Цивилизация
Ученые из Института проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН разработали методы оценки термодинамических переменных для ландшафта, а также выяснили, что в рамках одного ландшафта существуют три устойчивых состояния растительного покрова с различными схемами саморегулирования. Результаты исследований, поддержанных грантом Российского научного фонда (РНФ), были опубликованы в журналах Entropy и Ecological Modelling.
«Объект исследования наук о Земле – сложные системы. Такие системы обладают свойствами, неприятными для человека: ограниченной предсказуемостью и редкими, но очень быстрыми катастрофическими преобразованиями своего состояния. Непредсказуемые землетрясения и аномальные погодные явления имеют огромное отрицательное влияние на экономику и жизнь человека. Эти неприятные свойства в последние тридцать лет определяют особой интерес к разработке теории сложных систем», – рассказал руководитель гранта РНФ, доктор географических наук Юрий Пузаченко.
В своей работе ученые использовали результаты мультиспектральных дистанционных измерений, полученные со спутника Modis. Также на территории южной тайги, в Центрально-Лесном биосферном заповеднике, была организована система долговременных наблюдений за динамикой компонентов экосистем и ландшафтов, которые осуществлялись с помощью вышек Fluxtower. На этих вышках были установлены датчики, измеряющие сотни климатических и биофизических переменных, таких как, например, турбулентный обмен углекислого газа, тепловые потоки, энергетический баланс, биологическая продуктивность, в ельниках и на верховом болоте.
Кроме того, в восьми экосистемах осуществляются мультиспектральные измерения приходящей и отраженной солнечной радиации. Также проводятся измерения свойств ландшафтного покрова: состояния растительности, почв, микроклимата.
«Мы впервые разработали методы оценки термодинамических переменных для ландшафта на основе мультиспектральных измерений, опирающиеся на теорию неэкстенсивной статистической механики. Применение этой технологии позволило на основе анализа дистанционных измерений со спутника Modis для северо-западной части Русской равнины (от Санкт-Петербурга до Киева) показать высокую положительную связь между эксергией (затратами тепла на испарение) и количеством осадков в пределах лесной зоны и оценить факт регулирования лесом собственного климата. Это саморегулирование определяет высокую устойчивость лесного ландшафта к изменениям климата, прежде всего к его потеплению», – отметил Юрий Пузаченко.
Наряду с этим ученые выявили диапазон температур, в котором ландшафтный покров может находиться в бистабильном состоянии: или леса, или степи. Существование каждого из состояний определяется начальными условиями: если в начальный момент помочь деревьям в их конкуренции с травами, то лесное сообщество будет развиваться вполне устойчиво, и наоборот. Наблюдаемые учеными соотношения показали, что может существовать такой масштаб изменения климата, при котором лес катастрофически преобразуется в степь. Один из вариантов такого катастрофического перехода может реализоваться через лесные пожары, охватывающие обширные регионы.
Также ученые установили, что леса, луга и верховые болота по-разному преобразуют солнечную энергию. В период своего роста и развития леса поддерживают постоянное соотношение поглощенной и поступающей фотосинтетически активной солнечной радиации (ФАР) при постоянных высоких затратах тепла на испарение. Луга поглощают наибольшее количество солнечной энергии в конце июня и, по сравнению с лесом, затрачивают существенно меньше тепла на испарение.
В свою очередь, верховые болота поглощают солнечную радиацию в течение всего года, за исключением зимы, и поглощение это велико тогда, когда много атмосферных осадков. Особенно активно поглощение идет ранней весной, когда весь слой сфагновых мхов насыщен влагой. В солнечные дни и во время засухи болота минимизируют затраты тепла на испарение, поддерживая тем самым постоянную глубину залегания зеркала грунтовых вод.
Таким образом, в жаркий день температура поверхности луга в среднем на один градус выше, чем поверхность полога леса, а температура поверхности болота на два-три градуса выше лесной температуры.
«В рамках одного ландшафта существует три в равной степени устойчивых состояния растительного покрова с различными схемами саморегулирования. Во влажные и теплые климатические периоды болота активно наступают на лес, приводя к локальным катастрофам. Возможность зарастания лесом лугов в существенной степени определяется локальными условиями увлажнения и инсоляции, определяемыми рельефом», – отметил руководитель гранта.
«Накопленные к настоящему времени знания в области экологии и географии позволяют решить большинство современных задач сельского и лесного хозяйства, эффективного использования возобновимых ресурсов вообще, а также планирования максимально комфортного городского и сельского ландшафта. Однако практика показывает, что знание реальной природы всегда ограничено, и она периодически проявляет поведение, необъяснимое с позиций существующих представлений и теорий. Это определяет необходимость организации долговременных и непрерывных экологических исследований», – заключил ученый.
