязана живым существам. Всем в едином комплексе - и растениям, и животным. Именно живые существа, от крохотной былинки до могучего кедра, от маленькой мышки до огромного слона - короче говоря, все живущее забирает свою толику солнечной энергии, без которой его существование невозможно. Причем живые существа не только впитывают из атмосферы "излишнее" тепло, но и перераспределяют его в пределах всей планеты. По оценкам ученых, циркуляция энергии, которую обеспечивают растения и животные, в девять с половиной раз больше, чем энергообмен, вызванный простой разницей температур на экваторе и полюсах. Исследователи математически рассчитали, что общее количество тепла в течение геологических эпох почти не меняется в масштабах всей планеты. Но если это так, то не меняется и количество жизни на Земле, поскольку эти величины взаимосвязаны. А отсюда один шаг до следующего вопроса: не регулируется ли это количество жизни, чтобы обеспечить постоянство климата, оптимального для Земли? А если регулируется, то кем - не самой ли планетой?

Идея эта вовсе не столь безумна, как может показаться. Лет двадцать пять назад две научные экспедиции, работающие независимо друг от друга на Кольском полуострове и в одном из районов Германии, обнаружили в древних пластах следы микроорганизмов, появившихся спустя 300 миллионов лет после образования Земли. Надо быть специалистом, чтобы оценить эту сенсацию. Триста миллионов лет в истории нашей планеты - меньше одного мига. Земная поверхность еще и остыть не успела, а уже на ней появились не просто белковые комочки, провозвестники жизни, а уже сложившиеся организмы, неважно, что микро. Значит, белковые "кирпичики" появились еще раньше. Объяснить этот парадокс на основе существующих научных теорий как тогда, так и сейчас невозможно. Это и толкнуло одного из наших ученых выдвинуть "безумную" идею. Земля, утверждал он, сама организовала у себя жизнь, потому что она необходима планете, чтобы нормально развиваться. Организовала и постоянно поддерживает ее в необходимых формах и количествах. Так что происходящая на протяжении эпох смена видов живых существ, вымирание одних и появление новых, их количество, расселение на поверхности и соотношение между собой - надежный инструмент для создания и регулировки нужного климата в тех или иных районах планеты. И, возможно, не только климата, но и обеспечения еще каких-то нам пока неизвестных процессов, происходящих на Земле. А вот Марс и Венера, которые не обзавелись жизнью, так и остались в устойчивых состояниях - одна планета в холоде, другая в жаре.

Впрочем, исследователи из Петербугского ИЯФ так далеко не заходили. Но тем не менее они пришли к четкому выводу: устойчивость климата Земли может быть обеспечена только за счет управляющего действия глобальной биоты - совокупности всех живых организмов. Таким образом, живые существа сами создают условия, в которых затем и существуют.

[cartesius]

Источник питания

http://www.itogi.ru/nauka/2008/51/135590.html

/ Общество и наука / Наука

Ученые посчитали, сколько энергии должны потреблять и расходовать живые существа, чтобы не исчезнуть с лица Земли

Почему одни виды животных и растений выжили в ходе эволюции, а другим природа не оставила такого шанса? Жизнь - это процесс, основанный на непрерывном получении энергии из окружающей среды, утверждают ученые. Все формы живых существ черпают ее из разных источников. Деревья используют солнечный свет и фотосинтез, а бактерии и животные потребляют растения либо другие формы жизни. Разрабатывая теорию биотической регуляции окружающей среды, ученые из Петербургского института ядерной физики РАН и биологического факультета МГУ совместно с коллегами из США и ЮАР решили проверить, сколько энергии должно в среднем потреблять и расходовать живое существо, чтобы выжить на нашей планете. Исследователи сравнили этот показатель у более чем трех тысяч животных, растений и микроорганизмов, населяющих Землю. И, похоже, нашли "рецепт", который, увеличивает шансы вида на выживание.

Метаболический оптимум

"Наша идея состояла в том, что обмен веществ связан с потреблением кислорода и разложением органики, при котором высвобождается энергия, - говорит старший научный сотрудник отделения теоретической физики Петербургского института ядерной физики РАН Анастасия Макарьева. - Эту энергию организм использует для поддержания своих жизненных функций". Трудоемкая работа заняла много времени: у различных видов животных расход энергии определяли по-разному. У млекопитающих и птиц, например, исследователи изучали обмен веществ в состоянии покоя и при оптимальных температурных условиях. "Животных помещали в специальные камеры, соединенные с газоанализаторами, устанавливавшими потребление кислорода и выделение углекислого газа", - рассказывает один из участников проекта, ведущий научный сотрудник кафедры зоологии позвоночных биологического факультета МГУ Валерий Гаврилов. А вот у водных организмов все данные снимали в движении, ведь зафиксировать их на одном месте попросту невозможно. У микробов изучали расход энергии клеток в среде без питательных веществ, а у листовых растений - так называемое темновое дыхание, то есть потребление кислорода в темноте, в отсутствие фотосинтеза. Выразив результат в ваттах на килограмм, ученые получили "метаболический портрет" земной жизни. Оказалось, что разброс данных не так уж велик. Средняя скорость обмена веществ у самых разных существ находится в узком интервале от 0,3 до 9 ватт на килограмм веса - при том, что разница их размеров бывает огромной, да и масса варьируется в пределах двадцати порядков. "Проще говоря, существует метаболический оптимум: скорость обмена веществ около 4 ватт на килограмм веса, - говорит Анастасия Макарьева. - Она не так уж различается у всех существующих организмов: и у крохотных бактерий, и у огромных слонов или китов".

Вытеснение из биосферы

Почему скорость обмена веществ различается так мало? Виной всему эволюция. "Тем видам животных, которые не могли поддерживать метаболический оптимум, естественный отбор не благоприятствовал, - считает Анастасия Макарьева. - Они вымирали". Как считают ученые, именно из-за "неправильного" обмена веществ когда-то вымерли динозавры. Ведь гиганты являлись холоднокровными, а значит, скорость метаболизма была у них гораздо ниже оптимума. Они процветали на Земле ровно до тех пор, пока не появились теплокровные млекопитающие с более высокой скоростью обмена веществ. Динозавры оказались неконкурентоспособными и были вытеснены из биосферы. "Интересный факт: большинство современных холоднокровных позвоночных существуют только в водной среде - это рыбы; млекопитающие так и не смогли до конца освоить эту среду, так как не способны дышать растворенным воздухом, - говорит Анастасия Макарьева. - На материковой суше доля потребления продукции биосферы холоднокровными позвоночными (рептилиями, амфибиями) по крайней мере в десять раз ниже, чем у млекопитающих. В то же время на островах, где млекопитающих нет и конкуренция с ними отсутствует, рептилии потребляют ту же долю продукции экосистемы, что и млекопитающие на материке".

Воробьев развелось

Впрочем, ученые заглянули не только в прошлое. Им удалось проследить, как метаболические процессы влияют на выживание современных видов. Например, они объясняют, почему вокруг нас так много воробьев. По словам Валерия Гаврилова, очень высокий метаболизм, который составляет около 6 ватт на килограмм, дает этим птицам огромные преимущества в борьбе за место под солнцем. Из примерно 8700 видов птиц, обитающих на Земле, 5200 относятся к отряду воробьиных. Такого больше нет среди теплокровных животных. В процессе эволюции у представителей разных живых существ наблюдалась тенденция к выработке определенного жизненного оптимума. Количество кислорода с ростом биосферы увеличивалось, и, чтобы потреблять больше кислорода, живые существа постоянно эволюционировали. Метаболический оптимум тоже рос в процессе эволюции, и на сегодняшний день он практически достиг своего потолка. Если биосфера будет расширяться, то есть кислорода станет больше, то преимущество получат прежде всего те животные, которые лучше его усваивают и при этом не увеличивают размер. Например, насекомые с трахейным дыханием, потребляющие кислорода в 50 раз больше по сравнению с человеком.

Сколько же энергии нужно человеку, чтобы жить? Согласно разным оценкам, потребляя солнечную энергию, растения экосистем Земли производят органики в энергетическом эквиваленте примерно 1 ватт на квадратный метр. Поскольку метаболизм человека укладывается в рамки жизненного оптимума - каждый из нас потребляет энергии в виде пищи приблизительно около одного ватта на килограмм, - то человек, весящий 80 килограммов, должен "съедать" 80 ватт. Так просто этот объем продовольствия не получить. Вот почему нам приходится потрудиться! И не только нам одним. "Начиная с определенного размера тела, примерно в миллиметр, организм не может удовлетворить свои потребности в энергии, сидя на месте, - говорит Анастасия Макарьева. - И это заставляет живые существа двигаться. Только бактерии потребляют не более одного ватта на квадратный метр, поэтому могут оставаться неподвижными. Но человек, как и все другие крупные животные, должен все время передвигаться в поисках пищи". Жизненное пространство

Как считают ученые, крупные животные, потребляя биомассу большими порциями, вносят дисбаланс в нормальное функционирование экосистемы. Поэтому сама природа позаботилась о том, чтобы с появлением в ходе эволюции крупных животных ввести жесткие ограничения на плотность их расселения. Это достигается разными способами. Например, древесина, которая является основным запасом биомассы экосистемы, малосъедобна. Так что съесть дерево целиком не под силу даже жирафу или слону. "В рамках экосистемы каждый вид должен иметь свою строго ограниченную плотность численности, которая радикально уменьшается с ростом размера животного, - говорит Анастасия Макарьева. - Например, мышь в естественных условиях должна иметь индивидуальную территорию в сто квадратных метров, а человек - четыре квадратных километра". Кстати, это правило свято соблюдается в дикой природе, где мельчайшие организмы (бактерии, плесень) "съедают" около девяноста процентов всей продукции экосистемы. При этом на долю самых крупных животных, к которым относится и человек, приходится всего лишь около одного процента биомассы. При таком распределении потребления экосистема сохраняет устойчивость.

Не то в "окультуренной" человеком природе. Уже сегодня человечество потребляет десять процентов от всей продуктивности экосистем нашей планеты - это и пища людей, и корм для домашнего скота, и древесина. Получается, что мы уже превысили свою экологическую квоту по меньшей мере в десять раз.

А вот жилищные нормы, которые "положила" природа людям при вселении на Землю, наоборот, сейчас сильно занижены. По подсчетам ученых, вместо личного четырехкилометрового пространства каждому человеку в среднем отведен надел из 100 квадратных метров - столько, сколько полевой мыши. "А ведь у любого животного потребность в территории заложена генетически еще при образовании вида, - поясняет Анастасия Макарьева. - Вы не задумывались о том, что является главным наказанием для человека? Тюремное заключение, то есть лишение территории. Подобным образом можно объяснить и стремление людей путешествовать: это попытка компенсировать недостаток личной территории перемещением по чужой. С этим же можно связать стремление жителей больших городов к дачной тишине. Ведь главным признаком того, что вы не контролируете территорию, на которой находитесь, являются чужеродные, не вами производимые звуки".

Каков же вывод ученых? Расхожий тезис о том, что человечеству грозит депопуляция, скорее всего, придется менять. Во всяком случае, если не удастся резко увеличить продукцию экосистемы. Впрочем, поживем - увидим. Эволюция покажет.

[cartesius]

Публикации 2002-2008

http://www.bioticregulation.ru/pubs/pubs2_r.php

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Ли Б.-Л., Човн С.Л., Рейх П.Б., Гаврилов В.М. (2008) Средние удельные метаболические мощности удивительно схожи для биологических видов из самых различных доменов Жизни: Данные о метаболическом оптимуме Жизни. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A., 105, 16994-16999. [на англ. яз.] Аннотация. PDF (0.3 Мб). http://www.pnas.org/content/105/44/16994, Полный файл данных, 212 с. (PDF, 1.2 Мб)

Показать

аннотацию

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Ли Б.-Л. (2008) Бюджет энергии биосферы и цивилизации: переосмысливая экологическую безопасность мировых возобновляемых и невозобновляемых энергоресурсов. Ecological Complexity, 5, 281-288. [на англ. яз.] Аннотация. PDF (0.4 Мб).

Показать

аннотацию

Макарьева А.М., Горшков В.Г. (2008) Лесной биотический насос речных бассейнов. Russian Journal of Ecology, 39, 537-540. Без аннотации. PDF (0.3 Мб).

Показать

аннотацию

Макарьева А.М. (2008) Кибернетика. С.Е. Йоргенсен, Б.Д. Фатх (гл. ред.) Системная экология. Т. 1 Энциклопедии Экологии (5 тт.), Оксфорд, Эльзевир, С. 806-812. [на англ. яз.] Без аннотации. PDF (0.2 Мб). PDF исходного текста.

Показать

аннотацию

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Ли Б.-Л. (2008) О правомерности описания ураганов как тепловых машин Карно. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 8, 17423-17437. [на англ. яз.] Аннотация. PDF (0.4 Мб). Версия для печати (0.4 Мб). Интерактивное обсуждение (открыто до 14 ноября 2008).

Показать

аннотацию

Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2008) Осмотическая сила конденсации водяного пара в земной атмосфере. Препринт № 2763, Петербургский институт ядерной физики, Гатчина, 46 с. Аннотация. PDF (0.4 Мб).

Показать

аннотацию

Горшков В.Г., Макарьева А.М., Ли Б.-Л. (2008) Сравнительный анализ экологической устойчивости биомассы биосферы и экономической устойчивости товаров свободного рынка. Препринт № 2754, Петербургский институт ядерной физики, Гатчина, 50 с. Аннотация. PDF (1 Мб).

Показать

аннотацию

Ли Б.-Л., Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2008) Аллометрический скейлинг как индикатор состояния экосистемы: новый подход. In: I. Petrosillo et al. (eds.) Use of Landscape Sciences for the Assessment of Environmental Security, NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security, Springer, the Netherlands, pp. 107-117. [на англ. яз.] Аннотация. PDF (1 Мб).

Показать

аннотацию

Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2007) Мышление и долголетие человека и их связь с проблемами упорядоченности живой материи. Экология и Образование, № 3-4 (2007), 7-11. Без аннотации. PDF (1.2 Мб).

Показать

аннотацию

Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2007) Биотический насос атмосферной влаги как движущая сила круговорота воды на суше. Hydrology and Earth System Sciences, 11, 1013-1033. [на англ. яз.] Аннотация. PDF (1 Мб).

Показать

аннотацию

Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2006) Реки. Будут ли они вечно течь на Земле? Экология и Образование, № 1-2 (2006), 7-11. Без аннотации. PDF (0.8 Мб).

Показать

аннотацию

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Ли Б.-Л. (2006) Модель распределительной системы Банавара, Дамуса, Маритана и Риналдо (2002): Критика и перспектива. Journal of Theoretical Biology, 239, 394-397. [на англ. яз.] Без аннотации. PDF (0.2 Мб). doi:10.1016/j.jtbi.2005.08.018.

Показать

аннотацию

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Ли Б.-Л., Човн С.Л. (2006) Независимость минимального жизнеподдерживающего метаболизма от размера тела и температуры. Functional Ecology, 20, 83-96. [на англ. яз.] Аннотация. PDF (0.3 Мб). Данные к статье.

Показать

аннотацию

Горшков В.Г., Макарьева А.М., Лосев К.С. (2006) В повестке дня — стратегия выживания человечества. Вестник Российской Академии Наук, 76, 309-314. Без аннотации. PDF (0.5 Мб). Авторы статьи рассказывают о важнейших заблуждениях в современной климатологии и экологии и о приоритетах в решении природоохранных проблем.

Показать

аннотацию

Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2006) Природа наблюдаемой устойчивости климата Земли. Геоэкология, №3 (2006), 483-495. Аннотация. PDF (2 Мб).

Показать

аннотацию

Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2006) Биотический насос атмосферной влаги как движущая сила круговорота воды на суше. Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 3, 2621-2673. [на англ. яз.] Аннотация. PDF (0.7 Мб). Версия для экрана (1.0 Мб). Обсуждение (закрыто, 24 комментария).

[cartesius]

Новые аспекты глобального потепления

http://www.globalization.su/environment/env/1174905836.html

Виктор ГОРШКОВ и Анастасия МАКАРЬЕВА

Приложение к журналу «В мире науки»

Нынешняя аномальная зима в Европе и России сделала тему климата и его динамики одной из самых актуальных. Всё чаще слышатся разговоры о том, что глобальное потепление уже давно перешло из области только научных дискуссий и отдаленных прогнозов в обыденную реальность.

Действительно, в последние годы среднеглобальная температура (составляющая в норме 15° С) повысилась примерно на полградуса, что уже приводит ко всё учащающимся наводнениям, засухам, пожарам, ураганам и цунами.

Климат – система чрезвычайно многокомпонентная и при этом уязвимая. Изменение даже в одном его элементе может запустить цепочку положительной обратной связи, способной в самом плохом случае полностью изменить облик нашей планеты.

В очень приближенном виде климат Земли определяется количеством солнечных лучей, достигающих её поверхности, способностью поверхности нагреваться и отдавать излучение в инфракрасном спектре, «парниковыми газами»[1], удерживающими тепловое излучение в атмосфере, температурой мирового океана, играющего роль буфера «парниковых» газов[2] и влияющего на переносы воздушных масс. Однако в действительности этими элементами климатическая система далеко не исчерпывается.

Сегодняшнее потепление глобального климата относят, как правило, за счет увеличения выбросов в атмосферу «парниковых» газов, прежде всего, углекислоты. Именно поэтому и был подписан Киотский протокол.

Однако причины увеличения объемов «парниковых» газов не столь однозначны, как обычно думают люди, далекие от экологии. Кроме промышленных выбросов в атмосферу, есть и другие серьезные факторы.

Климат нашей планеты в его нынешнем виде сформирован зелеными растениями. Именно они создали тот состав атмосферы, который мы имеем сегодня, именно они во многом определяют уровень влажности, регулируют температуру воздуха и направления движения воздушных масс. Поэтому резкие и масштабные изменения растительности ведут к драматическим изменениям и в климате. Всё это известно любому студенту-биологу из учебников:

«Известна роль растительности в создании режима температуры и влажности. Транспирация помимо этого прямо связана с образованием осадков: подсчитано, что в Германии количество осадков увеличивается за счет транспирации на 6%, а в Конго – даже на 30%. Растительность влияет также на ветровой режим, условия залегания снежного покрова и другие важные климатические параметры». (И.Шилов. «Экология»)

«Влажность воздуха над тропическими лесами на 50 - 80% определяется транспирацией и испарением деревьями. Если значительные площади этих лесов будут расчищены, среднегодовое количество осадков уменьшится, и климат целых регионов станет жарче и суше. После выпадения дождей вода вместо абсорбции и постепенной отдачей растительностью будет быстро стекать с обнаженной почвы. … Диоксид углерода, поступающий в атмосферу вследствие обезлесения и сжигания древесины, может также повлиять на глобальный климат, производство продовольствия и повышения уровня мирового океана в результате потепления климата». (Тайлер Миллер. «Жизнь в окружающей среде»).

Однако политики и бизнесмены делают вид, что им все это неизвестно и ради получения немедленной прибыли продолжают сводить леса в невиданных масштабах.

Недавно появились работы петербургских физиков, в которых выразительно показана роль лесов не только в регуляции количества «парниковых» газов, но и на что прежде не обращали должного внимания, в изменении ветровых потоков. Последнее, по их мнению, самым непосредственным образом отразилось на погодных аномалиях этого года.

К сожалению, на сегодняшний день мы располагаем лишь интервью с исследователями, опубликованным в приложении к журналу «В мире науки». Несмотря на то, что интервью оставляет ряд вопросов, мы публикуем его, дабы читатель мог взглянуть на проблему потепления климата под новым для него углом.

Перетягивание каната в природе

Физики-теоретики из Петербурга нашли новую причину аномальных погодных явлений

Главную роль в глобальной потеплении, по мнению сотрудников Петербургского института ядерной физики - профессора Виктора ГОРШКОВА и кандидата физ-мат. наук Анастасии МАКАРЬЕВОЙ, - играют вовсе не промышленные выбросы в атмосферу, а уничтожение лесов. Недавно в журнале Европейского геофизического союза были опубликованы их результаты, вызвавшие бурную дискуссию.

- На чем же основана ваша теория?

— Па явлении, которое было ранее неизвестно и которое мы назвали биотическим насосом атмосферной влаги. Вкратце суть его такова. Поскольку температура воздуха тем ниже, чем выше точка относительно поверхности Земли, вода, испарившаяся с планеты, конденсируется на определенной высоте в атмосфере, вызывая ее разрежение. При этом возникает восходящий поток воздуха, стремящийся компенсировать это разрежение и засасывающий воздух по горизонтали из соседних областей. Поэтому ветер дует оттуда, где испарение мало, туда, где оно велико.

До появления жизни на Земле испарение на суше практически отсутствовало, и поэтому ветер вблизи земной поверхности дул всегда с суши на океан — в сторону большего испарения. То же самое происходит и сейчас в пустынях мира, где, несмотря па близость моря, ветер всегда дует с суши. Это хорошо известно всем, кто проводил свой отпуск на берегу Красного мори.

Так как же жизнь смогла обосноваться на суше? Для этого должна была появиться флора, способная испарять больше влаги, чем открытая водная поверхность океана. И такая растительность была выведена природой в течение двух миллиардов лет эволюции — это леса. Испаряющая поверхность листьев сплошного лесного покрова примерно в К) раз превосходит испаряющую поверхность открытого океана равной территории! Ненарушенный (девственный) лес тянет на сушу влажный океанский воздух, который затем поднимается вверх, и испарившаяся в океане влага выпадает дождем. Лес ослабляет дожди над океаном, «стягивая» их с океана па сушу. Лесные экосистемы способны закачивать влагу с океана как раз в таком количестве, которое необходимо для компенсации потерь почвенной влаги в речной сток, поддержания влажности лесной почвы на оптимальном уровне и обеспечения максимальной продуктивности самой экосистемы. Это явление и было названо лесным биотическим насосом атмосферной влаги.

— Как это связано с аномалиями нынешней зимы?

— Зима долго не приходила к нам потому, что в декабре и начале января дули южные и юго-западные ветры. Происходило это из-за того, что испарение арктического океана сейчас больше, чем испарение прилегающей суши. Всему виной вырубка леса, замена хвойных деревьев, сохраняющих листву, на вторичные листопадные леса, недопустимое разрежение лесного покрова. Многим кажется, что лес на северо-западе Европы еще сохранился, но это «нарушенный» лес. и сто способность тянуть воздух с океана па сушу примерно совпадает (а не превышает в несколько раз) со способностью океана тянуть воздух с суши на океан. Это как перетягивание каната двумя командами примерно равной силы. Добавление одного слабого участника к одной из сторон может определить победный результат. Поэтому прошлая зима была нормальной, хотя морозы, не очень сильные, стояли всего две-три недели. Пока на северо-западе России сохранялись обширные леса, закачивающие влагу с Арктики, их испарение практически круглогодично превышало испарение с поверхности северных морей. Это обеспечивало преобладание прохладных ветров с Арктики и северной Атлантики в нашей части континента. За последние 10 лег резко возросла вырубка лесов по всему Северо-Западу России, включая Ленинградскую область и Карелию.

Арктический океан нагревается под потоками теплого воздуха с юга, и испарение его усиливаем. Поэтому аналогичные нашим явления наблюдаются и в Северной Америке, где также происходит спонтанная деградация вторичных лесов умеренного пояса, ослабленных длительной экономической эксплуатацией. Показательно, что климатическая аномалия этого года практически не коснулась большинства регионов Сибири, сохраняющих обширный и по-прежнему малонарушенный лесной покров.

- А как объяснить аномальные явления в Западной Европе, потепление Гольфстрима?

— Наводнения, засухи и отсутствие зимы в Западной Европе — это тс же болезни давно уничтоженных ненарушенных лесов и сильного нарушения лесного покрова в России и Скандинавии. Ледники тают по причине недостаточного восполнения снежною покрова опять-таки в результате разрушения биотического лесного насоса в горных областях. Под потоками воздуха с юга нагревается не только арктический океан, но и прилегающие к нему части океана, включая Гольфстрим.

- Вы сравнили эту систему с «перетягиванием каната. Значит, она крайне неустойчива. Как долго можно на нее воздействовать, чтобы окончательно разрушить?

— Концентрация водяного пара над поверхностью гидросферы Земли возрастает вдвое при увеличении температуры на каждые 10°С Это приводит к росту парникового эффекта, дальнейшему росту температуры, концентрации водяного пара и так далее. Это действительно физически неустойчивая система, но именно такие условия обеспечивают жизнь на Земле. Полностью физически устойчивы либо полное оледенение с температурой, близкой к 100°С, либо полное испарение осадков с температурой порядка +400°С. Но в обоих случаях жизнь невозможна.

Однако нашу систему устойчиво поддерживает в этом оптимальном для жизни состоянии ненарушенная биота — сообщества естественной флоры и фауны Земли. Она организована так, что может управлять окружающей средой. Основная функция биотической регуляции состоит как раз в сохранении оптимальной концентрации водяного пара. О том, насколько прочен и устойчив этот механизм, можно судить уже по тому, что жизнь все-таки просуществовала миллиарды лет. Но в отсутствие человека она развивалась эволюционно, заметно изменяясь лишь на протяжении миллионов лет. Человек разрушает механизм биотической регуляции в течение сотен и десятков лет. Никакие эволюционные процессы не могут компенсировать такую скорость разрушения. Но люди и не в состоянии взять па себя управление окружающей средой вместо разрушаемой биоты. Каждая живая клетка перерабатывает информацию со скоростью, превосходящей скорость современного персонального компьютера. В биосфере Земли 1030 клеток. Человечество никогда не сможет построить такое количество микроскопических компьютеров, в каждый из которых нужно было бы вложить абсолютно неизвестные нам сложнейшие программы управления и взаимодействия с окружающей средой. Следовательно, люди никогда не смогут заменить биотическое управление техническим. При полном разрушении биотической регуляции наша окружающая среда может перейти в непригодное для жизни состояние в течение одного столетия.

- Получается, рост промышленных выбросов - не главная наша проблема. Как вообще ваша теория согласуется с Киотским протоколом?

— Пары воды и облачность являются главными парниковыми веществами атмосферы, поглощающими до 80% тепловою излучения земной поверхности. Оставшиеся 20% поглощает углекислый газ и другие второстепенные парниковые вещества. Киотский протокол касается только проблемы изменения концентрации углекислого газа в атмосфере. Ненарушенная биота Земли смогла бы легко компенсировать парниковый эффект при любых изменениях концентрации углекислого газа в атмосфере. Поэтому уменьшение выбросов СО, ничего не даст, если вырубка лесов будет продолжаться.

— Ваш прогноз на ближайшее и более отделенное будущее?

— Это возможно только при детальном анализе распределения величин испарения по земной поверхности. По до сих пор эта проблема не решена технически, а до недавнего времени даже не ставилась. Лишь в последние годы были получены данные по испарению в Амазонии.

Поскольку испарение арктического океана и прилегающей лишенной леса суши теперь примерно одинаково, то в ближайшие годы, как при перетягивании каната, можно ожидать то теплых, то приближенных к нормальным зим. Однако тенденция — однозначно в сторону более теплой зимы и все более засушливого лета. Всем очевидно, что зима этого года не может быть результатом «глобального потепления», на которое часто списываются все непонятные климатические явления. Превышение зимних температур на 10 С на севере сопровождается понижением температур в более южных районах - это следствие закона сохранения энергии. Отсюда аномальные холода в Индии, снегопады в Израиле и Нью-Мексико. В среднесрочной перспективе неспособность разрушенного растительного покрова закачивать влагу из океана летом, когда она необходима растениям, приведет к учащению засух, подъему максимальных температур и деградации сельскохозяйственного цикла. За этим последуют разрушение сначала мелких, а затем и более крупных речных бассейнов, обмеление и исчезновение рек и, наконец, полное опустынивание региона. Так произошло с некогда полностью покрытой лесами Австралией.

— Как профессиональные климатологи и географы оценивают ваши результаты? Воспринимают ли их серьезно?

— Мы опубликовали паши работы в ведущих мировых биологических и экологических журналах. Интерес к ним за границей выше, чем в России. Например, результаты исследований по биотическому насосу, которые мы считаем революционными, в конце 2006 г. появились в журнале Hydrology and Earth System Sciences Европейского геофизического союза и вызвали широкую дискуссию. Специалисты Королевского метеорологического института Нидерландов провели семинар, специально посвященный нашим результатам. После этого пас пригласили выступить с пленарной лекцией на одной из секций ежегодной ассамблеи Европейского геофизического союза в Австрии.

[1] Для справки: к «парниковым» газам относятся все газы, молекула которых состоит из трех и более атомов. Т.е. кислород, имеющий формулу О2, не является «парниковым» газом, а озон О3 – уже газ «парниковый». Обычные «парниковые» газы – это также пары воды, углекислый газ, метан, окислы серы и азота и ряд других.

[2] До сих пор увеличение объемов «парниковых» газов более или менее компенсировал мировой океан. Он и сегодня еще продолжает спасать нас от масштабной климатической катастрофы, кое-как поглощая избытки углекислого газа, но его возможности небезграничны. С увеличением среднеглобальной температуры повышается и температура океанской воды – а, как известно из химии, чем теплее вода, тем хуже она растворяет газы. Наконец, наступает такой порог, при переходе через который вода перестает поглощать газы из атмосферы, а, напротив, начинает их испускать. Если это произойдет, то мировой океан станет тем элементом климатической системы, который обрушит её окончательно.

[Ara55]

Ведь что такое давление? — риторически вопрошает она, выуживая иголки из остывающей каши. — Молекулы газа летают и бьются о нас с вами. А когда водяной пар конденсируется в капли, эти молекулы исчезают, и что происходит? Правильно — давление падает, и воздух со стороны начинает подсасываться, как в пылесосе. То есть эта самая конденсация водяного пара приводит к понижению давления и появлению горизонтального подсоса. А где больше всего конденсация, как вы думаете?

Надо подтверждать числами сказанное .

Парциальное давление воды в воздухе не бывает больше 0. 03 бар

http://www.diclib.com/cgi-bin/d1.cgi?l=ru&base=bse&page=showid&id=74718

Т.е. максимум возможности изменить давление конденсацией около 3%.

А изменение температуры на 1 градус дает изменение давления на 0.4%.

Следовательно уменьшение всего лишь на 7.5 градусов температуры воздуха дает большее снижение давления , чем полная конденсация от максимальной влажности.

При этом мы еще не учли,что согрев воздуха конденсируемым паром, что действует в сторону увеличения давления.

Кстати, давно уже /лет 20-30 тому/ мне встречалась информация о попытках воздействия на погоду разбрызгиванием воды на больших площадях. Т.е. идея не нова.

[cartesius]

Надо подтверждать числами сказанное .

Парциальное давление воды в воздухе не бывает больше 0. 03 бар

http://www.diclib.com/cgi-bin/d1.cgi?l=ru&base=bse&page=showid&id=74718

Т.е. максимум возможности изменить давление конденсацией около 3%.

А изменение температуры на 1 градус дает изменение давления на 0.4%.

Следовательно уменьшение всего лишь на 7.5 градусов температуры воздуха дает большее снижение давления , чем полная конденсация от максимальной влажности.

При этом мы еще не учли,что согрев воздуха конденсируемым паром, что действует в сторону увеличения давления.

Кстати, давно уже /лет 20-30 тому/ мне встречалась информация о попытках воздействия на погоду разбрызгиванием воды на больших площадях. Т.е. идея не нова.

Можешь задать этот вопрос авторам на их страничке или по мэйлу:

http://www.bioticregulation.ru/ques/ques_r.php

[Ara55]

Можешь задать этот вопрос авторам на их страничке или по мэйлу:

http://www.bioticregulation.ru/ques/ques_r.php

Спасибо, там и без меня хватает критиков, причем критикуют профессиональные метеорологи, лучше меня знающие физику атмосферы.