Влияние растительности на физические процессы в атмосфере
Растительность играет критическую роль в формировании радиационного баланса на поверхности Земли. Различные типы растительных покровов обладают различным альбедо — способностью отражать солнечную радиацию. Например, травянистые степи и пастбища отражают больше солнечного излучения (альбедо ~0.2–0.25), чем густые леса (альбедо ~0.1–0.15). Это различие влияет на величину поглощённого коротковолнового излучения, тем самым регулируя прогревание подстилающей поверхности и нижних слоёв атмосферы.
Особое значение имеет сезонная изменчивость альбедо в районах с лиственными лесами. Летом, при полном листовом покрытии, альбедо минимально, тогда как осенью и зимой при отсутствии листьев увеличивается, что меняет локальный тепловой режим.
Растительность активно участвует в энергообмене между поверхностью и атмосферой, влияя на соотношение между чувствительным (sensible) и скрытым (latent) теплом. Зелёные растения испаряют значительные объёмы воды через транспирацию, что увеличивает поток скрытого тепла и, как следствие, снижает температуру поверхности и воздуха. Это особенно выражено в тропических лесах и влажных зонах.
Благодаря высокому удельному влагосодержанию листового покрова, растительные поверхности обеспечивают существенное испарение даже при умеренной инсоляции. Таким образом, растительность способствует охлаждению атмосферы и повышает влажность приземного слоя, что важно для формирования облачности и осадков.
Через процессы транспирации и интерцепции осадков (задержка воды на листьях и её последующее испарение), растительность значительно влияет на региональный и глобальный круговорот воды. В лесах до 25–35% выпадающих осадков возвращается в атмосферу через транспирацию, снижая сток и увеличивая внутренний влаговорот.
Влажные экосистемы (например, тропические леса Амазонии) могут формировать устойчивую обратную связь, при которой собственная транспирация растений поддерживает атмосферную влажность и стимулирует осадки, тем самым саморегулируя климатические условия региона.
Растительный покров определяет структуру пограничного слоя атмосферы, воздействуя на шероховатость поверхности, скорость и вертикальный профиль ветра. Высокая и густая растительность (леса) создаёт значительную аэродинамическую шероховатость, уменьшая скорость ветра у поверхности и усиливая вертикальную турбулентность в верхней части кроны.
Изменение типа растительности (например, вырубка леса и замена его на пастбище) приводит к значительным изменениям в турбулентной структуре пограничного слоя, включая изменение высоты смешанного слоя и перераспределение тепловых потоков.
Растения являются источником многих летучих органических соединений (ЛОС), таких как изопрены и терпены, которые вступают в химические реакции в атмосфере, влияя на образование озона в тропосфере, вторичных аэрозолей и оксидов.
Эти выбросы зависят от температуры, солнечной радиации, типа растительности и её физиологического состояния. Например, хвойные леса производят больше терпенов, чем лиственные, что делает их мощными источниками биогенных аэрозолей, способствующих образованию ядер конденсации и, как следствие, облаков.
Кроме того, растительность способна поглощать атмосферные загрязнители, включая озон, диоксид серы, аммиак, и пылевые частицы, действуя как естественный фильтр атмосферы. Эффективность поглощения зависит от плотности и вида растительности, а также от времени года.
Присутствие растительности создаёт специфические микроклиматические условия, отличающиеся от открытых поверхностей. Леса, благодаря своей тенистой структуре, обеспечивают снижение температур днём и уменьшение амплитуды суточных колебаний. Ветроукрытые зоны лесов способствуют снижению испарения, формированию инверсий и увеличению влажности приземного слоя.
На мезомасштабном уровне растительность влияет на циркуляцию воздуха. Примеры — бризовые циркуляции, усиленные различиями в теплоёмкости и испарительном охлаждении между лесными и открытыми участками. Локальные конвекции над лесными массивами могут формировать облачность и осадки даже при отсутствии фронтальной активности.
Изменения растительного покрова, вызванные деятельностью человека — вырубка лесов, орошение, урбанизация, — имеют значительное влияние на атмосферную физику. Удаление растительности снижает испарение, увеличивает альбедо и способствует прогреванию приземных слоёв воздуха.
Замена естественных лесов на сельскохозяйственные поля приводит к уменьшению шероховатости поверхности, снижению поглощения влаги и повышению скорости ветра. Это может усиливать эрозию почвы, вызывать локальные засухи и изменять циркуляцию на региональном уровне.
Масштабное орошение, напротив, увеличивает испарение, понижает температуру поверхности и может изменять атмосферную стабильность, увеличивая вероятность осадков. В ряде регионов мира были зафиксированы изменения в характере циркуляции воздуха и распределении осадков, прямо связанные с ирригационными системами.
На планетарном уровне растительность играет роль климатического регулятора, участвуя в биогеохимических и энергетических циклах. Через фотосинтез растения улавливают углекислый газ, оказывая влияние на радиационный баланс атмосферы. Масштабные изменения растительности, такие как опустынивание или восстановление лесов, изменяют альбедо, испарение и турбулентный теплообмен, что приводит к перестройке климатической системы на региональном и даже глобальном уровнях.
Особое внимание уделяется моделированию влияния растительности в климатических моделях, где учитываются её динамика, физиологические процессы, взаимодействие с осадками и температурой. От корректного описания этих параметров зависит точность прогноза будущих климатических условий.