КАК ДЕРЕВО ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ С ДОЖДЁМ

ДЕРЕВЬЯ И ИХ ЭНЕРГООБМЕН

На сухом острове Иерро Канарского архипелага бытует легенда о дождевом дереве: гигантское дерево «Тиль» (Ocotea Foetens) «… на листьях которого конденсировались горные туманы и вода стекала в две большие цистерны, находившиеся под деревом. Дерево погибло во время шторма в 1612 году нашей эры, но это место пользуется известностью, и там сохранены остатки цистерн… [Одно это дерево] конденсировало воду из морских туманов, и обеспечивало все потребности населения в воде». 

(Дэвид Брэмвелл)

Для меня деревья всегда были самыми проникновенными учителями. Я преклоняюсь перед ними, когда они живут в родах и семьях, в лесу и рощах… Они борются всеми силами своей жизни только ради одного: чтобы выполнить свою задачу согласно собственным законам, выстроить свои собственные формы, представить себя во всём величии. Нет ничего более святого, образцового, чем красивое мощное дерево.

(Герман Гессе, «Деревья», «Журнал природных ресурсов», весна 1980 г.)

Я поражаюсь книгам, в которых описывается функционирование деревьев, и ни слова не говорится об их великолепных механических и аэродинамических характеристиках.

(Вогель, «Жизнь в подвижных жидкостях», 1981 г.)

Очень часто упускается из виду роль деревьев в увеличении общего количества осадков, которые значительно выше чем показания дождемеров. Большая часть инея, которая собирается на ветках деревьев в морозные периоды, в дальнейшем достигает земли в виде воды при таком климате как на Британских островах, вода, конденсируемая на ветках деревьев с туманов и проплывающих облаков в общей массе составляет значительное количество и большая её часть достигает рек или подземных вод, или, как минимум, замещает потери воды после ливня.

Более важным для инженеров-гидротехников является влияние леса на поверхностный сток воды. Моментальный смыв воды с голых холмов сменяется медленным растеканием воды среди зелёного ковра леса, потери воды через испарения могут быть значительно снижены и таяние снега полезным образом замедляется. Паводковые воды, которые не задерживаются в водосборных бассейнах, теряются в большом количестве, леса способствуют сохранению сточных вод за счёт увеличения периода растекания. Максимальный уровень наводнений рек снижается, а минимальный летний поток возрастает. Леса обычно гораздо более эффективны чем мелкая растительность, как утёсник обыкновенный и вереск, в предотвращении смыва почвы в открытые бассейны.

Чтобы защитить бассейн от заиления совсем не обязательно засаживать большие участки, наносы ила будут задерживаться, если высадить узкие лесополосы или если поддерживать естественную растительность вдоль берегов рек.

 Некоторые инженеры считают важным высаживать лесополосы по границам малых бассейнов, чтобы защитить берега от размывов, которые образуются в результате накатывающих волн. Лесонасаждения на значительных площадях больших речных бассейнов во многих случаях снизят заиление судоходных рек и устий.

Вопрос, которому уделяется недостаточно внимания в гидротехническом строительстве, это разумная высадка деревьев или сохранение леса на небольших участках. Узкая лесополоса у подножия склона задержит почву, смываемую дождями с холмов. Поддержание плотной растительности в низине узкой долины может снизить темпы ухода воды во время наводнений до полезного предела. Высадка подходящих деревьев по границам и чуть ниже склона поперёк дождевых наносов и влажных ветров обеспечит максимум желаемых результатов соразмерных с занимаемой территорией. Соответствующие деревья и кустарники, растущие на болотистых участках и вдоль границ, сдерживают наводнения и могут защитить от попадания большого количества ила с этих участков в реки во время ливневых дождей. Участки с рыхлой, культивируемой почвой, подверженные эрозии, можно защитить аналогичным образом. В общем, страна, которая в обычном смысле слов «хорошо покрыта лесом», с позиции инженера-гидротехника благоприятная страна; с этой точки зрения необходимо рассматривать возможные последствия предлагаемых методов сельскохозяйственной политики при разработке новых земель и при консультациях с инженерами-гидротехниками.

(Р.А. Ривз, «Руководство для инженера», 1936 г.)

6.1

ВВЕДЕНИЕ

В этой главе рассматриваются сложные взаимодействия между деревьями и поступающими энергиями радиации, осадков, ветров или газовой оболочки земли. Энергообменные процессы между деревьями и физической средой не поддаются точным измерениям, так как они меняются от часа к часу, а также зависят от структуры и возраста лесов, но мы можем изучать широкомасштабные эффекты.

Я очень хочу раскрыть и представить огромную значимость деревьев в биосфере. Мы должны порицать ненасытность тех, кто ради сиюминутной денежной наживы готов вырубать деревья на производство газет, упаковки и для других кратковременных целей. За вырубку лесов в конечном итоге мы расплачиваемся засухой, потерей воды, питательных веществ и засолением почвы. Эти расходы не учитываются безразличными коррупционными властями, потому обезлесивание повергло в бедноту целые народы. Данному процессу сопутствуют современные проблемы как кислотные дожди, плюс не учитываемые расходы на электричество или автотранспортные средства, что в конечном итоге неизбежно набегает такая сумма, что ни одна нация не способна оплатить восстановление затраченных ресурсов.

Капиталистические, коммунистические и развивающиеся страны все в равной степени придут к упадку при утрате лесов. Чисто политические или религиозные идеологии, не предусматривающие сохранение лесов, уготавливают собственное разрушение подобно раковым клеткам.

Не стоит обманываться пропагандируемыми обещаниями типа «за каждое срубленное дерево посадим дерево». Обменять 50 граммовый саженец на лесного гиганта в 50-100 тонн всё равно, что обменять слона на мышку. Никакая молодая посадка не может возместить энергетическую ценность зрелого леса, но даже эта лицемерная услуга опускается в лесном хозяйстве по методу «спилил и смылся», практикуемого в Бразилии и на островах Тихого океана.

Посадка деревьев может гарантировано увеличить местный уровень осадков, а также может помочь нам в восстановлении засоленных почв пустынь. И в литературе и в природе есть свидетельства того, что лесные массивы осуществляют интенсивный энергообмен со всей окружающей средой. Даже просто чтобы подойти к пониманию мы должны иметь дело с общей темой и её подтемами и попытаться понаблюдать за взаимодействием отдельного ливня или воздушного потока с лесом.

Молодой лес или отдельные деревья ведут себя не так как единая лесная система в зрелом возрасте, они могут быть менее устойчивы к морозам, ветру, засухе, засолению или менее теневыносливы в разном возрасте и в разные времена года. Но давайте хотя бы попытаемся увидеть, как воздействует лес на всё вокруг, взяв один аспект в один период времени. Хоть данный сегментированный подход ведёт к дальнейшему пониманию, мы должны помнить, что всё взаимосвязано, и один фактор влияет на все остальные части системы. Я никогда не рассматривал лес как сообщество растений и животных, а скорее как единый организм с различными клетками, органами и функциями. Сможет ли орхидея существовать без дерева, которое служит ему опорой или осы, которая опыляет её? Может ли лес расширить свои границы и занять луга без голубей, которые разносят ягоды с семенами, прорастающим благодаря им где угодно?

Деревья на земле выполняют функции конечных преобразователей и регуляторов поступающих энергий. В верхней части леса и внутри полога преобразуется множество энергий солнечного света, ветра и осадков для жизни и роста. Деревья не только создают, но и сохраняют почвы, прикрывают их от воздействия дождя, от иссушения солнцем и ветром. Если б мы только смогли осознать, что проделывают для нас деревья, насколько они благотворны для жизни на земле, то мы бы (как поступали многие племена) относились ко всем деревьям с большим почтением как к братьям и сёстрам.

В этой главе я надеюсь показать, что наше малознание фактически означает: без деревьев мы не можем жить и населять землю. Без деревьев у нас вскоре возникнут пустыни и наступит засуха, свидетельства этого прямо у нас перед глазами. Без деревьев прекратится формирование атмосферы, и системы поддержания жизни разрушатся.

6.2

БИОМАССА ДЕРЕВА

Деревья в широком смысле слова имеют несколько зон биомассы. Это ствол и крона (видимая часть дерева), детрит (Детрит - скопление растительных и животных остатков, обломков пород) и гумус (дерево на границе поверхности почвы), корни и корневые сообщества (подземная часть).

Как все живые существа деревья несколько раз отдают свою массу земле и воздуху, формируют почву, на которой они растут. Не только крона, но и корни отмирают, которые, разлагаясь, питают землю. Живое дерево зиждется на зоне распада органических веществ, большая часть которых перерабатывается, возрождается, перемещается или воплощается в виде трав, бактерий, грибов, насекомых, птиц и млекопитающих.

Многие из этих сопутствующих форм жизни тесно связаны с деревом и функционируют в качестве его составных частей. Когда голубая сойка, ворона-флейтист или белка прячут жёлудь (обычно они достают только 80% запасов в результате предусмотренной богом забывчивости), и действуют как поверенные дуба. Когда белки или кенгуру-валлаби разрывают колумеллу (колумелла - центральная стерильная часть спорогония у грибов) грибково корневых сообществ дерева, влекомые чесночным запахом, они проглатывают споры, активируют их при переваривании и возвращают обратно, тем самым поддерживают другие деревья или саженцы, преобразуя энергию.

Корневые грибы как посредники взаимодействуют с водой, почвой и атмосферой и перерабатывают клеточные питательные вещества для дерева, в то время как миллиарды насекомых выполняют летнюю подрезку, перерабатывают излишние листья и активируют важные почвенные бактерии, чтобы дерево могло использовать циркулирующие питательные вещества. Дождь из экскрементов насекомых может быть очень важным для здоровья леса и прерий.

Какая часть этого сообщества дерево? Которая из них составляет основу системы? Австралийские аборигены могут дать всему «имя оболочки», так что определённый куст, пожар, после которого он всходит, и валлаби, питающиеся ими, все они называются «вару», хотя каждая часть имеет своё название. Гавайцы дают имя каждой части таро, начиная от росточка до корневых утолщений и рубчиков.

Человек, который может подразделить массив дерева на минералы, растения, животные, детрит и жизнь прямо таки умник! Такое разделение для слабоумных: дерево можно рассматривать только как общую целостность, которая, как и мы, взаимосвязана со всем вокруг. Животные это посланники дерева, а дикорастущие и посаженные человеком деревья – посланники животных. Жизнь зависит от жизни других. Все стихии, все элементы, все жизненные формы составляют биомассу дерева.

Большое дерево имеет от 10 000 до 100 000 точек активного роста или МЕРИСТЕМ и каждая способна на индивидуальные мутации. В отличие от млекопитающих деревья производят свои семена с помощью многочисленных цветов. Всё более становится очевидным, что любая основная ветка может быть генетически «уникальной». Некоторые лиственные тополя могут произвести одну вечнозелёную ветку. Отсутствие семян в плодах или определённый период созревания могут быть характерны для конкретной ветки. Черенки и привои сохраняют эти уникальные характеристики, поэтому мы должны рассматривать дерево как собрание генетически совместимых составных частей, каждая с набором постоянных характеристик, которые могут отличаться на разных участках дерева и каждая может по-разному реагировать на поступающую энергию и другие раздражители. Так же как и мы, деревья это совместное объединение многих отдельных элементов; некоторые из них это тело дерева, но большая часть – свободно перемещающиеся посредники. Судя по нашим небольшим знаниям о деревьях на сегодняшний день, они являются проявлением комплексной целостности всех жизненных форм.

6.3

ВЕТРОВЫЕ ЭФФЕКТЫ

Вогель (1981 г.) отмечает, что с ростом скорости ветра, листья и ветви дерева деформируются, так, что дерево постоянно сокращает размеры листьев, подверженные воздействию ветра. В период очень сильных ветров (свыше 32 м/с) улавливание света, продуктивное использование воды, рассеивание конвективной теплоты, всё это отходит на второй план при выживании.

Вогель также отмечает, что очень массивные и крепкие деревья широко простирают свою корневую сеть, и могут полностью полагаться только на собственный вес при сильных ветрах, без какой-либо дополнительной опоры, за исключением основной, которая оберегает от перекоса, в то время как корни других деревьев извиваясь проникают глубоко в землю по расщелинам, которые в буквальном смысле служат якорем в земле.

Лесные деревья сгибаются и покачиваются, каждый вид имеет свою собственную амплитуду. У дерева имеются специальные древесные клетки, созданные для того, чтобы переносить натяжение и сжатие, деревья на краю леса толстые и крепкие. Если мы обвяжем дерево посреди ствола, то ниже места перевязки оно прекратит утолщаться и будет расти в диаметре выше этого места. Некоторые листья сворачиваются и выгибают белую часть листа, подставляя её ветру, таким образом, отражая световую энергию и заменяя её на кинетическую или ветровую энергию. В большинстве случаев эти заметно светлые листья обнаруживаются на деревьях, растущих по краю леса и отсутствуют или довольно редки для деревьев внутри леса.

Поскольку линии воздушных потоков сходятся над деревьями и холмами, скорость воздуха возрастает. Плотность и теплота возрастают, что приводит к быстрому образованию воздуха низкого давления. С подветренной стороны преграды эти воздушные потоки расходятся, в результате чего могут возникнуть области замедленных потоков, более высокого давления и холодного воздуха. Даже если выпал дождь в результате компрессии воздушных потоков, при испарении воздуха выделяется скрытое тепло и этот более сухой воздух может быть теплее воздушных масс, возвышающихся над препятствием. Перепады давления, вызванные подъёмом или снижением воздушных масс, могут оказывать влияние на процесс испарения, так же как и иссушающий ветер или тепло.

Помимо влаги ветер может переносить ещё и увесистые частички льда, пыли или песка. Прибрежные деревья (пальмы, сосны и казуарины) имеют прочный ствол или толстую кору, для того чтобы выдержать порывы ветра с различными частицами. Даже группы многолетних трав замедляют ветер и способствуют оседанию пыли. По краю леса и вдоль побережий у деревьев могут создаваться наносы из разносимых частичек в пределах полога. Лес очищает воздушные потоки от мелких частичек пыли и промышленных аэрозолей на расстоянии нескольких сотен метров.

Леса обеспечивают питательную сеть веществ, разносимых ветром или собранных птицами, которые питаются на границах леса. Мигрирующий лосось погибает в верхних водах рек после нереста, и тысячи тонн рыбных останков переносятся птицами и другими хищниками в леса вокруг этих рек. Являясь источниками питательных веществ, деревья также разрывают горные породы и проникают в почву с целью получения минеральных веществ.

Воздействие ветра на деревья оценивается по  шкале Григгса и Путнама (Таблица 6.1), сопутствующим деформациям формы кроны и роста дерева (определяемым по стволу) присваивается свой индекс, соответствующий скорости ветра с точностью до 17%.

Такая шкала и полевые индикаторы очень полезны в дизайне. Когда мы идём на любой участок, мы можем оценить состояние старых деревьев, которые являются хорошим индикатором воздействия ветров. Деревья указывают местное направление ветров и их интенсивность, согласно этим индикаторам мы можем высаживать ветроломы, чтобы сократить потери тепла в домах, избежать ущерба от катастрофически сильных ветров и направить ветер в правильно размещённые ветрогенераторы.

6.4

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ

ИСПАРЕНИЕ вызывает местную потерю тепла, а КОНДЕНСАЦИЯ – местное накопление тепла. В книге года о деревьях министерства сельского хозяйства США говорится следующее об эффектах испарения деревьев: «Обычный вяз среднего размера испаряет 6 750 кг воды в ясный жаркий день» и «Эвапотранспирация (в 100 см дождевых осадков) обычно не меньше 38 см в год».

Таким образом, при дневном испарении с деревьев воздух охлаждается в жаркую погоду, в то время как при ночной конденсации атмосферная вода согревает окружающий воздух. Влага не сможет сконденсироваться, если не будет поверхности куда конденсироваться. Листья обеспечивают эту поверхность. Поверхность листьев вероятнее будет прохладней чем что-либо другое вечером из-за дневного испарения, происходящего через устьицы листьев. Поскольку воздух тоже поднимается над деревьями, возникает некий холодный восходящий поток, объединение этих двух процессов обеспечивает конденсацию влаги на лес. Мы обнаружили, что листья на 26% состоят из воды, и имеют двойную удельную теплоту почвы, они прохладнее почвы днём, и теплее ночью. Температура растений где-то на 15 С° выше чем температура окружающего воздуха.

Небольшие открытые водохранилища или густорастущие деревья, защищающие дом от ветров, создают благоприятный микроклимат. Воздух, проходящий над открытым водоёмом, охлаждается летом, а зимой нагревается и насыщается дополнительной влагой. Но захват воды деревьями может оказывать и иссушающий эффект в жарких и влажно тропических зонах, поскольку деревья способны снижать влажность посредством прямого поглощения за исключением самых экстремальных условий.

Красноватые листья, появляющиеся на некоторых лианах или кустах, отражают главным образом лучи красного цвета. Резкие понижения температуры могут вызвать появление красной листвы в пограничной области тени и солнца, температура зелёных растений может быть на 20 Сº ниже (Добенмайр, 1974 г.). Беловатые растения, такие как полынь и берёза отражают 85% поступающего света, в то время как тёмные листья растений, находящихся в тени, могут отражать только 2%. Отсюда следует, что лианы, покрывающие крыши, со светлой или красной листвой могут эффективно снижать температуру зданий или шпалерных систем летом. Установка систем водораспыления и мульча под шпалерами может обеспечить дополнительное охлаждение, таким образом, при испарении создаётся прохладная область плотного воздуха. Этот эффект можно очень полезным образом использовать для понижения высокой температуры зданий летом, и для обеспечения источников прохладного воздуха, который естественным образом затягивается в систему сквозного вентилирования. 

6.5

ДЕРЕВЬЯ И ОСАДКИ

Деревья помогли сформировать наши почвы и атмосферу. Первое посредством механического (корневое давление) и химического (гуминовые кислоты - сложная смесь пририродных органических соединений, образующихся при разложении отмерших растений и их гумификации (биохимического превращения продуктов разложения органических остатков в гумус при участии микроорганизмов, влаги и кислорода атмосферы). Гуминовые кислоты влияют на органолептические свойства воды (запах, цвет), ускоряют коррозию металла, оказывают отрицательное влияние на развитие водных микроорганизмов, влияют на химический состав воды (снижают содержание кислорода, влияют на ионные и фазовые равновесия) разрушения горных пород, они активируют жизненные процессы, такие как образование гумуса и разложение веществ миллиардами сапрофитов. Второе посредством газового обмена формируют и поддерживают кислородную атмосферу и круговорот воды, жизненно необходимого для всего живого на Земле.

Формирование атмосферы это результат реактивных процессов, леса могут выполняют около 80% работы, остальная часть приходится на океанический или водный обмен. Во многих городах и территориях лишённых леса, как например Греция, больше не производится кислород, который там потребляется.

Основное влияние деревьев на процессы испарения воды и воздушные потоки:

· Компрессия воздушных потоков и возникающая в результате турбуленция в воздушном потоке;

· Явление конденсации, особенно ночью; повторное увлажнение за счёт трансформации воды в газообразное состояние;

· Снег и эффекты таяния; и

· Обеспечение ядер дождевых капель.

В свою очередь мы можем использовать каждый из этих эффектов (осознавая, что они также взаимодействуют).

ЭФФЕКТЫ КОМПРЕССИИ И ТУРБУЛЕНЦИИ

Воздушные потоки проходят через лес. Потоки, сталкивающиеся с границей леса, частично отражаются от него (около 60% воздуха) и частично поглощаются деревьями (около 40% воздуха). В пределах 1000 метров воздух, содержащий в себе тонны воды и пыли, поступает в лес и останавливается там. Лес поглотил эти колоссальные энергии, в результате чего воздух едва ощутимо нагревается внутри леса, и повышается общая влажность среди деревьев (в среднем на 15-18% выше чем в окружающем воздухе), и в этом воздухе не обнаруживается пыль.

Под пологом леса, негативные ионы, производимые в ходе жизненных процессов, вызывают слипание частичек пыли (++) и их рассредоточенное оседание на земле.

По краю леса широкоствольные и ветроустойчивые деревья защищают от ветров на фронтовой линии. Если мы спилим ветроустойчивые деревья по краю леса и устраним эту защиту, то ветра с частицами соли, пыли или простые ветра могут уничтожить или повалить менее устойчивые виды деревьев с более хрупкими стволами внутри леса. Это довольно распространённое наблюдаемое явление, которое я называю «нарушение границ». В качестве меры противодействия мы можем высадить крепкие, устойчивые деревья типа ветроломов, чтобы защитить находящиеся по ветру насаждения. Поэтому мы должны помнить, что деревья на границе леса обеспечивают неотъемлемую и постоянную защиту, и их никогда нельзя спиливать или устранять.

Если сухой горячий воздух поступает в лес, то в тени он охлаждается и насыщается влагой. Если холодный и влажный воздух поступает в лес, то он нагревается, осушается и медленно выпускается через кроны деревьев. Мы можем видеть, как этот тёплый влажный воздух поднимается над лесом в виде туманных спиралей. Леса преобразуют температуру и влажность крайних степеней до оптимального уровня, благоприятного для жизни. 

Ветра, отклонённые лесом, вызывают компрессию в воздушных потоках, эффект распространяется на высоту в 20 раз большую чем высота дерева, так что деревья в пределах высоты 12 м вызывают компрессию воздуха в 244 м над ними, соответственно увеличивают испарение воды на единице объёма, а также охлаждают восходящий воздушный поток. Оба этих процесса способствуют дождю. 

Поскольку эти эффекты происходят по КРАЮ леса, отдельная зелёная изгородь с 40% проницаемостью вызовет аналогичную компрессию. На ровной местности особенно на пути береговых ветров размещение мелкой сетки дождемеров в таких странах как Голландия и Швеция позволило обнаружить, что 40% дождей замеряемых с подветренной стороны деревьев и холмов высотой 12 м и более были вызваны данным процессом компрессии. Если скорость ветра выше (32 км/ч или более), то воздушные потоки могут сохраняться и дождь выпадает перпендикулярно ветровой преграде. Но при более низкой скорости ветра (обычные ветра) происходит турбуленция и завихрение.

Поток ветра над зелёной изгородью или над краем леса описывает путь спирали с  58 повторяющимися завитками по ветру, так что в атмосфере образуется ряд фронтов сжатия на этот раз параллельных ветровой преграде. Это явление впервые было описано Экманом относительно формирования фронтов сжатия над волнами в море. Спирали Экмана над деревьями или отвесными берегами могут привести к образованию упорядоченной серии облаков, очень часто стройных рядов. Они не идеально ровные вначале, но отражаются от препятствия и под воздействием силы Кориолиса (Си́ла Кориоли́са — одна из сил инерции, существующая в неинерциальной системе отсчёта из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения) направление ветра меняется, так что ветер прошедший через живую изгородь может отклониться на 5-15° от первоначального курса. (Можете представить, что ряды зелёной изгороди, высаженные для того чтобы воспользоваться этим эффектом, могут привести к круговому ветру вдоль большой наземной спирали.)

Ветра на море и впрямь формируют большие круги и приносят циклонические дожди на западные океанические побережья всех континентов. Сами эти циклоны создают фронты тёплого и холодного воздуха, и способствуют формированию дождя. В итоге зелёные изгороди поперёк ветровых систем оказывают очень большое влияние на воздушные потоки, проходящие над ними, как следствие влияют на местный климат и выпадение дождей.

ЯВЛЕНИЕ КОНДЕНСАЦИИ

На морских побережьях островов и континентов поверхность земли относительно более тёплая, в результате к вечеру образуются медленные воздушные потоки на берегу, во многих областях более холодный насыщенный влагой воздух течёт к берегу.

Там, где влажный воздух протекает над быстро охлаждающимися поверхностями стекла, металла, камней или над тонкими пластинами листьев, происходит конденсация и формируются капельки воды. На листьях этому могут сильно поспособствовать колонии бактерий (Pseudomanas), которые также служат в качестве ядер для ледяных кристаллов, оседающих на листьях.

Эти насыщенные влагой воздушные потоки вызывают появление мхов и лишайников на камнях, образованных свежими базальтовыми потоками, но что более важно, они конденсируются на деревьях и создают обильную росу, которая в таких условиях может гораздо превзойти дождевые осадки. Конденсат в виде росы может быть высок настолько, что составлять 80-86% от общей суммы осадков на горных склонах островов или на морских побережьях и фактически производит густые дождевые леса Тасмании, Чили, Гавайских островов, Вашингтона/ штата Орегон и Скандинавии. Благодаря этому возникли секвойные леса Калифорнии и лавровые леса донормандских Канарских островов (теперь это аридная зона из-за практически полной вырубки леса испанцами).

Одиночное дерево как гигантский Тиль (Ocotea foetens) может представлять 16 Га ровной поверхности листьев для морского воздуха, на одном гектаре может быть около 100 таких деревьев, таким образом, деревья чрезвычайно увеличивают поверхность для осуществления конденсации. Чем выше деревья, как например леса из гигантских секвой и белых канадских сосен, тем больший объём влажного воздуха перехватывается, вследствие чего выпадает больше осадков.

Все типы деревьев действуют как конденсаторы; примеры - сосны Канарские, лавровые деревья, дубы падуболистные, секвойи, эвкалипты и лжетсуги тиссолистные. Вечнозелёные деревья действуют весь год, но даже лиственные могут улавливать влагу зимой. Кто не стоял под огромным деревом, с которого идёт продолжительный «мягкий дождь» в ясный безоблачный вечер? В некоторых садах, устроенных в таких условиях, потихоньку улавливается собственная вода, в то время как соседние страдают от засухи.

Эффекты конденсации деревьев могут быть очень быстро сведены на нет. Вырубка лесов вызывает высыхание рек, болот, мелководий и распространение засухи. Всё это может произойти в течение жизни одного человека. Выпадение осадков из чистого воздуха гораздо меньше чем из тумана, при котором выпадение осадков в виде конденсата часто превышает уровень осадков от местных дождей. Адвективные туманы (Адвективные туманы — образуются вследствие охлаждения тёплого влажного воздуха при его движении над более холодной поверхностью суши или воды. Их интенсивность зависит от разности температур между воздухом и подстилающей поверхностью и от влагосодержания воздуха.) наиболее заметны, когда холодные течения, такие как Ойя-Сио вдоль берегов Восточной Азии и Лабрадорское течение вдоль берегов северо-восточной Америки вызывают образование влажных береговых воздушных потоков весной и летом. На побережьях, обращённых на юг, около острова Ньюфаундленд 158 туманных дней в году. Везде, где горы или их подножия подвержены ветрам, направленным к берегу, конденсация туманов, вероятно, превосходит осадки, выпадающие в виде дождей. Согласно измерениям конденсация туманов составляет 130-330 см на Столовой горе (южная Африка) и на острове Ланаи (Гавайи), в обоих случаях конденсация превосходит дожди. Секвойные леса в Калифорнии были некогда ограничены туманным поясом, но они будут хорошо расти в областях с большим количеством дождей без туманов (Чанг, 1968 г.). В Швеции «…покрытые лесом горы, поднимающиеся на 3050 м над окружающими равнинами, могут вызвать выпадение осадков (только дождь) в период циклонов (фронтов), которые на 50-80% выше по сравнению со средним уровнем дождей на равнине.» Во многих странах, однако, дождемерная сеть слишком груба, чтобы выявить такие небольшие вариации (Хорлей и Берри, 1971 г.).

ПОВТОРНОЕ УВЛАЖНЕНИЕ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ

Если дождь идёт снова и снова, то облака, перемещающиеся над сушей, в основном несут воду, испарённую лесами, и меньше воду, испарившуюся с моря. Леса образуют облака из водяного пара, испаряющегося с листьев за день и транспирируемой воды в ходе жизненных процессов. На гористых островах, на вершинах покрытых лесом держится шапка из облаков, но если леса срубить, то она исчезнет. Огромное облако-мост от лесов Мауи до острова Кахоолаве, о котором ещё помнят отцы нынешних гавайских жителей, исчезло, так как верхние леса были уничтожены при вырубке и выпасе скота на острове Мауи и Кахоолаве лишился облачной шапки, и нижний остров обнажился лучам солнца. Вместе с облаком исчезли леса, высохли реки, и теперь Кахоолаве настоящий пустынный остров, который используется сейчас как полигон для бомбометания воздушными силами США.

Крупное вечнозелёное дерево как эвкалипт Eucaliptus Globulus может выкачивать 3600-4500 л в день, что равнозначно осушению Помтинских болот в Италии Муссолини. С помощью шестидесяти таких деревьев или около того на гектаре десятки тысяч литров воды возвращаются в воздух и превращаются в облака.

Лес способен вернуть (в отличие от моря) 75% своей воды в воздух «в достаточно большом количестве, чтобы сформировались новые дождевые облака.» [Бейард Вебстер «Влияние лесов на погоду, задокументированное в долине реки Амазонки», газета Нью-Йорк Таймс (раздел науки), 5 июля 1983 г.]. Покрытые лесом территории возвращают влагу в десять раз больше чем оголённые земли и в два раза больше чем луга. Фактически, что касается самой атмосферы, «вода, высвобождаемая через деревья и другие растения составляет половину или более от всей влаги, возвращаемой в воздух.» (Вебстер, тот же источник). Это очень важное открытие даёт ещё больше сведений о взаимосвязи между опустыниванием и обезлесиванием.

Эти данные не может игнорировать никакое правительство. Засуха в одной области может напрямую повлиять на обезлесивание со стороны ветра. Это исследование «ясно показывает, что природная растительность играет важную роль в формировании погодных паттернов» (цитата Томаса И. Лавджоя, вице-президента Научного фонда, Всемирного фонда дикой природы).

Облака формируются над лесами, такие облака это смешение океанического и лесного водяного пара, ясно различимые при тщательном анализе изотопов. Пар, испаряющийся над лесом, содержит больше органических ядер и растительных питательных веществ чем «чисто» океаническая вода. Измеряются кислородные изотопы, для того чтобы определить тот вклад, который могут внести леса в формирование любой системы облаков. Из 75% воды, возвращаемой деревьями в воздух, 25% испаряется с поверхности листьев, 50% транспирируется. Оставшиеся 25% дождевой воды просачиваются в почву и достигают рек. Река Амазонка выводит 44% воды от всех выпадающих дождей, таким образом, оставшаяся часть либо остаётся в лесу, либо обратно возвращается в воздух. Более того, над лесами влаги, выпадающей в виде дождей в два раза больше чем та влага, которая доступна из поступающего воздуха, таким образом, леса постоянно перерабатывают воду в воздух и дождь, производя 50% собственного дождя (Вебстер, тот же источник). Эти открытия навсегда развенчивают миф о том, деревья и погода не взаимосвязаны.

Вогель (1981 г.) применяя «принцип проводимости» жидкостей к дереву, вычислил, что соки могут подняться в молодом дубе в сорок раз быстрее, чем идёт испарение с листьев (требуется только 7% общей площади ствола в качестве проводной ткани при скорости движения сока 1 см/сек.). Таким образом, определённо, что только где-то одна пятидесятая ксилемы проводит сок наверх в любой момент времени, а большая часть клеток ксилемы содержит либо воздух, либо сок, которые находятся в состоянии покоя. Возможно также, что дерево перемещает воду вверх в импульсном режиме, а не в общем или постоянном струйном потоке.

При таком быстром сокодвижении, мы, всё же, можем легко представить, как большое дерево или заросли из меньших деревьев перерабатывают и испаряют воду в атмосферу.

Меня удивляет то, как у нас ещё осталась хоть какая-то вода и почва, после того как мы вырубили леса. Существуют десятки случаев такого истощения водных ресурсов современных и стародавних времён, как например на Канарских островах, после чего последовало обезлесивание, где некогда текли реки и били источники. Стратегии дизайна очевидны: в срочном порядке сохранять оставшиеся леса и сажать деревья, чтобы увеличить конденсацию на склонах гор, обращённых к морю.   

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СНЕГ И ТАЛУЮ ВОДУ

Хотя деревья задерживают некоторую часть снега, их воздействие заключается в улавливании снега по краям групп деревьев и кустарников, они удерживают 75-95% выпавшего снега в тени. Таяние задерживается на 210 дней по сравнению с открытой землёй, таким образом, таяние снега происходит постепенно. Снег, задержанный деревьями по большей части впоследствии тает, в то время как на открытом участке его может поднять в воздух. Таким образом, благотворное влияние деревьев на высокогорных склонах не ограничивается только побережьями во влажных зонах. В гористой местности в зонах холодного климата, как например, на внутренней территории США или в Турции около горы Арарат тонкая пелена зимнего снега либо сдувается с голых гор и тает в более тёплом воздухе или тут же превращаются в водяной пар под ярким зимним солнцем. Ни в том ни в другом случае снег после таяния не попадает в подземные воды, а лишь исчезает безполезным образом, и до нижних склонов не доходят потоки воды.

Даже тонкий пояс из деревьев улавливает большие количества перемещаемого снега. В результате мы имеем продолжительное поступление талой воды в высокогорные источники и потоки рек на нижних высотах. Когда леса были вырублены для получения шахтного лесоматериала в 1846 году на озере Пирамид, штат Невада, перестали течь реки, а уровень озёр упал. Плюс к этому отвод рек и ирригация, привели к тому, что озёра с некогда богатой фауной, рыбой и водными птицами превратились в пыльный котёл, как озеро Виннемукка. Индейцы куйюдика (пайюты), которые живут там, лишились рыбы, водоплавающих птиц и пресной воды меньше чем за 100 лет. Ковбои одержали победу на день, но при этом разрушили будущее.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЯДЕР ДЛЯ ДОЖДЯ

Восходящие спирали влажного воздуха, идущие от леса, несут вверх насекомых, пыльцу и бактерии. Они лучше всего просматриваются, когда чайки, стрижи и ибисы парят по спирали вместе с тёплым воздухом и ловят насекомых, поднимаемых с леса; в их зобе содержатся остатки насекомых. Именно эти органические воздушные частицы (главным образом пыльца, листовая пыль и бактерии) создают ядра для дождя.

Ливни с градом, которые являются бедствием для чайных плантаций в Кении вполне могут быть вызваны чайной пылью, поднимаемой ногами собирающих и разносимой ветром. «Раз поднявшись в воздух, частицы легко попадают в грозовые фронты и способствуют формированию дождей с градом, которые бомбардируют территории, с растущим чаем  в поражающем количестве… Кенийский органический опад чайной листвы вызвал замерзание воды в тестовой камере всего лишь при температуре -5°С, для сравнения точки замерзания -11 °С для листового опада эвкалиптового леса, и -8°С для опада местных девственных лесов» (штата Колорадо). То есть чайный листовой опад «это гораздо лучший реагент для засева облаков чем иодид серебра, который требует температуры от -8°С до -10°С.» (Нью Сайентист, 22 марта 1979 г.). Таким образом, вещества, обеспечиваемые растительностью, могут служить решающим фактором в выпадении дождей внутри континента благодаря лесам.

Все эти факторы достаточно ясные, чтобы их понял любой человек. Сомневаться во взаимосвязи лесов и круговорота воды это всё равно что, сомневаться в том, что из груди матери течёт молоко, это аналогия с водой племенных людей. Деревья были «волосами земли», которые улавливали туманы и благодаря которым текли реки. Такие метафоры это ясные аллегоричные указатели к разумному поведению, руководствуясь которыми гавайцы (которые сами недавно вызвали экологические катастрофы) наложили «табу» на вырубку лесов и даже на прокладку дорог через горные склоны и отнесли горные деревья к священной или защитной категории. Теперь мы начинаем понимать, что лежит в основе этих верований, и можем сами рассматривать деревья как наших незаменимых друзей, которые дают нам всё необходимое в жизни и заслуживают нашей заботы и уважения.

В зависимости от того, какие мы стратегии применим на участке, у нас будет или недостаток или изобилие воды. Для начала мы должны исследовать, каким образом мы можем увеличить осадки на местном уровне. За исключением случаев, когда в воздухе и на земле вокруг нас (всегда где-нибудь да есть) совершенно нет воды, мы можем увеличить количество воды на участке. Вот некоторые основные стратегии улавливания воды из воздуха:

· Мы можем охладить воздух с помощью тени или обеспечив прохладные поверхности, вдоль которых будет течь воздух, используя деревья и кусты или металлические и стеклянные поверхности.

· Мы можем охладить воздух, стимулируя его подъём на большую высоту с помощью ветроломов или восходящих потоков от нагретых или голых поверхностей (большие забетонированные площади), или с помощью механических средств (большие промышленные вентиляторы).

· Мы можем обеспечить ядра конденсации, на которых формируются дождевые капли, это пыльца, бактерии и органические частицы.

· Мы можем сжать воздух, чтобы увеличить количество воды на единицу объёма воздуха, вызывая сжимание линий потоков над деревьями и объектами или турбулентность в воздушных потоках (спирали Экмана).

Если посредством любой стратегии мы сможем охладить воздух и обеспечить подходящие поверхности конденсации или ядра, то мы можем увеличить выпадение осадков на местном уровне. Деревья, особенно поперечные ветру полосы из высоких деревьев, соответствуют всем этим критериям в одной интегрированной системе. Они также сохраняют воду, оказывая влияние на местные климатические изменения. Таким образом, мы совершенно определённо рассматриваем деревья в качестве стратегии для создания большего количества воды для местного пользования.

Подведём итог, нам не стоит полагать, что «дождь» зависит только от общей суммы местных выпавших осадков, особенно если мы живём в пределах 30-100 км от побережья (как это делается в мире в большинстве случаев), и нам не стоит воспринимать общую сумму осадков как то, что нельзя изменить (в обоих направлениях) с помощью наших действий и дизайна участка.   

6.6

КАК ДЕРЕВО ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ С ДОЖДЁМ

Во время дождя тонны воды могут оказать влияние на землю где-то за один час. На оголённых почвах и на землях с редкими или культивируемыми растениями под ударом капель вымывается почва, обычно может вымыть 80 т/Га или до одной тысячи тонн при экстремальных ливнях. Когда почва оголена, мы теряем землю.

В результате стока воды и открытого испарения, составляющие 80-90% от всех дождей выпадающих в Австралии, питательные вещества и ил уносятся в море или во внутренние бассейны. Когда мы лишаем землю растительности, сток воды возрастает, на какое-то время это может радовать людей, когда они видят, как их плотины очень быстро наполняются. Но плотины в дальнейшем забиваются илом и реки фактически перестают течь, а вырубка лесов приводит к наводнениям и засухам, к недолго регулируемой и постоянной поставке чистой воды извне.

Когда дождь идёт над лесом, запускается комплексный процесс. Во-первых, полог деревьев укрывает и обнуляет ударный эффект дождевых капель, обращая дождь в тонкий туман под пологом даже при самых проливных дождях. В зрелых лесах бывает слабая утрата ила, вызванная большим скоплением выработанной лесом почвы.

Если дождь слабый, то малая часть его проникает через полог, но плёнка воды распространяется поверх листьев и стволов, и улавливается ими посредством поверхностного натяжения. Клетки дерева поглощают то, что им необходимо, а оставшаяся часть испаряется в воздух. Там, где дождь не проникает сквозь полог этот эффект называется «общий перехват». ПЕРЕХВАТ это количество дождя, выловленное кронами деревьев. Это самое важное первостепенное воздействие деревьев или лесов на дождь. Степень перехвата, прежде всего, зависит от следующих факторов:

· Высота кроны;

· Плотность кроны;

· Время года;

· Интенсивность дождя; и

· Испарение после дождя;

В общем, перехват обычно составляет 10-15% от общего дождя. Наименьший перехват происходит в разреженных и лиственных лесах, во время зимних дождей, сильных ливней и в условиях облачной погоды, когда он составляет всего лишь 10% от дождя. Наибольший перехват происходит в густом вечнозеленом лесу при лёгком летнем дождике в солнечную погоду, когда он может достигнуть 100%.

Однако, если выпадает больше дождей или сильный дождь воздействует на деревья, то вода начинает достигать земли в виде тумана или капель. Эта вода называется СКВОЗНЫЕ ОСАДКИ. Сквозные осадки зависят от интенсивности дождя, при сильных ливнях происходит очень маленький перехват. В среднем сквозные осадки составляют 85% от дождя в зонах влажного климата.

С этой точки зрения, сквозные осадки это ни что иное, как дождевая вода, дождевая вода это больше чем вода в ванной; сквозные осадки содержат растительные клетки и питательные вещества, и фактически представляют собой более насыщенный напиток чем просто дождевая вода.   В воде сквозных осадков содержатся растворённые соли, органические вещества, пыль, выделения растений (Таблица 6.2). «Результаты показывают, что дождь смывает большое количество калия и малое количество азота, фосфора, кальция и магния с полога и приносит их на поверхность почвы. Опад дополнительно вносит органические вещества и является богатым источником кальция и азота и небольшим источником магния и калия» (Д.С. Мюррей и А. Митчелл «Эвкалипт приречный и баланс питательных веществ», Отдел по сохранению почвы, штат Виктория, Австралия, без даты).

Сквозные осадки нельзя измерить с помощью дождемеров, так как у деревьев часто имеются специальные рецепторы, каналы и хранилища для такой воды. Случайно выпавший дождь преобразуется в правильно направленные паттерны потоков, которые обеспечивают потребности и рост леса. В основании ствола пальм, бананов и многих эпифитов или в ребристых корнях деревьев терминалии Terminalia и фиников вода скапливается в воздушных резервуарах, которые часто полны тины и комаров. Наствольные мхи и эпифиты много раз поглощают основную массу воды, а само дерево направляет воду с помощью наклонных веток и трещиноватой коры к стержневым корням, пауки улавливают свою долю воды на паутине, и грибы поглощают её в необходимом им количестве. Некоторые деревья имеют плакучие ветви, чтобы направить сквозные осадки к мочковатым, периферийным корням. 

Наполнив воздушные резервуары, сквозные осадки поступают в гумусовый уровень леса, который сам может поглощать 1 см дождя на каждых 3 см глубины. В старых буковых лесах гумусовый слой толщиной как минимум 40 см, нижняя земля это масса грибницы. В нетронутых дождевых лесах глубокие мхи могут ковром покрывать лесную землю. Таким образом, на глубине 30-40 см сквозные осадки поглощаются сапрофитами и живыми системами гумусового слоя. Снова состав воды меняется, которая вобрала гумусовые выделения, вода с густых лесов и болот может стать прозрачного золотого цвета, как чай.

pH может снизиться до 3,5 или 4,0 под воздействием природных гумусовых слоёв, реки, обретая прозрачный кофейный цвет, впадают в море. Ниже слоя гумуса находятся корни деревьев, каждый окутан сетью грибницы и гелем, выделяемым колониями бактерий. 30-40% массы дерева находится в почве; большая его часть простирается на многие акры (1 акр = 40 соток, «на многие акры» в русском эквиваленте это сколько будет? Я затрудняюсь перевести, «на несколько гектаров»?), с тысячами километров корневых волосков, образующих дернину в верхних 60 см почвы (только 10-12% корневой массы находится глубже, но остальная часть корней проникает на глубину до 40 м нижних горных пород.

Дерниной активно поглощается раствор, в который превратилась вода, и деревом переносится снова вверх, откуда испаряется в воздух. Корни некоторых засухоустойчивых растений образуют влажную почву вокруг и могут хранить излишки воды в земле в период дневного использования; эта вода удерживается в корневых сообществах в виде геля. Центрозема Centrosema и гледичия Gleditsia это древесные бобовые, произрастающие в засушливых землях, которые имеют «влажные» корневые зоны, согласно отчётам другие растения делают тоже самое в пустынных почвах (вид Прозопис/Prosopis).

Частички почвы вокруг дерева теперь увлажнены поверхностным слоем воды, как были увлажнены листья и корневые волоски. Эта захваченная вода формирует слой доступный корням, которые могут опустить воду вниз с давлением на уровне 15 атмосфер, где почва удерживает последний тонкий слой. После полного насыщения почвы влагой (по «влагоёмкости»), остальная часть воды проходит сквозь промежуточные пространства почвы и начинает медленно двигаться к рекам, а от них к морю.

В любое время деревья могут перехватывать влагу и использовать эти подземные запасы для роста и перекачивать воду снова в воздух. Если мы представим видимый лес (над землёй) в виде воды (почти около 5-10% этой массы – вода), а затем представим воду, содержащуюся в почве, гумусе и корнях, то осознаем, что леса представляют собой огромные озёра активно используемой и активно перерабатываемой воды. Никакая другая система хранения не сравнится по благотворности или результатам в виде такого большого полезного роста, хотя довольно мелкие пруды также ценная часть продуктивного ландшафта.

В кроне деревьев дождевые капли, обладающие ударной силой, разбиваются и рассыпаются, часто обращаясь в туман или собираясь в маленькие струйки, стекающие по желобкам коры, таким образом, вода достигает земли, лишившись  кинетической энергии, которая разрушает почвенный покров за пределами лесов. Следующее препятствие возникает на поверхности лесной почвы, где корни, опад, бурелом и листья перенаправляют, замедляют и собирают воду.

Таким образом, в лесу почвенный слой обладает всеми возможностями, чтобы служить в качестве основного хранилища. Поскольку даже бедные почвы хранят воду, то сама почва имеет огромный потенциал для хранения воды. ИНФИЛЬТРАЦИЯ к этому хранилищу вдоль корней и через листовой опад максимально увеличивается в лесу. Почва имеет несколько хранилищ:

· УДЕРЖИВАЮЩЕЕ ХРАНИЛИЩЕ: слой воды, связанный частицами почвы, удерживаемый поверхностным натяжением.

· ПОРИСТОЕ ХРАНИЛИЩЕ: пустоты между частичками почвы, заполненные водой.

· ГУМУСОВОЕ ХРАНИЛИЩЕ: набухающий микоризный и пористый детрит в гумусе почвы.

Меньшее хранилище это химически связанная вода в сочетании с минеральными веществами в почве.

В общем, 2,5-7 см дождя хранится в пределах 30 см почвенного слоя в удерживающем хранилище, хотя почвы мелкозернистой текстуры и с высоким содержанием органики могут хранить 10-30 см дождя на глубине до 30 см. Дополнительно 0-5 см может содержаться в пористом хранилище.