Interviu al lunii Victor Gorshkov și Anastassia Makarieva
Divizia de Fizică Teoretică a Institutului de Fizică Nucleară din Sankt Petersburg (Rusia) Creatorii teoriei pompei biotice (Teoria pompei biotice)
Colaborări RAM
1. Pentru o persoană de pe stradă și, în câteva cuvinte, ce este teoria pompei biotice, BPT (Biotic Pump Theory)?
Teoria pompei biotice are atât componente fizice, cât și ecologice. Fizicienii spun că vânturile suflă de unde rata de condensare a vaporilor de apă este scăzută până acolo unde este mare. Cele ecologice sunt că suprafața mare de evaporare a frunzelor verzi face evaporarea și, prin urmare, condensarea, în mod constant mai intensă pe pădurile naturale decât pe ocean. Prin urmare, atunci când continentul este acoperit de păduri și vântul suflă de la mare la uscat, aduce umezeală pentru a alimenta procesele de precipitații și compensează scurgerea râului. Acest transport de umiditate indus de pădure de la ocean la uscat se numește pompa biotică a umezelii atmosferice.
2. De ce numele „biotică”?
Cuvântul „biotic” (nu „biologic”) subliniază că pompa de umiditate biotică poate fi condusă stabil de toate organismele vii din biota naturală, nu doar de anumite specii particulare (de exemplu, unii copaci) sau grupuri de specii selectate artificial de către om. Teoria pompei biotice face parte din conceptul de reglare biotică a mediului (www.bioticregulation.ru). Conform acestui concept, mediul potrivit pentru viață trebuie menținut în această stare de către organismele vii din biota naturală intactă (adică, toate organismele biologice) de pe Pământ. Informațiile necesare pentru reglarea biotică sunt scrise în programele genetice ale speciilor biologice ale biotei Pământului. Pentru funcționarea stabilă a pompei biotice a ecosistemului complex în ansamblu, este necesar ca acesta să includă copaci, ierburi și buruieni, bacterii, ciuperci și toate animalele care interacționează între ele.
Figura 1.- Diagrama clasică a ciclului apei
3. Și pentru un hidrolog, cu cuvinte mai tehnice?
Pe măsură ce mase terestre se ridică deasupra oceanului, datorită gravitației, continentele pierd în mod continuu apă, contribuind la oceane prin scurgerea râurilor. Un astfel de mecanism poate epuiza complet rezervele de apă continentale ale lumii în doar câțiva ani. Prin urmare, pentru a păstra ciclul apei pe uscat, este necesar un mecanism de transport care să readucă în mod continuu umezeala pe continent din ocean.
Condensarea vaporilor de apă deasupra copertinei pădurii reduce cantitatea de gaz din coloana de aer. În consecință, presiunea aerului la suprafață este mai mică. Aerul umed curge din oceane către zonele continentale de joasă presiune. Umiditatea atmosferică distribuită din ocean precipită pe uscat și compensează pierderea gravitațională a apei lichide prin scurgeri.
Pompa biotică forestieră trebuie să funcționeze într-un mod complex pentru a regla fluxul de umiditate pentru a găsi un echilibru între Scylla (sic) și Charybdis (sic) de secete (umiditate prea mică) și inundații (umiditate prea mare). Acest lucru poate fi realizat prin diferite mijloace, în principal prin efecte biotice asupra rugozității aerodinamice, care asigură absența unei accelerații drastice în aerul care se deplasează spre interior din ocean, prin atenuarea eliberării biogene a nucleelor de condensare și alte mijloace.
4. Ce rol pot juca meteorologii în dezvoltarea BPT?
De secole, începând cu lucrările lui Hadley și ale predecesorilor săi, circulația atmosferică a fost asociată cu încălzirea diferențială a suprafeței Pământului și forța arhimedeană, care ridică aerul cald și ușor, scufundându-se rece și greu. Teoria pompei biotice descrie în primul rând un controlor de circulație atmosferică necunoscut anterior - scăderea presiunii aerului și eliberarea de energie potențială în timpul condensării vaporilor de apă. Am arătat cum acest proces fizic produce vânturi cu viteze observabile și este principala cauză a circulației atmosferice pe Pământ. Încălzirea diferențială joacă un rol relativ minor, fiind responsabilă de modele minore de vânt, cum ar fi briza. Acest lucru sugerează o schimbare majoră de paradigmă în meteorologia modernă.
5. BPT are vreo asemănare cu proiectele de terraformare care au fost dezvoltate cu ani în urmă pentru a atinge condiții de locuință pe planete precum Venus și Marte?
Atât pe Venus, cât și pe Marte, condensul joacă un rol important în climatologia planetei. Pe Marte, vaporii de apă și CO2 sunt cei care suferă tranziții de fază. Dioxidul de carbon al lui Venus este deasupra punctului critic gaz-lichid; plus că acolo sunt nori de acid sulfuric. Prin urmare, mecanismul fizic al BPT poate fi aplicat pentru a descrie circulația atmosferică pe Marte și Venus. Dar nu există viață pe Marte sau Venus și nu există o reglementare biotică.
Ar putea condițiile de mediu ale acestor planete să fie reglementate biotic pentru a le face potrivite pentru viață? Da, ar putea. Dar am avea nevoie de diferitele ecosisteme naturale care au evoluat pe acele planete. Dacă ecosistemele terestre sunt transferate pe Marte sau Venus sau sunt plasate în rezervoare închise, ele se dezintegrează inevitabil și vor înceta să mai existe. În principiu, proiectarea artificială a sistemelor biologice capabile să mențină în mod stabil viața și mediul compatibil pe Marte, Venus sau oriunde altundeva decât Pământul, este imposibilă. Motivul este că fluxurile de informații necesare pentru reglementarea mediului depășesc cu 20 de ordine de mărime toate informațiile posibile furnizate de civilizație. Astfel de fluxuri de informații sunt procesate de celulele vii ale biosferei.
6. Cum pot meteorologii să utilizeze conceptele BPT în hărțile meteo de prognoză?
Pompa biotică apare ca urmare a unei interacțiuni particulare a patru legi fizice cunoscute: legea Clausius-Clapeyron, legea gazelor ideale, legea gravitației și legea conservării energiei.
Legea Clausius-Clapeyron spune că presiunea saturată a vaporilor de apă (maximul posibil) se dublează aproximativ la fiecare zece grade Celsius pe care temperatura le crește. Legea ideală a gazelor și gravitația se combină pentru a stabili că, în echilibru hidrostatic, presiunea vaporilor de apă este redusă la jumătate pentru fiecare nouă kilometri de ascensiune. Prin urmare, vaporii de apă saturați pot fi statici numai dacă gradientul termic vertical nu depășește zece grade la nouă kilometri sau, mai precis, o valoare critică de 1,2 ° C/km. Dar legea conservării energiei, care determină că, în absența unui aport extern de căldură, creșterea și expansiunea gazului se răcește, prescrie că temperatura unei colete de aer în creștere este redusă în medie cu 6,5 ºC/km (o valoare intermediară între gradientul adiabatic uscat și cel saturat sau umed). Aceasta este de aproximativ șase ori mai mare decât valoarea statică critică. Cele patru legi se combină pentru a interzice vaporilor de apă să fie în echilibru hidrostatic în atmosfera Pământului - distribuția sa verticală pare să fie comprimată de aproape șase ori mai mult decât distribuția sa hidrostatică.