О влиянии ветра на газообмен почвы и атмосферы

Глобальные климатические изменения последних десятилетий сопровождаются ростом температуры и потенциальным усилением циклонической активности с мощными воздушными потоками. Как они отражаются на почвенном дыхании? Можно ли ожидать при этом усиление эмиссии СО₂ и, как следствие, положительную обратную связь с глобальными климатическими изменениями через парниковый эффект? На эти вопросы невозможно дать ответ без исследований реакции газообмена почв и атмосферы на воздействие ветра с разной скоростью в различных ландшафтах. В статье обобщаются результаты многолетних наблюдений за эмиссионными потоками CO₂ в черноземах типичных лесостепной подзоны (Курская обл.) в природных и антропогенных ландшафтах под лесной и травянистой растительностью в зависимости от скорости ветра, а также излагается физически-обоснованный кинетический подход к количественному описанию такой зависимости. Подход предполагает возможность линейного, прямо пропорционального воздействия скорости ветра на интенсивность конвективно-диффузионного транспорта и изменение концентрации газообразного углерода в биологически-активном слое почвы фиксированной мощности. Полученная на его основе модель в форме обратной параболической зависимости эмиссионного потока CO₂ от скорости ветра адекватно описывает эмпирические данные и предполагает двукратное увеличение эмиссии при повышении скорости ветра до критической величины около 3 м/с с последующей релаксацией до исходного уровня при дальнейшем усилении ветра до 6–7 м/с. Скорость вынужденной конвекции почвенного воздуха содержащего СО₂ оказывается на 6 порядков меньше скорости ветра, но не уступает интенсивности обычной изотермической диффузии СО₂, что говорит о важности учета этого механизма в моделях газообмена почвы и атмосферы.

Global climate change in recent decades has been accompanied by rising temperatures and increasing cyclonic activity with strong air flows. How do they affect soil respiration? Is it possible to expect an increase in CO₂ emissions and, consequently, a positive feedback of climate change through the greenhouse effect? These questions cannot be answered without studying the effect of wind speed on the gas exchange between soil and atmosphere in different landscapes. The paper summarizes long-term measurements of CO₂ emissions from forest-steppe chernozems (Kursk region, Russia) in natural and anthropogenic landscapes with forest or herbaceous vegetation depending on wind speed, and presents a physically substantiated approach to its quantitative description. The approach assumes an impact of wind through increased forced convection and turbulent diffusivity, along with a potential reduction of diffusion mass transfer due to a decrease in the gradient of CO₂ concentration between the atmosphere and soil. The obtained inverse parabolic dependence adequately describes the empirical data and assumes a twofold increase of the emission when the wind speed increases to the critical value of 3 m/s and decreases to the initial level when the wind further increases to 6–7 m/s. The intensity of forced convection of soil air turns out to be 5–6 orders of magnitude lower than the wind speed in the atmosphere, but not inferior to the intensity of conventional isothermal diffusion of CO₂, which suggests the importance of taking into account this mechanism in the models of gas exchange between soil and atmosphere.