Роль естественных лесов Земли в преодолении глобального водного кризиса

ГЛАВА 7.2 РОЛЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЛЕСОВ ЗЕМЛИ В ПРЕОДОЛЕНИИ ГЛОБАЛЬНОГО ВОДНОГО КРИЗИСА

Александр Александрович СТАРЦЕВ,

доктор философии (PhD), профессор Международного университета фундаментального обучения, Оксфордская образовательная сеть, директор Международного центра содействия реализации программ и проектов ЮНИДО Санкт-Петербургского государственного технологического института (Технический университет), международный эксперт ЮНИДО

Мировые достижения научной мысли, новейшие технологии поражают воображение фантастическими образами будущего мира. Однако главным белым пятном в современной науке остаются вопросы о том, как устроены не нарушенные человеком экосистемы — леса, реки, озёра, болота, тундра, океаны. Почему жизнь в этих экосистемах не прерывалась? Откуда берётся пресная вода на суше? Почему окружающая среда остаётся пригодной для жизни сотни миллионов лет? Без ответа на эти жизненно важные для цивилизации вопросы невозможно говорить определённо о нашем будущем.

За полвека интенсивных научных исследований были созданы глобальные спутниковые и наземные системы наблюдений и получены беспрецедентные по объёму и детализации данные о состоянии окружающей среды. Анализ этих данных выявил сложность и недостаточность исследований взаимосвязи биогеофизических процессов, определяющих земной климат. Наибольшая неопределённость оказалась связана с атмосферной влагой. С одной стороны, водяной пар и облачность являются главными парниковыми веществами (как и углекислый газ, они перенаправляют тепловое излучение обратно к поверхности Земли, что приводит к её нагреву). С другой стороны, облачность отражает солнечное излучение обратно в космос, что приводит к охлаждению. Без достоверной оценки роли атмосферной влаги невозможно оценить и влияние на климат избыточного количества углекислого газа. Поэтому в последние два десятилетия именно фазовые переходы воды — испарение и конденсация — находятся в центре внимания метеорологического сообщества [1].

Веками цивилизация разрушала естественный растительный покров главным образом леса. Наиболее быстро естественные лесные экосистемы начали разрушаться в XX в., в том числе из-за сплошных концентрированных рубок и лесных пожаров. Хищническое разрушение лесных массивов ускорило проявление глобального водного кризиса. В климатической повестке обезлесивание изначально рассматривалось только как дополнительный источник выбросов углекислого газа (или его депонирование в случае восстановления лесов), изменяющий отражательную способность планеты. Однако накопленные данные о ключевой роли лесов в регулировании атмосферной влаги свидетельствуют о возможной недооценке обезлесивания и замены естественных лесов производными как факторов дестабилизации климата и дефицита пресной воды. Многолетние наблюдения показали, что на суше испарение практически полностью определяется растительным покровом, в основном естественными лесами. Это привело к активизации дальнейших научных исследований в этой области [2].

За четверть века в России известными петербургскими учёными В. г. Горшковым и А. М. Макарьевой были сформулированы и обоснованы два глобально значимых открытия:

1. Концепция биотической регуляции окружающей среды и климата, количественно оценивающая стабилизирующее воздействие естественных экосистем на окружающую среду, изменение климата и состояние водных ресурсов.
2. Теория биотического насоса атмосферной влаги, количественно оценивающая роль естественного лесного покрова в транспортировке атмосферной влаги с океана и в режиме осадков на суше.

В контексте глобального водного кризиса рассмотрим подробнее второе из этих открытий. В десятках научных работ российских учёных показано, что конденсация водяного пара является основной движущей силой атмосферной циркуляции Земли [3].

Однако теория биотического насоса идёт вразрез с традиционной парадигмой, где кинетическую энергию ветра генерирует градиент температуры, а не конденсация. Многие учебники по метеорологии до сих пор приводят схему круговорота воды в природе, где главной причиной атмосферной влаги, которая конденсируется в облаках и выпадает в виде дождя, служит испарение океана. Эта традиционная схема напрочь игнорирует роль растительности и особенно естественных лесов, которые работают как гигантские фонтаны и создают ветры.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ БИОТИЧЕСКОГО ЛЕСНОГО НАСОСА.

Под действием энергии солнца возникает мощная испаряемость (транспирация) естественного лесного покрова, которая на порядок выше, чем с такой же точно площади над океаном. Транспирация поддерживает плотную конденсацию водяного пара над сушей. Далее водяной пар конденсируется и переходит из газовой фазы в облачность, наполненную капельками воды, приводя к разрежению воздуха в атмосферном столбе над лесом. При этом возникают восходящие потоки воздуха над лесом. В результате над лесными массивами, в сравнении с океаном, формируются зоны более низкого давления, что способствует засасыванию влажного воздуха с океана.

Зоны более низкого давления затягивают, как насос, вглубь суши высоковлажный океанический воздух, который и проливается дождём, а зимой в северных широтах выпадает снегом. Большая часть (примерно две трети) пресной воды, выпавшей в виде осадков, поддерживает баланс воды в реках, водно-болотных угодьях, питает озёра, обеспечивая жизнедеятельность флоры и фауны, а также вновь испаряется над сушей. Оставшаяся часть выпавших осадков в нормальном цикле стекает по рекам обратно в океан. Весь запас влаги на суше стекает в океан за четыре года. Этот механизм, кстати, объясняет, почему над пустыней не проливается дождь. В пустыне нет влаги, поэтому нечему испаряться. Там постоянно поддерживается зона более высокого давления по сравнению с океаном, где есть испарение и конденсация влаги. Так что ветер в пустыне всегда дует с суши на море, но никогда — в обратном направлении.

Эта простая, но далеко идущая физическая теория описывает, как выдыхаемый деревьями водяной пар создаёт ветры. Так, российский естественный бореальный лес, простирающийся более чем на 7000 километров от Северной Европы до Дальнего Востока, представляет собой важнейший элемент глобального биотического лесного насоса. Он снабжает пресной водой Западную Европу, Россию, Центральную Азию, Монголию и Китай. Благодаря этим бореальным лесам ветры из Атлантики пересекают континент, перенося влажный воздух через Европу и всю Сибирь в Монголию и Китай. Эти ветры несут дожди, которые питают озёра и реки Евразии, гигантские реки Восточной Сибири. Эти же ветры приносят влагу в северную равнину Китая, житницу самой густонаселённой страны на планете. Китай получает с запада 80 % своей пресной воды, причём в основном это атлантическая влага, которую засасывают естественные таёжные леса Евразии. Путь переноса атмосферной влаги происходит в несколько этапов — циклов транспирации с попутным дождём — и занимает полгода и более. И это явление противоречит предыдущим сведениям, которые все изучают в средней школе. Парадокс: Китай находится рядом с Тихим океаном, но большая часть его осадков — это влага с суши далеко на западе [4].

Естественный лес — это сложное сообщество разновозрастных деревьев и обслуживающих работу леса других биологических видов: бактерий, грибов, насекомых, птиц, мелких и крупных животных. Вся эта сложнейшая деятельность естественного лесного сообщества миллионы лет направлена главным образом на сохранение устойчивости круговорота пресной воды, без которой жизнь невозможна. Когда происходит разрушение части хвойного лесного покрова в результате природных катаклизмов (ураганы, удары молнии и другие), вступают в действие природные восстановительные процессы (сукцессия). Такой процесс называется самовосстановлением, в естественной природе он занимает более сотни лет [5].

Целенаправленная же вырубка и сжигание лесных массивов, пожары по халатности, истребление аборигенных лесов ведут к серьёзному нарушению процессов испарения влаги на суше. Если площади уничтоженных лесов значительны, возникает эрозия зон низкого атмосферного давления. Это приводит к аномально жаркой весне и дождливому холодному лету. Механизм биотического лесного насоса транспортировки атмосферной влаги от прибрежных морских зон вглубь материка становится плохо регулируемым (насос «чихает»). Происходит учащение аномальных погодных явлений, таких как засухи, сопровождаемые пожарами, или катастрофические наводнения, когда огромные массы воды резко поступают на сушу и затапливают населённые пункты, сельскохозяйственные угодья и другие территории, что приводит к избытку пресной воды, которой невозможно пользоваться, и вызывает катастрофические ситуации, когда флора и фауна погибают, а людям приходится спасаться.

В результате антропогенного разрушения естественного леса также включается в дело защитный природно-восстановительный процесс. В этих случаях сукцессия протекает крайне медленно, многие десятки лет — всё биоразнообразие естественного леса уничтожено. Лиственные деревья на вырубках и пожарищах образуются нескоро. Они не могут обеспечить тягу влаги с океана в весенние месяцы до образования листвы и, соответственно, достаточно высокой степени испарения. В результате — засуха в глубине континента и катастрофические наводнения в прибрежных регионах, где копится вся не прошедшая вглубь суши влага.

Полное уничтожение девственных лесов блокирует рассматриваемый биотический насос и превращает любой речной бассейн в пустыню примерно за несколько десятков лет. В прошлом веке драматические последствия в результате резкого дефицита выпадающих осадков привели к исчезновению Аральского моря. Питающий море бассейн полноводных в прошлом рек Амударьи и Сырдарьи оказался обезвожен [6].

КАКОВА ЦЕННОСТЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЛЕСОВ?

В 1986–1997 гг. в США в штате Аризона проводился весьма поучительный научно-исследовательский эксперимент под названием «Биосфера-2». Это был самый амбициозный из когда-либо предпринятых научным сообществом биофизических проектов стоимостью по тем временам 200 млн долл. (в нынешних ценах — более 1 млрд). В 1991 г. восемь учёных вошли в герметичное застеклённое сооружение площадью 1,3 га, где они должны были оставаться в течение двух лет в изоляции от внешнего мира. Внутри купола были представлены тщательно воссозданные разнообразные экосистемы, включая тропический лес, болото, сельскохозяйственное поле, саванну, пустыню, океан с коралловым рифом. Бионавтов сопровождали в своей естественной среде насекомые, пчёлы и бабочки, рыбы, рептилии и млекопитающие, которые были тщательно отобраны, чтобы поддерживать жизненные функции экосистемы. Циркуляция воздуха, воды и питательных веществ должна была происходить внутри системы. Её главным назначением было: а) поддерживать приемлемый для человека состав атмосферы; б) быть источником продуктов питания для людей, принявших участие в эксперименте.

Через 17 месяцев эксперимент пришлось остановить раньше запланированного срока. Из-за падения уровня содержания кислорода под куполом люди уже дышали разреженным воздухом, как на высоте 5300 м над уровнем моря. Первый и главный урок: природные компоненты, как в естественной экосистеме, человеку невозможно создать ни за какие деньги. Второй урок: существует реальная возможность внезапных драматических изменений экосистемы. Природная среда — система нелинейная, которой свойственно сохранять динамическое равновесие под действием возмущений, но лишь до определённого предела. Затем даже малые смещения равновесия могут вызывать резкие изменения, которые переведут систему в неравновесное состояние с быстрыми колебаниями, что означает прохождение точки невозврата [7].

Подобный естественному искусственный ускоренный процесс восстановления леса себя не оправдывает. Искусственно высаживаемые плантации не восстанавливают и не поддерживают нормальный круговорот воды. Более того, многочисленные примеры, особенно провал искусственного озеленения Китая, начатого 25 лет назад, показывают, что они неустойчивы и быстро деградируют от засухи или вредителей. Все эти факты лишь подтверждают жизненно важную необходимость сохранения ещё существующих на планете естественных лесов.

В условиях нарастающего во всемирном масштабе дефицита питьевой воды, с учётом ключевой роли естественных лесов в устойчивом круговороте пресной воды и в целях эффективного управления водными ресурсами, вносятся следующие предложения для рассмотрения и реализации как на международном, так и на национальном уровнях:

• выделить и законодательно установить в странах новую категорию лесов — климато- и водорегуляторные леса (слабонарушенные лесные территории, выполняющие континентальную регулирующую функцию транспортировки атмосферной влаги с океана и режима осадков на суше);
• разработать новую концепцию развития лесопромышленного комплекса с учётом принципиального различия между климато- и водорегуляторными лесами, которые подлежат исключительно охране и мониторингу, и эксплуатационными лесами (для промышленно-хозяйственных целей);
• климато- и водорегуляторные леса полностью изымать из любой хозяйственной деятельности, включая аренду и популярный ныне экотуризм; по сути, эти леса должны стать особо охраняемой запретной зоной, над которой даже не летает малая авиация (за исключением разве что беспилотников с экологически безопасными двигателями для целей мониторинга);
• развивать эксплуатационные леса (создание коммерческих лесных плантаций) с искусственным и комбинированным лесовосстановлением, которые предназначаются для извлечения максимальной экономической отдачи за счёт ведения интенсивного лесного хозяйства на основе современных научных разработок ускоренного выращивания деревьев; при обороте плантационных лесов применять принципы «циркулярной экономики» с глубокой переработкой, реализуя самые передовые технологии (безотходное производство, продукты современной биохимии), способствующие интенсификации потребительского лесного хозяйства;
• в национальных и международных программах предусмотреть создание нового приоритета научных исследований «Лес и вода: физические и биологические основы устойчивости окружающей среды и жизни». Основой таких научных исследований должен стать междисциплинарный подход, который объединит специалистов из разных областей науки (в настоящее время работающих в узких областях, не затрагивая комплексной ситуации и проблем в глобальном масштабе);
• ввести обязательный во всех университетах образовательный курс «Естественнонаучные основы устойчивости лесных и водных запасов в биосфере», а также проведение специальных курсов повышения квалификации и семинаров для госслужащих, представителей промышленных и деловых кругов с целью распространения знаний о системе «техносфера — биосфера» как части компетенций управленческого аппарата всех уровней;
• в области социальной политики: 1) считать сохранение естественных лесов объединяющим фактором международного сотрудничества; 2) создать условия для вовлечения экспертного и гражданского сообщества в решение проблем сохранения естественных лесов, наблюдения и контроля за их состоянием, обмена опытом между регионами и странами; 3) обеспечить доступность данных сравнительных наблюдений для широкой международной общественности;
• в области природоподобных технологий: 1) разработка технологий замещения древесины другими материалами, в особенности при производстве бумаги и упаковочных материалов; 2) внедрение технологий блокчейна для контроля оборота древесины и исключения нелегальной эксплуатации лесов; 3) использование возможностей информационно-коммуникационных технологий, цифровизации, средств аэрокосмического наблюдения для организации непрерывного мониторинга и прогноза состояния естественных лесов с помощью алгоритмов искусственного интеллекта; 4) решение проблем изменения климата с оценкой стабилизирующего потенциала биоты и естественных лесов в таком объёме, чтобы мощности экосистем хватало для поддержания окружающей среды и водного баланса в пригодном для жизни состоянии;
• в международном измерении добиваться признания России и её миссии как экологического донора и гаранта климатической устойчивости в Евразии и мире. Россия — научный лидер в области фундаментальных исследований устойчивости окружающей среды, родина концепции биотической регуляции окружающей среды и климата (1995 г.), а также мирового открытия лесного биотического насоса атмосферной влаги (2005 г.);
• расширение и интенсификация международного сотрудничества в области защиты евразийского бореального лесного пояса, поскольку биотический насос не признаёт государственных границ и обеспечивает пресной водой все страны Евразии, включая Россию;
• организация международного междисциплинарного центра исследований устойчивости бореальных лесов на основе научных разработок петербургских учёных В. г. Горшкова и А. М. Макарьевой;
• использование потенциала Женевского Водного Центра, структур ООН и других международных объединений для сотрудничества между странами, сохраняющими большие площади не тронутых хозяйственной деятельностью лесов, включая Россию, Бразилию, Индонезию, Папуа — Новую Гвинею, страны бассейна реки Конго, Канаду. Такое сотрудничество должно включать меры, направленные на прекращение эксплуатации естественных лесов и развитие коммерческих лесных плантаций по всему миру.