蒸散による冷却（生物学的）

蒸散冷却は、植物が水を蒸散させることで得られる冷却です。太陽放射から発生する過剰な熱は植物細胞にダメージを与え、干ばつ時や急速な蒸散によって萎れが生じると熱損傷が発生します。^[1] 緑地は、隣接する裸地や人工地域よりも涼しいため、気候を緩和するのに役立ちます。植物の葉が蒸散すると、毎日地球全体で膨大な量の水を蒸発させるためにエネルギーが使用されます。

一本の木は、1日あたり数百リットルの水を蒸散することができます。蒸散する水100リットルごとに、木は70kWh冷却します。^{[2] [3]} 都市ヒートアイランド現象は、人工地盤による植生の置換に起因する可能性があります。森林伐採地域は、隣接する手つかずの森林よりも気温が高くなります。森林やその他の自然生態系は、気候の安定化を支えています。

地球のエネルギー予算は、植物の冷却効果に関する知識を活用して、 気候変動を緩和する道筋を明らかにします。

蒸発散は、地球の表面から大気中へ水を移動させる複合プロセスです。蒸散とは、水が植物を通過し、葉やその他の地上部分から大気中へ移動することです。この動きは太陽エネルギーによって駆動されます。^[4]セコイア・セムペルビレンスなどの最も高い木では、水は根の先端から樹冠の葉まで100メートル以上上昇します。このような木は、蒸発を利用して地表を冷却します。蒸発散による水蒸気は空気と混ざり、飽和点まで上昇し、次に雲凝結核の放出に助けられて雲を形成します。凝縮する水のグラム分子（モル）ごとに、体積が1200倍以上大幅に減少します。同時に放出される潜熱によって、下からの空気が部分的な真空を埋めようとします。周囲の空気が移動するために必要なエネルギーは、温度のわずかな（潜熱の15分の1）低下から簡単に計算できます。^[要出典]

蒸散した水のうち少量は、成長と代謝に使用されます。光合成は、クロロフィルを含む植物や藻類などの他の生物の細胞内で行われます。このプロセスでは、太陽からの放射エネルギーを使用して水分子を水素と酸素に分解し、二酸化炭素から得られる炭素と結合して糖を生成します。したがって、光合成はほとんどすべての食品生産の基礎であり、副産物として酸素を生成します。^{[引用が必要]}

葉には多くの機能がある。根から水を受け取り、光合成の原料を作るだけでなく、ガス交換を可能にするために大きな内部表面積を持っている。葉の気孔は、葉から出る水蒸気と葉に入る空気の流れを制御する。多くの植物では、これは半透明になるほど薄い構造で実現され、隣接する葉にいくらかの光が通過できるようにしている。砂糖生産の原料となる水は、葉を冷やし、膨圧によって葉の構造を支える役割も果たしている。 [ ^5] 2022年には、このプロセスを再現して水素を生成する人工葉を大量生産する試みはまだ開発段階にあった。^[6]生きているものも死んでいるものも、すべての有機物は糖として始まった。それらの糖を作るプロセスの一部は、水分子をその構成要素に分解することだった。植生は光合成と蒸散を通じて気候に大きな影響を与えている。

植物学者の計算によれば、葉の体積1立方インチ[16.38 cm ^{3 ]につき、葉の内部には約600平方インチ[3,871 cm 2} ]の表面積があり、大きなニレの木には、葉を広げると約10エーカー[4.05ヘクタール]の面積内に約1500万枚の葉があり、内部の葉緑体の空気呼吸と光吸収の表面積の合計に広げると約25平方マイル[64.75平方キロメートル]の面積になります。^[5]

植物は蒸散すると冷却する。水を蒸発させ、葉の気孔を通してそれを伝達するには、多くのエネルギーが必要である。フレッド・ピアースは「1本の木が1日に100リットルの水を蒸散させると、家庭用エアコン2台分の冷却能力がある」と述べている^[7]（p. 29）。一本の木は1日に数百リットルの水を蒸散させることができる。100リットルの蒸散は70kWhの冷却能力に相当する。^{[3] [2]ヤン・ポコルニーは、樹冠直径5メートルの木は約20m 2}の面積を覆っていると仮定している。樹冠に降り注ぐ150kWhのうち、1%は光合成に使用され、10%は光エネルギーとして反射され、5～10%は顕熱として利用され、残りの79～84%は蒸散の過程に入る。^[3]

大きな木に十分な水が供給されていれば、1日に100リットル以上の水を蒸発させることができます。100リットルの水を蒸発させるには、約70kWh（250MJ）の太陽エネルギーが必要です。このエネルギーは水蒸気の中に潜熱として隠されており、液体の水に凝縮する過程で再び放出されます。^[3]

1 ヘクタールに外挿すると、閉じた樹冠の冷却力は 1 日あたり 35,000 kWh になります。

人工的な表面と植生のない都市は、隣接する田舎よりも一般的に暖かい。この現象は都市ヒートアイランドとして知られている。例えば、東京の9月の平均気温は、100年間で約2℃上昇した。この差は夏季に拡大するだろう。ダッカなどの熱帯の都市では、都市の成長と集中化により、大幅な上昇が予測されている。^[8]メルボルン市は「都市の森林の回復力を高め、都市の温度を4℃下げるために、毎年メルボルンに3000本の木を植える計画」である。^[9]樹木被覆と蒸発散量を増やすことで、局所的な緩和策となる。

より大規模な例としては、ケニア西部のマウ森林群の森林伐採面積が 1986 年の 5,200 km ²から 2009 年には 3,400 km ²にまで拡大した。衛星画像では、森林伐採された地域で気温が 20 °C 以上上昇していることが明らかになった。^[要出典]

地球上には約6兆本の木がありましたが、人間の活動によりその約半分が破壊されました。^[7] 陸上のバイオマスの増加は地球を冷やします。雲レベルでの再凝結で逃げる潜熱の半分は、温室効果ガスに再吸収されないスペクトルの一部で光子が逃げるため、大気圏から宇宙空間に放出されます。

衛星画像を使用すると、乾燥地帯の植生を回復させる再生プロセスの影響を宇宙から観察でき、時間とともに追跡できます。タンザニアのペンバモト プロジェクトの画像では、植生の回復がはっきりと確認できます。宇宙から見たアフリカの再生: Planet と Justdiggit... これらの画像に関連付けられたデータによると、表土の温度が最大 0.75 °C 低下しています。^[10]この温度低下は 4 年間で達成されました。植生被覆が増えるにつれて、さらに大きな低下が期待できます。

植物から出る水蒸気に含まれる熱の移動は、そのダイナミクスの複雑さを考えると、十分に理解されていません。^[11]蒸発散とそれに伴う冷却による大気中への水の移動は広く受け入れられていますが、大気中への水のさらなる移動については議論があります。^[12]手がかりとなる観測可能な現象があります。雲のない空の翌朝は曇りの夜よりも涼しくなりますし、砂漠は日中は非常に暑くなり、夜は急速に冷えます。熱伝達の物理学は複雑で、光子などのエネルギーキャリアが関係しています。凝縮時にエネルギーが解放されると、光子が放出され、大気中でエネルギーを上向きと下向きに伝達します。^[13]海洋は大気のダイナミクスをさらに複雑にします。^[要出典]

2022年の世界資源研究所の報告書によると、アルベド、表面粗さ、エアロゾルは、蒸発散とともに、アルベド冷却効果を高める雲を生成する。熱帯林の減少による排出量の削減により、年間2.8ギガトンのCO2が削減され、これらのアルベド効果により、年間1.4ギガトンのCO2がさらに冷却されると計算さ_れている。_[ ^14]

熱画像撮影は物体から放射される赤外線を捉える。ミハル・クラヴチク、ヤン・ポコルニーらは2007年の論文「気候回復のための水 - 新たな水パラダイム」の中で、サーモグラフィーを使用して植生と人工表面の温度差を実証した。^[15]

右の画像は、携帯電話に取り付けられたサーマルレンズで撮影されたもので、参照用に可視画像も掲載されています。植生と裸地の間では、20 °C 以上の温度差がしばしば記録されていました。^[16]ここに示す 3 つの画像は、サーマル画像と可視画像を組み合わせたものです。植生のある表面と裸地の間には、大きな温度差があることがわかります。コロネーション保護区の画像には、除草剤の散布帯で区切られた芝生のエリアと天然林の縁が写っています。下の画像は、主にカメラレンズの違いにより、少し視点が異なったサーマル画像です。これらの画像から抽出される重要な情報は、温度差です。芝生と森林の縁には、同様の熱シグネチャがあります。温度は 29 ～ 37 °C の範囲ですが、分割する除草剤の散布帯は 53 °C に達します。また、上の画像には車の轍があり、下の画像では 8 °C の差でほぼそれより高い温度が記録されていることにも注目してください。時間が経つにつれて、特に車両が湿った土壌を走行する場合、車両は土壌構造を圧縮して植物の成長を低下させます。この画像から、芝生は森林と同じくらい冷却効果があることがわかります。^{[引用が必要]}

2 つ目の熱画像と可視画像を並べて比較したものは、交通子午線です。地被植物はCoprosma repens 'Poor Knights' です。マルチは最も熱いときで 61 °C です。Coprosma は 32 °C と冷たくなります。29 °C の温度差があります。^{[引用が必要]}

植物のないまたは人工物の表面は、入射する太陽放射を吸収し、そのエネルギーに衝突して^{[説明が必要]} 、長い波形の赤外線熱として再放射します。これは感知できるという意味で顕熱です。温度は状態変化なしに変化します。対照的に、潜熱(隠れた熱) は温度変化なしの状態変化から生じます。たとえば、放射エネルギーが水体を温めると、温度が上昇し、顕熱が発生します。水体から蒸発した水は潜熱として状態変化します。^[17] 1グラムの液体の水を蒸気に変えるには540カロリーの熱が必要であり、その水蒸気が液体の水に戻ると、540カロリーが放出されます。^[17]気候を緩和する経路の1つは、水蒸気がエネルギーを大気中に戻し、そのエネルギーの一部が宇宙に消散することです。

地球のエネルギー予算は、太陽エネルギーが地球に到達し、地球システムと大気圏で循環し、宇宙に放出される経路を明らかにします。平均して、地球に取り込まれるエネルギーは 340.4 ワット/m ²です。安定した気候を維持するためには、同量のエネルギーを宇宙に戻す必要があります。温室効果ガスのレベルが上昇すると熱が保持される量も増えますが、このエネルギー バランスに影響を与える経路は他にもあります。これらのダイナミクスを理解することで、排出量の削減と隔離だけに頼るよりも、気候を緩和する経路が増えます。NASA の地球のエネルギー予算を参考にすると、一例として、地表から放出される 398.2 ワット/m ^{2 を}削減するには、陸生および海洋の植生被覆を土地被覆の割合として拡大し、季節的な成長期間を延長します。これは、土壌炭素スポンジの再生、既存の森林の保護、再植林、生物ポンプの回復など、システム全体のアプローチを通じて達成されます。惑星から放出される熱（398.2ワット/m ^{2 ）は、入射する太陽エネルギー（340.4ワット/m 2} ）よりも大きい。^{[引用が必要]}

^[18]

先住民族の権利 を保護することで、植生被覆率の向上が促進される。森林破壊は、植民地化による採取産業の表れである。最近の研究では、オーストラリア^{[19] [説明が必要] [20]}と北米^[21]の先住民族コミュニティが、制御不能な森林火災の発生を減らし、生物多様性を維持するために景観を維持していることがわかった。12,000年間の人口データの研究では、「陸上の自然の4分の3は、先住民族と伝統民族による人間の居住と利用の多様な歴史によって長い間形作られてきた」ことが判明した。^[22] 

稀な例外はあるものの、現在の生物多様性の喪失は、人間による手つかずの生態系の改変や劣化によるものではなく、むしろ、以前の社会が居住し使用していた土地の占有、植民地化、利用の強化によって引き起こされています。^[22]

これは、より効果的な気候変動対策の基盤として、西洋の認識論に組み込まれたいくつかの前提を忘れ、知識の脱植民地化を図ることを私たちに求めています。 ^{[23] [24]}

• 気候変動による水循環への影響
• 水循環

• 植物、土壌、水を利用して気候を冷却し、地球の景観に水分を補給します。ステファン・シュワルツァー、UNEP