Чтобы рассчитать количество углерода, хранящегося в торфяниках, исследователи разработали единую теорию «болотной физики», применимую во всем мире. Сохранить статью Прочитать позже
На этом снимке с воздуха 3000-летнего болота Виру в Эстонии видна квинтэссенция торфяного болота: мокрый купол торфяной почвы, покрывающий бывшее озеро и достаточно прочный, чтобы выдерживать деревья и кустарники.
Введение
Посещение торфяного болота заставит вас переосмыслить всё, что вы знаете о поверхности нашей планеты. Болото — это своего рода суша, но не в привычном для вас смысле, как твёрдой почвы. Если вы попробуете пройти по нему, то почувствуете, как под вами колышется мягкая органическая грязь, известная как торф, — или же сами утонете в ней. С поверхности трудно определить, простирается ли пропитанный водой торф на метр или на 9 метров в глубину.
Эти странные, заболоченные места исторически вызывали порицание, и многие из них были осушены, чтобы люди могли строить на них или заниматься сельским хозяйством. Однако в эпоху изменения климата они обретают новую славу: торфяники — один из самых эффективных способов природы хранить углерод и не допускать его попадания в атмосферу. Чтобы обеспечить его сохранение, учёные давно ищут способ подсчитать, сколько торфа и углерода они хранят.
Недавнее исследование может дать ответ. В конце прошлого года в журнале Nature учёные опубликовали математическую модель, которая, по их словам, позволяет рассчитать форму любого торфяного болота на Земле, используя простой набор измерений. Если модель будет работать так, как заявлено, она может упростить подсчёт содержания углерода в болоте — важнейший шаг в определении вклада конкретного болота в смягчение последствий изменения климата.
Шон Лам, эколог из Наньянского технологического университета в Сингапуре, не принимавший участия в исследовании, назвал статью прорывом, назвав ее «торфяным эквивалентом специальной теории относительности».
Похвала Лама показательна. Десятилетиями биологи жаждали уравнений типа E = mc² или закона всемирного тяготения Ньютона — простых, всеобъемлющих математических правил, объединяющих области знания и дающих глубокое понимание скрытого порядка, управляющего нашим миром. Хотя такие всеобъемлющие законы долгое время служили движущей силой прогресса в физике, их эквиваленты в науках о жизни оказались неуловимыми. Теперь, похоже, среди мировых трясин удалось найти некое единство.
Торфяные болота вряд ли можно назвать упорядоченными местами, где действуют общие законы. Эти бедные питательными веществами экосистемы, питаемые исключительно дождевой водой, образуются, когда отмершие растения попадают в сырую среду, лишенную кислорода и, следовательно, неблагоприятную для микробов, способных переварить отмершие ткани. Отмершая растительность накапливается в течение сотен или тысяч лет, образуя широкие, пологие купола, которые могут возвышаться над окружающей землёй на десятки футов.
Торфяные болота встречаются по всему миру. В холодных высокоширотных регионах, таких как Канада и Россия, они часто покрыты сфагновым мхом. В более тёплых тропиках они, как правило, представляют собой заболоченные леса с деревьями высотой до 60 метров. В общей сложности болота и другие торфяники занимают около 3% земной суши. При этом им удаётся поглощать вдвое больше углерода, чем всем деревьям планеты. Если бы этот углерод был выброшен, содержание углекислого газа в атмосфере удвоилось бы, что имело бы потенциально катастрофические последствия для человека и многих других видов.
Многие учёные утверждают, что защита торфяных болот и восстановление ранее осушённых торфяников могут быть простыми, но эффективными способами замедления изменения климата. Но есть одна загвоздка: осушение торфяников часто приносит огромную прибыль. Уже около 15% известных торфяников уничтожено, в основном для создания сельскохозяйственных угодий. Чтобы остановить этот процесс, сторонники предлагают выплачивать странам компенсацию за сохранение нетронутых торфяников. Однако, чтобы гарантировать такие выплаты в целях борьбы с изменением климата, учёным необходим способ точной количественной оценки объёма захороненного углерода.
Эта потребность побудила Чарльза Харви, профессора гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института, искать уравнение, которое могло бы предсказать форму любого торфяного болота и, следовательно, количество содержащегося в нём углерода. По словам Харви, предыдущие исследовательские группы пытались математически моделировать болота, но их модели, как правило, были нереалистично простыми.
Чарльз Харви из Массачусетского технологического института и его команда тщательно изучали торфяной купол Мендарам в Брунее, чтобы разработать свою теорию болот. «Просто невероятно, что этот совершенно непроходимый, ужасный, труднопроходимый, запутанный лес описывается простым уравнением», — сказал он.
Его команда провела более 15 лет, исследуя тропический торфяной купол Мендарам в Брунее. Исследователи выбрали это болото, потому что, в отличие от большинства болот в регионе, оно «по-настоящему нетронуто», — сказал Харви. «Насколько нам известно, туда никогда не ступала нога человека».
Измерить его оказалось непросто. Толщина торфяного слоя может достигать нескольких метров, и ориентироваться в нём сложно. «В торфяном лесу очень сложно передвигаться», — сказал Харви. «Твёрдой почвы нет. В торфе большие провалы, так что, если не удержать равновесие на бревне, корнях или чём-то подобном, можно просто провалиться сквозь землю», что грозит оказаться по пояс — или ещё хуже — в грязи.
Чтобы найти порядок в этом хаотичном ландшафте, исследователи сосредоточились на уровне грунтовых вод – высоте, на которой почва насыщается водой. Они заметили, что независимо от того, какие растения росли или сколько мусора накопилось на торфянике, уровень грунтовых вод почти всегда находился у поверхности болота. Если уровень грунтовых вод падал, возможно, из-за того, что вода стекала быстрее, чем её пополняли дожди, часть торфа контактировала с воздухом и разлагалась, пока поверхность болота не опускалась до нового уровня. Если же уровень грунтовых вод поднимался, например, в период обильных осадков, торф накапливался, пока не догонял его.
Форма болота, по-видимому, в значительной степени определялась физикой уровня грунтовых вод. Исследователи обнаружили, что могут математически смоделировать форму болота, решив широко распространённое уравнение, названное в честь математика XIX века Симеона-Дени Пуассона, которое позволило им приблизительно оценить глубину болота, зная только форму его границы.
Затем они использовали измерения высоты торфяного купола, полученные вдоль одной линии, или трансекты, чтобы скорректировать модель с учётом специфических свойств болота. Эту поправку они назвали функцией болота. Для болота Мендарам они провели эти измерения с помощью лидара — технологии, подобной радару, которая измеряет время, необходимое лазерному лучу для прохождения пути от самолёта или спутника до поверхности Земли и обратно к детектору.
По словам Харви, хотя в предыдущих исследованиях предлагались более простые модели формы болот, они не могли учитывать такие экологические переменные, как количество осадков и динамику стока воды с торфяника.
Команде PeatFlux Чарльза Харви (некоторые участники изображены на фото) потребовалось 15 лет, чтобы полностью картировать болото Мендарам. Работа была тяжёлой и грязной, поскольку торфяная почва пропитана грунтовыми водами.
Исследователи знали, что модель может предсказать форму тропического торфяного купола в Брунее. Но применима ли она к другим болотам? Чтобы проверить её, они попытались предсказать форму семи других болот в бореальных и умеренных регионах, для которых уже были проведены лидарные измерения. Модель показала даже лучшие результаты, чем для болота Мендарам, с погрешностью менее 6% по сравнению с реальными измерениями. Это поразило учёных.
«Это просто безумие, что этот совершенно непроходимый, ужасный, труднопроходимый, запутанный лес описывается простым уравнением, — сказал Харви. — Я бы и не подумал, что это так хорошо работает».
Лум, эколог из Наньянского технологического университета, согласился. «Меня поразило и поразило то, что, независимо от растительности, произрастающей на торфяном болоте, отложение и формирование торфяного купола предсказуемы», — сказал он.
Моделирование торфяных болот переживает не лучшие времена. Несколько групп работают над математическим описанием этих экосистем, включая проект Университета Лидса под названием DigiBog, который моделирует накопление торфа в течение десятилетий или столетий и динамику уровня грунтовых вод в течение дней или недель.
«Торф предоставляет проверяемый контекст для концепций, которые сейчас находятся на переднем крае прикладной математики и физики мягких материй», — сказал Дэвид Лардж, геолог из Ноттингемского университета.
В препринте, рецензируемом журналом Earth System Dynamics, Лардж и его коллеги представили третью модель болота, которая пытается учесть не только гидрологические, но и механические свойства торфа как материала, например, его деформируемость. По словам Ларджа, эти свойства могут определить, насколько легко болото может восстановиться после засухи или другого разрушительного события.
Лардж назвал исследование Харви «превосходной работой», особенно в части оценки объёма крупных болот. Однако он отметил, что в нём не учитывается рельеф местности под болотом, что может представлять собой проблему в регионах со сложным рельефом, как, например, в большей части Соединённого Королевства. «Определённо, их возможности ограничены», — сказал Лардж.
Харви утверждает, что рельеф местности мало влияет на окончательную форму болота. Его команда сейчас применяет свою модель к обширным и практически неизученным торфяникам Центральной Африки и Амазонии, которые называют потенциальными «климатическими бомбами» из-за высокого содержания углерода. Экологи надеются, что выплаты смогут убедить страны этих регионов защищать свои торфяные месторождения. Харви говорит, что модель его команды может помочь, количественно оценив точное количество углерода, потерянного при осушении или канализации конкретного болота.
Пока неясно, получит ли какая-либо торфяная модель такое же широкое признание, как физические теории, такие как теория относительности. Но даже если этого не произойдёт, её практическое применение может быть весьма существенным, сказал Лам. «Углеродные запасы, зелёное финансирование, компенсация выбросов углерода, стратегии планирования… всё это стало возможным и значительно упростилось благодаря этой работе».
Источник: www.quantamagazine.org
