4.3.4. Лес и климат

Совершенно ясно, что климат влияет на растительность и, в частности, на лес. Вопрос о возможности обратного влияния растительности, леса на климат далеко не так ясен. Сформулируем этот вопрос несколько конкретнее.

Человечество может уничтожить лес на очень большой территории; это неоднократно происходило в разных местах в исторические времена, особенно в последние столетия. Оказывало ли это влияние на климат соответствующих районов? В принципе, вполне возможно уничтожить всю лесную растительность на Земле. Как может при этом измениться климат?

Но человек может не только разрушать, он может и созидать. Например, в принципе, возможно восстановить вырубленные в 17–19 веках леса на территории Западной и Восточной Европы, в центральной части Северной Америки. Вероятно, в течение 2–3 столетий это возможно даже в таких бесплодных местах, как пустыни Северной Африки, в первую очередь в Сахаре, где раньше, 6–10 тысяч лет назад, существовала богатая растительность, животный мир, было достаточное количество осадков, текли полноводные реки. Если это произойдёт, то окажется ли такое состояние устойчивым? Положительный ответ на этот вопрос означал бы, что человечество может влиять на климат больших территорий в нужную для себя сторону и получать за счёт этого громадные дополнительные ресурсы.

Климат — понятие сложное и многоплановое. Оно включает в себя разнообразные характеристики атмосферы, такие как температура, влажность, ветер, осадки, солнечная радиация и многие другие. Рассматриваются средние, экстремальные (минимальные и максимальные) значения, колебания и ряд других количественных характеристик. Всё это относится к различным по величине географическим территориям и распространяется на различные интервалы времени — месяц, сезон, год и т. п.

В число климатических понятий входит и микроклимат — это совокупность характеристик небольшой территории, даже отдельного пункта. Из-за географических особенностей места, характера поверхности, растительности микроклимат может заметно отличаться от среднего климата окружающей территории.

Все авторы сходятся в том, что лес влияет на микроклимат как в самом лесу, так и в ближайших его окрестностях [32; 42; 45; 48 и др.]. Что же касается влияния на климат больших территорий, то здесь такого единодушия нет.

Лес непосредственно влияет на три метеорологические и климатические характеристики: ветер у поверхности земли, влагооборот (т. е. распределение выпавших осадков) и на составляющие радиационного баланса — на соотношение между поглощённой и отражённой прямой (идущей прямо от Солнца) и рассеянной (идущей от всего остального неба) радиацией. Первые две характеристики уже упоминались в связи с лесом в п.п. 4.3.1 и 4.3.2; третья имеет исключительно важное значение и её необходимо пояснить подробнее.

Если $F$ — общий поток радиации, падающий на некоторую поверхность, то часть его ($F_1$) поглощается и в основном превращается в тепло; другая часть ($F_2$) отражается и уходит обратно. Таким образом,

или, разделив на F:

Если обозначить $F_1∕F=a$; $F_2∕F=r$, то получим

В формулах (4.1), (4.2) $F$, $F_1$, $F_2$ могут измеряться в единицах мощности (Ваттах) , если идёт речь о потоках в единицу времени, или в единицах энергии (Джоулях), когда рассматриваются потоки за некоторый временной интервал $\mathrm{\Delta }t$ (час, сутки, месяц, сезон, год и т. п.). Оба слагаемых в выражении (4.3) характеризуют свойства поверхности по отношению к радиации: первый член $a=F_1∕F$ указывает, какая часть приходящей радиации ($F$) поглощается поверхностью ($F_1$) и называется поглощательной способностью; второй член $r=F_2∕F$ указывает, какая часть радиации отражается обратно и называется отражательной способностью или альбедо. Разные поверхности по разному поглощают и отражают солнечные лучи, поэтому можно говорить об альбедо лугов, пашни, воды, леса… и т. д.

Иногда понятие альбедо относят к очень большим и неоднородным территориям, например, целым континентам, Северному или Южному полушариям или даже всей Земле в целом, понимая под этим средние значения. Альбедо территорий может меняться в зависимости от сезона. Например, зимой значительная часть суши Северного полушария покрывается снегом, который хорошо отражает солнечные лучи, и величина $r$ растёт. Когда говорят об альбедо больших территорий, не указывая времени, то имеют в виду средние значения за год. Известно, например, что альбедо всей Земли в целом равно 0,4 — 40% радиации отражается и уходит в космическое пространство.

В табл. 4.2 приведены значения альбедо для характерных поверхностей Земли.

Если бы поверхность ничего не отражала, поглощая все лучи (абсолютно чёрное тело), то альбедо равнялось бы нулю: $r=0$. Если бы поверхность наоборот ничего не поглощала, отражая все лучи (идеальное зеркало или белая поверхность), то альбедо равнялось бы единице: $r=1$. Реально таких поверхностей нет, но близкие к ним встречаются.

Очень хорошо видно, что белые поверхности — снег, лёд — отражают значительную часть приходящей радиации; только небольшая часть поглощается и отдаёт энергию на «собственные нужды» Земли. Зато такие поверхности, как вода, тёмная почва поглощают почти всю падающую энергию. Лес тоже хорошо поглощает радиацию ($r=0,13$–0,18), лучше многих других поверхностей, и уж во всяком случае, лучше, чем полупустыни и пустыни. На этом основании можно предположить, что облесение больших пустынных пространств могло бы оказать заметное влияние на глобальный климат.

Влияние леса на микроклимат изучалось путём сравнения метеорологических характеристик под пологом деревьев и на открытой местности (вырубки, луга, пашни) в таком же или очень сходном районе. Общий итог многочисленных, иногда многолетних наблюдений сводится к следующему [32; 42; 45 и др.].

1. Под пологом леса колебания температуры снижаются: максимумы понижены, минимумы повышаются. Таким образом, климат в лесу «мягче», чем на отрытой местности. И то и другое объясняется влиянием деревьев: ветви и листья создают полог, препятствующий проникновению прямых солнечных лучей в жаркие летние дни и создают «парниковый эффект», т. е. задерживают тепловое (инфракрасное) излучение поверхности земли в холодные безоблачные зимние ночи. В это время на открытой местности происходит интенсивное излучение, и она охлаждается сильнее. Разница температуры в лесу и на открытом пространстве обычно лежит в пределах нескольких 3–4 градусов, но отмечались случаи для ночных заморозков с разницей и до 15 градусов [45]. При таком уменьшении колебаний средняя температура в лесу может быть такой же, как и вне его, но может повышаться или понижаться — в зависимости от особенностей местности. В [42] приведены данные, согласно которым разница среднемесячных температур в оазисах и в окружающей их пустыне в жаркие месяцы составляла 2–3 градуса (в оазисах прохладнее).

   Лесозащитные полосы не влияют на температурный режим защищаемой ими территории.

2. В лесу скорость ветра всегда ослаблена; она редко превышает 0,5–0,9 м/с. Ослабление распространяется на некоторое расстояние и за пределы леса, особенно с подветренной стороны. Все динамические нагрузки, связанные с ветром, пропорциональны квадрату скорости. Поэтому уменьшение скорости ветра в 5–10 раз уменьшает силу механических воздействий в 25–100 раз. Эффективно уменьшают силу ветра не только сплошные леса, но и лесные полосы, причём даже редкие, продуваемые. Благодаря этому чередование лесных и сельскохозяйственных участков, а там, где это невозможно, просто создание системы лесозащитных полос на больших сельскохозяйственных площадях может создать надёжный заслон против ветровой эрозии почв.

   Лес и лесные полосы не только уменьшают силу (скорость) ветра, но одновременно с этим изменяют характер неупорядоченных турбулентных движений воздушных масс в защищаемой зоне. За счёт этого снижается испарение с поверхности почвы; значительное количество влаги сохраняется для роста растений. В районах с небольшим количеством осадков, а также в засушливые годы это может иметь решающее значение для урожая, что и было подтверждено многими наблюдениями.

3. Влажность воздуха в лесу обычно несколько выше, чем на соседних открытых пространствах. Это объясняется тем, что под пологом деревьев воздушный обмен с окружающим пространством затруднён; влага, испаряющаяся с лесной подстилки и листьев, частично задерживается. Впрочем, в обычных лесах разница влажности воздуха внутри и вне леса незначительна. Однако внутри тропических лесов влажность может быть очень велика, что в сочетании с высокой температурой затрудняет пребывание там непривыкшего человека.

4. Гораздо большее значение имеет влажность почвы. Здесь роль лесов проявляется в виде противоположных воздействий. С одной стороны, очень много влаги теряется на транспирацию — больше, чем при любой другой растительности. С другой стороны, лес и лесозащитные полосы задерживают таяние снегов, сохраняя влагу для более равномерного расходования, уменьшают ветер, а вместе с ним и испарение на прилегающих полях, лугах, пашнях. В конечном итоге все авторы отмечают положительное влияние лесов и лесных полос на влагооборот в сельскохозяйственных угодьях, примыкающих к лесу или защищённых лесными полосами.

   Следующий метеорологический (климатический) параметр, на котором надо остановиться в связи с лесом — радиация. Это взаимодействие следует рассмотреть в двух аспектах; первый из них — местный, локальный; второй затрагивает большие территории.

5. Совершенно ясно, что как прямая солнечная, так и рассеянная (от всего неба) радиация под пологом леса ослаблены. Прямые измерения показывают, что в зависимости от типа лесов радиация может быть уменьшена в 10–20–50 раз и более (до 100 раз — опять же в густых тропических лесах). При ослабленной радиации фотосинтез соответственно замедлен, и обычные растения, в том числе молодая древесная поросль, бывают угнетены. Это обстоятельство накладывает отпечаток на всю жизнь леса и на смену поколений в нём.

Второй, крупномасштабный аспект взаимодействия лесов и радиации связан с тем, что поверхность лесов — один из наиболее эффективных поглотителей солнечной радиации. Из табл. 4.2 видно, что альбедо леса, особенно хвойного, очень невелико и сильно отличается от альбедо, например, степи (0,13 против 0,25).

Как показал известный климатолог М. И. Будыко [42; 50; 51], в силу положительных обратных связей между планетарным альбедо, величиной ледяных полярных областей и глобальной температурой, планетарный климат Земли очень чувствителен к изменениям радиационных условий. Даже небольшие изменения альбедо могут вызвать значительные изменения планетарной температуры со всеми вытекающими отсюда (приятными и неприятными) последствиями. Поэтому разумно предполагать, что уничтожение лесов на больших территориях с целью расчистки места под пашни и пастбища, которые неоднократно происходили в исторические времена, или выжигание лесов в процессе охоты, применявшееся ранее, сопровождались соответствующими климатическими изменениями на больших территориях, а может быть и глобальных. Эти изменения должны были вызвать похолодание. То же самое можно сказать и о крупномасштабной вырубке тропических лесов, которая фактически уже ведётся в ряде стран этого пояса при технической и финансовой поддержке развитых стран [52]. Насколько известно автору, этому полустихийному процессу не предшествовала какая-либо серьёзная научная экспертиза международного характера, а отдельные публикации и заявления учёных-одиночек и коллективов остаются «гласом в пустыне».

Вместе с тем, вполне возможно, что регулирование растительного покрова на больших пространствах, и, в частности, возобновление и насаждение лесов, может оказаться тем естественным, экологически чистым и сулящим многие дополнительные выгоды инструментом, который человечество может получить в свои руки для воздействия на глобальные климатические процессы в нужном для себя направлении. Необходимо только, чтобы всякое воздействие такого рода осуществлялось не отдельными странами или компаниями, а объединённым человечеством при участии и под контролем учёных.

Нам осталось рассмотреть вопрос о том, может ли лес влиять на осадки, так сказать, «перераспределяя их в свою пользу». В этом вопросе также можно выделить два случая:

• осадки, выпадающие над небольшими лесными массивами (100$\times$100 км, т. е. один миллион гектар и менее), по сравнению с окружающей территорией, лишённой леса;
• осадки, выпадающие над большими площадями (десятки, сотни миллионов гектар и более) с сильной или явно преобладающей лесистостью.

Что касается осадков над небольшими массивами, то разные исследователи, занимавшиеся такими измерениями (см. [32; 45] и библиографию в этих книгах), приходят к общему выводу, который звучит примерно так: по- видимому существует некоторое преобладание осадков над лесом над осадками в поле (над лугом, пашней). Количественно это выражается в величине 2–5%.¹⁰ Безусловно, это не тот результат, из за которого следует ломать копья.

По вопросу об осадках над большими лесными массивами существуют расхождения.

Дж. Киттредж в [45] довольно подробно и объективно освещает две точки зрения, которые мы условно назовём «оптимистической» и «пессимистической». Первые считают, что над лесами может (и должно) выпадать существенно больше осадков.¹¹ Другая точка зрения заключается в том, что количество осадков над большими территориями мало зависит от характера растительности и целиком определяется мощными процессами атмосферной циркуляции и глобальным климатом. В этом случае следует ожидать, что леса, посаженные и выращенные за счёт искусственного орошения, в засушливой местности не приживутся.

В пользу первой точки зрения Киттредж приводит ряд мнений специалистов:

• Р. Зон [53, 1927 г.] считает, что «Леса увеличивают количество и частоту осадков на занимаемой ими площади … в некоторых случаях более, чем на 25%. Уничтожение лесов (в широких материковых долинах) … влияет на климат не только той местности, где уничтожаются леса, но и других, более засушливых районов».
• И. Никольсон [54, 1924 г.] отмечает, что «Выпадение дождя на лесопокрытых территориях может существенно увеличиться именно благодаря присутствию леса».¹²
• Описывается ряд конкретных территорий, на которых удалось зафиксировать уменьшение осадков после уничтожения лесов (некоторые районы Индии, остров Маврикия, штаты Теннеси, Калифорния в США, район Нанси во Франции).

С другой стороны, многие авторы, исследовавшие этот же вопрос, отрицают влияние лесов на количество осадков (Мур [55], Брукс [56] и др.). К этому мнению в последнее время склоняется большинство специалистов, в том числе и Дж. Киттредж, по работе которого сделан этот краткий обзор.

Вместе с тем, и в последние годы появляются публикации [52; 57], авторы которых разделяют мнение о значительном влиянии лесов на осадки и стоят на «оптимистической» платформе. Особо следует выделить работу И. А. Шикломанова [57, 1984 г.], в которой изложены результаты обработки большого статистического материала над лесами и другими видами поверхностного покрова.

Таким образом, дискуссия продолжается и её нельзя считать завершённой. Это, несомненно, объясняется сложностью вопроса, невозможностью осуществить эксперимент в натурных условиях, если речь идёт о больших сплошных массивах лесов в тропических и примыкающих к ним пустынных территориях. Громадные массивы лесов, уничтоженных в прошлом, не могут быть приняты в расчёт, поскольку никаких количественных измерений осадков тогда не было. Но косвенные оценки всё же возможны.

Автору очень хочется, чтобы в этом споре оказались правы оптимисты. Хочется потому, что в этом случае человечество смогло бы получить в своё распоряжение огромные продуктивные площади, расположенные в зонах, где много тепла и солнечной радиации, но только пока сухие.

Учитывая нерешённость и важность вопроса, хотелось бы, заканчивая этот раздел, привести и просуммировать соображения в пользу «оптимистической» платформы. Для конкретности будем считать, что пока речь идёт о комплексе пустынь, расположенных в Северной Африке: Сахара, Ливийская, Нубийская и другие примыкающие к ним пустыни.

1. Изменение среднего альбедо на больших, ныне пустынных территориях, является настолько мощным климатическим фактором, что может оказать влияние на климат больших территорий, а может быть и глобальный. Можно подсчитать, что изменение альбедо с 0,3 (пустыня) до 0,15 (лес) на территории 8,7$\cdot 10^6$ км${}^2$ (площадь Сахары) изменит среднее альбедо Земли на 0,2%, что является значительным климатическим фактором. Конечно, ещё надо определить, в какую сторону (в смысле осадков над рассматриваемой местностью) этот фактор будет действовать.

2. В [58] приведены средние количества осадков для широт Северного полушария с шагом 10${}^{\circ }$. Вот этот ряд цифр:

   Широта, (градусов)	90–80	80–70	70–60	60–50	50–40	40–30	30–20	20–10	10–0
   Среднегодовое количество осадков, мм	190	260	470	720	780	770	700	1170	1920

   Аналогичная картина получается и для Южного полушария. Обращает на себя внимание, что на фоне общего роста количества осадков от полюса к экватору, на 40–20${}^{\circ }$ северной широты наблюдается некоторое снижение или нарушение плавной кривой роста. Это объясняется особенностями атмосферной циркуляции воздушных масс, и этим же спадом количества осадков часто объясняют наличие пустынь именно между 20 и 40${}^{\circ }$ с. ш. Однако вполне возможно, что этот спад количества осадков (средних для широты) сам по себе недостаточен для того, чтобы не могла устойчиво поддерживаться лесистость территории, если бы лес там существовал. Иными словами возникает всё тот же вопрос: быть может, среднее количество осадков на этих широтах уменьшено потому, что в Северной Африке их совсем нет? А в Северной Африке их нет потому, что там нет лесов.

3. Уже отмечалось: географическими и археологическими исследованиями в Сахаре достоверно установлено, что прежде, и не так давно — 6–8 тысяч лет назад облик Сахары был совершенно иным [59]: там жили слоны, жирафы, страусы, носороги, бегемоты, буйволы, газели, антилопы, крупные хищники. Такие животные водятся только там, где земля покрыта густой растительностью, а, значит, и выпадают обильные дожди. Текли многочисленные и полноводные реки, от которых к нашему времени остались пересохшие русла. Это состояние африканского севера было устойчивым и сохранялось долго. Существуют свидетельства вмешательства человека в этот природный симбиоз — сначала охотников, а затем и скотоводов. Нет прямых свидетельств, что уничтожение растительного и животного мира в этом районе — дело рук человека, но и исключить такую возможность тоже нельзя.

Высказанные соображения не могут, конечно, рассматриваться, как серьёзные подтверждения влияния лесов на осадки; вопрос должен решаться специалистами. Но всё же это доводы в пользу того, что затянувшуюся дискуссию следует решить в ту или другую сторону, ибо она затрагивает крайне важную для человечества проблему. Современной науке это, по-видимому, по силам.

В связи с важностью вопроса, он более подробно рассмотрен в приложении 3.