バイオティックポンプ

生物ポンプは、森林が海から吹き上がる風を作り出し、制御し、それによって内陸の森林に水を供給する仕組みを示す理論的概念です。

この理論は、森林が水循環において果たす役割を説明できる。樹木は土壌から水を吸収し、葉の微細な気孔から未使用の水を蒸気として空気中に放出する。このプロセスは蒸発散として知られている。生物ポンプは、樹木から放出された水蒸気が風を巻き起こし、その風が大陸を横断して遠く離れた森林に水分を届ける仕組みを説明できる。このプロセスと森林の葉には表面積があるという事実により、森林は水域または同等の大きさの水からの蒸発よりも多くの水分を大気中に放出できる。^[1]

このサイクルに関する以前の仮説は、風によってもたらされる降水が気温と気圧の変化の直接的な結果であることを説明しています。生物ポンプ仮説は、熱帯雨林が周囲の生態系にとっていかに重要であるかを示しています。熱帯雨林は人為的要因（森林破壊など）の影響を受けやすく、それが生物ポンプに影響を与える可能性があります。したがって、繁栄するために生物ポンプに依存している他の生態系にも影響を与えます。熱帯雨林がなければ、天候は不安定になり、水を生物ポンプに依存している地域では雨が減少する可能性があります。^{[2]さらに、}被子植物の進化や、生態系と大陸の内部給水との相関関係についてさらに理解を深めることができます。2022年までに、この概念はより広く表現され、森林破壊の阻止、水循環の回復、惑星の冷却の重要性に関連付けられました。^{[2] [3]}

「生物ポンプ」という用語は、生物学的プロセスによって駆動される循環システムを暗示しています。この概念は、森林が大気プロセスを操作する主要な要因であり、すべての大陸で樹木が吸収した雨水を大気に戻して循環させることを示しています。^{[4]沿岸の森林の} 蒸発散は低気圧を作り出し、海から水蒸気を引き込む吸引効果を生み出します。生物ポンプ理論以前は、樹木は水循環において受動的な役割を果たしていると考えられていました。^[5]対照的に、生物ポンプの概念を開発している人々は、「森林と樹木は水、エネルギー、炭素循環の主要な調整器です」と述べています。^[6]現在、より多くの雨が蒸発している地域（陸上よりも海上）では、大気の体積がはるかに速い速度で減少します。これにより、この地域に低気圧が形成され、雨の蒸発が少ない地域よりも湿った空気が多くなります。これにより、空気中の水分が高圧の地域から低圧の地域に移動します。森林地帯や砂漠での完全な日光などの要因は、空気中の水分の移動に影響を与える可能性があります。蒸発や蒸散量の増加は雲の形成とともに気圧の低下を引き起こし、その結果、蒸発散が最も高い地域に湿った空気が引き寄せられる。砂漠ではこれは海に相当し、森林では海からの湿った空気は内陸に引き寄せられる。この理論は、海岸から大陸にかけての降雨パターンを2種類予測している。まず、森林地帯では内陸に移動しても降雨量が減少しないことが予想されるが、森林伐採地域では年間降雨量が急激に減少することが観察される。現在の地球気候モデルはこれらのパターンによく当てはまるが、これはパラメータ化によるものであり、理論の正確さによるものではないと主張されている。^[7]

生物ポンプ理論は、ペテルスベルク核物理学研究所の理論物理学部門に勤務していたロシアの理論物理学者、アナスタシア・マカリエワと故ヴィクトル・ゴルショフによって開発された。^[8] マカリエワ博士は、地球上で最も広い樹木が生い茂るロシア北部の森林で、レクリエーションや仕事で時間を過ごした。彼女は、風は気温の差によって駆動されるという従来の理解では風の力学を十分に説明できないと主張し、水蒸気が水に変わることで生じる圧力低下の方がより正確なモデルであると理解した。^[9]彼女の初期の研究は、ほとんど無視され、批判された。^[10]

この理論は、気候力学の地質力学的見解から、気候の原動力としての生物学へのパラダイムシフトを表している。そのため、この理論は主流の気候科学から批判を受けている。フレッド・ピアースは、これは部分的には文化的なものだとしている。「40年間の報道で私が知っているように、科学は驚くほど部族的になり得る。マカリエワとゴルシコフはアウトサイダーだった。気候科学の世界では理論物理学者であり、西洋の科学者が支配する分野ではロシア人であり、マカリエワの場合は女性でもある」^[9]

陸上の水分循環の中心地は、アマゾン川流域、コンゴ熱帯雨林、南アジア、インドネシア諸島の4つであると考えられています。特に、アマゾン川流域の水文学的ダイナミクスはまだ不明ですが、生物ポンプ仮説の真実性を示しています。これらのプロセスは、「人類にとって安全な活動空間」に貢献しています。^[11]さらに、生物ポンプ理論は、世界中の他の自然現象を説明するのに役立ちます。たとえば、生物ポンプは、アマゾンやコンゴなどの熱帯雨林が高い降雨量を維持できるのに対し、他の森林のないバイオームでは内陸に行くほど降雨量が減少する理由を説明するのに役立ちます。^[4]

大気河川（または飛行河川）は、以前は対流圏河川と呼ばれていましたが、^[12]森林から放出された水蒸気を拾い上げ、その水分を遠くの水域に運ぶ風です。^[1] これらの河川は、生物ポンプによって長距離にわたって強化されています。アマゾンを流れる大気河川は南下し、ラプラタ盆地にその雨の50％を供給しています。^[5]中国北西部の河川は、降水量の70％以上をユーロアジアと北アジアから受けています。^[13] 2022年までに、この概念は広く受け入れられるようになりました。^[14]

1. このサイクルは、海からの降水が降水と蒸発散のサイクルによって景観を通じて循環することから始まります。森林は蒸散と凝縮を通じて低気圧を作り出し、海から湿った空気を引き寄せます。^{[7] [8]}
2. 蒸散と蒸発により、水は微生物や揮発性有機化合物（VOC）とともに大気中に戻ります。空中の微生物は雨の核となります。 ^[15]    
3. 生物学的に誘発された気流は大気中の水分をさらに内陸へ運びます。
4. 雨水が供給されることで、植生は生き残り、繁茂して森林被覆を永続させることができます。森林地帯は蒸散冷却と日陰の提供により、より穏やかな気候です。林床に浸透する光は、隣接する伐採地と比較して1％程度しか透過しません。^{[16]伐採地がより多く露出している地域では、放射エネルギーから}顕熱への変換が増加します。森林地帯は、植生がまばらまたは裸地よりも大幅に涼しいです。^[17]
5. 木は霧や湿った空気を遮断することで水分を蓄えます。大気中の湿気は葉や枝に凝縮します。このプロセスを模倣したのが霧よけネットです。    
6. 樹冠は雨水の土壌表面への浸透を遅らせ、その影響を和らげます。さらに、有機物の供給と根から菌根ネットワークへの炭素の排出によって土壌炭素が生成され、水の浸透と貯蔵のための土壌構造が強化されます。
7. 浸透率と貯留率を高めた土壌は洪水の影響を緩和します。森林が土壌を浸食から守ることで、さらに効果が高まります。土壌に浸透した水は帯水層の補充に役立ちます。

地球上には推定6兆本の樹木があり、そのうち約3兆本が現在も残っています。^[9]他の陸上植物や海洋植物とともに、樹木は光合成によって糖を生成し、生命と成長の基本的な要素を提供します。このプロセスでは酸素も生成され、空気中の二酸化炭素も除去されます。樹木は食料や木材も提供し、生物多様性を育みます。さらに、森林地帯は、特に熱帯雨林と呼ばれる熱帯雨林において、人間や動物の生活に十分な水を提供します。

対照的に、乾燥地帯は地球の陸地面積の約41％を占め、20億人が住んでいます。^[18]これらは脆弱な生態系です。悪天候や人間の活動による圧力により、水資源は急速に枯渇する可能性があります。

植生再生プロジェクトは、植生の再生が降雨量を回復させるという証拠をもたらしている。インドの水夫であるラジェンドラ・シンは、ラジャスタン州のいくつかの河川を再生する運動を主導し、植生被覆率を2％から48％に増加させ、この地域の気温を2 ^℃​​下げ、降雨量を増加させた。^{[17] 、[19]} アフリカの万里の長城プロジェクトは2022年に15％完了した。モデル化によると、完成した壁によりサヘルの平均気温が1.5 ^℃も低下する可能性があるが、最も暑い地域では気温が上昇する可能性がある。降雨量は増加し、一部の地域では2倍にさえなるだろう。^{[20]中国もまた、}ゴビ砂漠の拡大を食い止めるために  4,500kmの万里の長城プロジェクトを植林している。

バイオレインコリドーという用語は、大気中の水分と降水量の流れを維持する森林の連続した領域を表します。^[21]森林破壊が続くと、大気中の水分の流れが妨げられるリスクがあります。2022年には、森林破壊の影響と森林の不連続性が大気中の水分の流れに与える影響を判断するために、生物ポンプのメカニズムをモデル化するプロセスが開発されていました。^[22]

これらのダイナミクスをさらに理解する必要性が大いにある。「森林による水とエネルギーの循環は、気候変動への適応、緩和、土地利用、水管理に関する地域、国、大陸、地球規模の意思決定に十分に統合されていない。このことが、地球の気候と生命維持機能を保護する人類の能力を制約している。」^[6]

• 生物ポンプ