Table of Contents

Что такое микроклимат?

Микроклимат — это небольшая локализованная область, где климатические условия — такие как температура, влажность, скорость ветра и солнечный свет — отличаются от окружающего более широкого региона. Эти изменения могут быть такими же маленькими, как несколько метров или размером в несколько километров. Понимание микроклиматов является ключом к пониманию того, как тонкие различия в погодных условиях влияют на распределение и выживание видов растений и животных. Микроклиматы возникают из-за сочетания физических и биологических факторов, включая топографию, растительный покров, человеческую инфраструктуру и присутствие водных объектов. Например, склон на юг в горном массиве получает больше прямых солнечных лучей и теплее, чем склон на север всего в ста метрах, создавая различные среды обитания для разных организмов.

Факторы, которые формируют микроклимат

Признание этих факторов помогает экологам и землеустроителям прогнозировать модели биоразнообразия и разрабатывать эффективные стратегии сохранения.

Топография и подъем

Повышение является одним из самых мощных влияний на микроклимат. По мере увеличения высоты температура обычно снижается примерно на 6,5 ° C на километр (скорость пропадания окружающей среды). Однако местная топография — такая как долины, хребты и аспект (направление, обращенное к склону) — создает мелкомасштабные вариации. Холодный воздух стекает в долины ночью, создавая морозные карманы, в то время как вершины холмов испытывают большее воздействие ветра и более быстрый дренаж. Аспект определяет солнечное излучение: в Северном полушарии склоны, обращенные на юг, теплее и суше, поддерживая засухоустойчивые растения, в то время как склоны, обращенные на север, остаются более холодными и влажными, в пользу тенелюбивых видов. Эти различия могут быть настолько выраженными, что целые экосистемы сдвигаются в течение нескольких сотен метров.

Растительный покров

Растения изменяют свою непосредственную среду. Леса создают затененную подлесок, который снижает экстремальные температуры и сохраняет влагу почвы. Навес перехватывает осадки, уменьшая эрозию брызг и создавая более влажный микроклимат ниже. Напротив, луга или открытые поля испытывают более суточные колебания температуры и более высокие скорости ветра, которые увеличивают потерю воды за счет эвапотранспирации. Даже тип дерева имеет значение: плотные вечнозеленые леса производят более глубокий оттенок и более холодные микроклиматы, чем лиственные леса, которые теряют свои листья зимой. Эта петля обратной связи между растительностью и микроклиматом имеет решающее значение для поддержания среды обитания для специализированных видов.

Водные тела

Озера, реки, пруды и даже небольшие потоки умеренного местного климата путем хранения и высвобождения тепла медленно. Вода имеет высокую удельную теплоемкость, что означает, что она нагревается и охлаждается медленнее, чем земля. Следовательно, районы вблизи крупных водоемов испытывают более мягкие зимы и более прохладное лето по сравнению с внутренними районами. Этот «эффект озера» может простираться на несколько километров вниз по ветру, увеличивая влажность и стабилизируя температуры. Прибрежные микроклиматы, под влиянием океанских течений и морских бризов, являются классическими примерами - прибрежный туман обеспечивает влагу прибрежным красным лесом в Калифорнии, поддерживая уникальные экосистемы, не найденные даже в нескольких милях внутри страны.

Городское развитие

Инфраструктура человека создает городские тепловые острова (UHI), где города значительно теплее, чем окружающие сельские районы. Здания, дороги и другие темные поверхности поглощают солнечное излучение в течение дня и выпускают его ночью, повышая ночные температуры в среднем на 1-7 ° C. UHIs изменяют местные ветровые модели, увеличивают количество осадков под ветром и снижают качество воздуха. В городе зеленые насаждения, такие как парки и сады, могут создавать более прохладные оазисы (микроклиматическая рефугия), которые смягчают тепловой стресс как для людей, так и для дикой природы. Контраст между мощеной парковкой и затененной лужайкой иллюстрирует, как небольшие изменения в земельном покрове могут вызвать драматические микроклиматические различия.

Микроклимат и биоразнообразие: сложные отношения

Микроклиматы имеют основополагающее значение для биоразнообразия, поскольку они создают неоднородность — мозаику различных условий окружающей среды на коротких расстояниях. Эта неоднородность обеспечивает ниши, которые позволяют сосуществовать большему количеству видов, чем это было бы возможно в однородной среде.

Разнообразие среды обитания и разделение нишей

Различные микроклиматы предлагают различные комбинации температур, влаги, света и свойств почвы. Например, один лес может содержать залитые солнцем промежутки, глубокий оттенок, влажные углубления и сухие хребты. Каждый микроклимат благоприятствует различному набору видов. Рога и мхи доминируют в затененных, влажных пятнах, в то время как травы и дикие цветы процветают в более солнечных отверстиях. Беспозвоночные и мелкие позвоночные также разделяют эти крошечные места обитания. Этот сорт увеличивает общее богатство видов и устойчивость экосистемы, потому что нарушение, которое повреждает один микроклимат, может оставить другие нетронутыми, обеспечивая популяции источников для восстановления.

Адаптация и видообразование

Популяции, которые изолированы в уникальных микроклиматах, могут эволюционно расходиться с течением времени. Например, жук Бильбо-баггинси, найденный только в нескольких пещерах в Тасмании, приспособлен к холодным, стабильным микроклиматам пещер. Аналогично, альпийские растения, которые живут на изолированных горных вершинах, могут быть захвачены в «небесных островах», где микроклимат каждого пика приводит к местной адаптации. Микроклимат, таким образом, действует как двигатели видообразования, особенно когда изменение климата заставляет виды двигаться вертикально вдоль градиентов высоты.

Доступность ресурсов

Микроклиматы напрямую влияют на доступность критических ресурсов. Влажность почвы, например, выше в затененных микросайтах, которые поддерживают растения, требующие постоянной воды. Велопрокат питательных веществ быстрее в теплых, влажных микроклиматах, в то время как холодные или сухие микросайты медленно разлагаются. Доступность света сильно варьируется; подлесок плотного тропического леса получает менее 1% полного солнечного света, что благоприятствует теневыносливым видам. Эти градиенты ресурсов создают мелкомасштабную лоскутную оболочку, которая поддерживает высокое биоразнообразие.

Микроклиматы — это невидимые леса биоразнообразия. Без них многим видам просто негде было бы выжить. — Биолог-консерватор Ребекка Шоу, The Nature Conservancy[1]

Реальные примеры микроклиматов в действии

Понимание микроклиматов легче, когда мы рассматриваем конкретные ландшафты. Ниже приведены несколько классических примеров, иллюстрирующих, как локализованная погода создает уникальные места обитания.

Прибрежные туманные зоны

Вдоль тихоокеанского побережья Северной Америки прибрежный туман, порожденный холодными океанскими течениями, поддерживает гигантские секвойи и красное дерево. Туман капает, обеспечивает значительную влажность в сухие летние месяцы, создавая микроклимат, который намного прохладнее и влажнее, чем близлежащие внутренние районы. Это позволяет древним лесам сохраняться в средиземноморском климате. В Калифорнии прибрежная экосистема красного дерева зависит от тумана до 35% от его годового потребления воды. По мере того, как изменение климата снижает частоту тумана, эти леса сталкиваются с повышенным стрессом.

Альпийские райджи и снежные пятнышки

В высокогорных экосистемах снежные пятна, которые хорошо задерживаются летом, создают поразительно разные микроклиматы. Земля под снежным покровом остается прохладной и влажной, задерживая рост растений и обеспечивая среду обитания для снежных водорослей и насекомых. Всего в нескольких метрах от этого места, в котором отсутствует снег, может быть жаркой и сухой, поддерживая виды спешки и наземных жуков. Эти «снежные» микроклиматы имеют решающее значение для эндемичных видов, таких как ледниковые киски (]Antennaria media) и служат в качестве рефугии для холодно адаптированных организмов в условиях потепления.

Городские сады и зеленые крыши

В городах зеленые насаждения создают микроклиматы, контрастирующие с окружающей застроенной средой. Хорошо затененный сад в городе может быть на 3-5°C холоднее, чем прилегающие тротуары, обеспечивая тепловое убежище. Эти микроклиматы привлекают опылителей, таких как пчелы, бабочки и птицы, увеличивая городское биоразнообразие. Зеленые крыши еще более умеренные температуры зданий и создают среды обитания для насекомых и гнездящихся птиц. Исследования в Берлине и Лондоне показали, что городские зеленые насаждения поддерживают удивительно высокое разнообразие насекомых, во многом благодаря микроклиматической неоднородности, которую они обеспечивают.

Микро-обитаемые пустыни

В засушливых регионах микроклиматы часто являются буквальными спасителями жизни. Рок-крейсеры, затененные стены каньона и северная сторона валунов могут быть значительно холоднее и влажнее, чем открытый пол пустыни. Многие пустынные рептилии, грызуны и растения зависят от этих микрорефугий, чтобы выжить в условиях экстремальной дневной жары. Например, пустынная черепаха роет норы, которые поддерживают стабильный микроклимат - часто на 10 ° C холоднее, чем снаружи. Аналогично, кактусы и суккуленты растут в частичном оттенке «семейных растений», которые создают более мягкий микроклимат, который снижает потерю воды и температурный стресс для саженцев.

Как изменение климата разрушает микроклимат

Изменение климата изменяет микроклиматы, от которых зависит биоразнообразие. Хотя часто сообщается о среднем глобальном уровне, фактические воздействия являются весьма локальными и могут быть более серьезными, чем предполагает глобальное среднее значение.

Температурные сдвиги и потеря микрорефугии

По мере повышения средних температур многие микроклиматы сдвигаются или сжимаются. Холодная микрорефугия — такая как снежные пятна высокого уровня, затененные долины или склоны, обращенные на север, — теплая и высыхающая, что делает их менее подходящими для видов, адаптированных к более холодным условиям. Например, альпийским видам, которые когда-то нашли убежище на вершинах холодного хребта, может некуда пойти, поскольку их среда обитания сокращается. Некоторые микроклиматы могут стать «климатическими ловушками», если виды перемещаются в них, но затем не могут убежать, поскольку условия ухудшаются дальше.

Измененные модели осадков

Изменения в сроках и интенсивности осадков напрямую влияют на микроклиматы. В регионах, где дождь становится более концентрированным в сильные штормы, влажность почвы может быть ниже между штормами, высыхая микросайты, которые когда-то оставались влажными. Засушенные деревья сбрасывают листья, увеличивая проникновение солнечного света и изменяя микроклимат леса. И наоборот, увеличение количества осадков может привести к затоплению некоторых микросайтов, изменению видового состава. Эти сдвиги могут каскадировать через экосистему, влияя на все, от прорастания растений до жизненных циклов насекомых.

Инвазивные виды и конкуренция микроклимата

Изменение климата может способствовать инвазивным видам, которые более терпимы к более теплым, сухим или более переменным условиям. Например, читграсс (]Bromus tectorum) процветает в нарушенных, теплых микроклиматах и может изменять режимы огня, вытесняя местные растения. Инвазивные виды также сами модифицируют микроклиматы — например, плотные стенды кудзу на юго-востоке США создают глубокий оттенок и высокую влажность, которые местные подлесковые растения не могут терпеть. Эта петля обратной связи может ускорить потерю биоразнообразия.

Фенологические несоответствия

Многие виды полагаются на микроклиматические сигналы (например, температура почвы или появление листьев) во времени жизненных событий, таких как цветение, миграция или размножение. По мере смещения микроклиматов эти сигналы могут стать несоответствующими с наличием пищи или жизненными циклами хищников. Например, на горных лугах время таяния снега влияет, когда цветут растения и когда прибывают колибри. Если таяние снега происходит раньше из-за потепления, цветы могут цветить до возвращения колибри, что приводит к голоду опылителей и уменьшению посевного набора. Такие несоответствия уже документированы во многих экосистемах.

Стратегии сохранения микроклиматов

Учитывая жизненно важную роль микроклиматов в поддержании биоразнообразия, усилия по сохранению должны учитывать соображения микроклимата.

Устойчивое ландшафтное планирование

Поддерживая и восстанавливая неоднородность среды обитания. Защищая разнообразные склоны, аспекты, возвышенности и типы растительности, землеустроители увеличивают вероятность того, что некоторые микроклиматы останутся подходящими при изменяющихся условиях. Это включает в себя создание коридоров, которые соединяют микроклиматы, чтобы виды могли перемещаться по мере изменения условий. Например, на северо-западе Тихого океана коридоры сохранения предназначены для соединения лесов с низким уровнем подъёма с высокоподъёмной рефугией, позволяя видам отслеживать свои предпочтительные микроклиматы в гору.

Восстановление лесов и местная растительность

Восстановление местной растительности, особенно лесов, помогает буферным микроклиматам. Деревья затеняют землю, сохраняют влагу почвы, снижают скорость ветра и умеренные экстремальные температуры. Проекты по лесовосстановлению должны уделять приоритетное внимание разнообразным местным видам, которые создают сложные навесные и подземные слои для максимизации микроклиматических изменений. Даже небольшие участки восстановления, такие как изгороди или лесные буферы вдоль потоков, могут создавать критические микроклиматы для местной дикой природы.

Адаптация городского климата

Города могут улучшить микроклиматические убежища с помощью зеленой инфраструктуры: посадка уличных деревьев, создание парков и зеленых крыш, использование отражающих тротуаров и сохранение природных водных объектов. Эти мероприятия охлаждают городские тепловые острова, уменьшают стоки ливневых вод и обеспечивают среду обитания. Во многих европейских городах «зоны адаптации к климату» обозначены там, где строительные нормы требуют зеленых крыш и проницаемых поверхностей для поддержания прохладного микроклимата. Такие меры приносят пользу как здоровью человека, так и городскому биоразнообразию.

Мониторинг микроклиматов с помощью технологий

Достижения в области дистанционного зондирования, датчиков IoT и гражданской науки позволяют проводить детальный мониторинг микроклиматов. Ученые теперь развертывают сети датчиков влажности почвы, регистраторов температуры и метеостанций в исследуемых районах для отслеживания мелкомасштабных изменений. Данные из сетей, таких как Национальная сеть экологической обсерватории (NEON) , дают бесценную информацию о том, как микроклиматы реагируют на изменчивость климата. Менеджеры по сохранению могут использовать эти данные для выявления критических микрорефугий и определения приоритетов вмешательств.

Правовая защита микроклиматических рефугий

Некоторые микроклиматы настолько уникальны и находятся под угрозой, что требуют особой правовой защиты. Например, некоторые альпийские снегоступы, бассейны на лугу и прибрежные зоны тумана обозначены как критические места обитания в соответствии с Законом США об исчезающих видах. Расширение такой защиты и включение данных о микроклимате в планирование землепользования гарантирует, что наиболее жизненно важные микросайты не будут уничтожены в результате развития или добычи ресурсов.

Заключение

Микроклиматы — это не просто академические курьезы, они — тонкое зерно экологической реальности. Они определяют, какие виды могут жить там, как они взаимодействуют, и могут ли они сохраняться при изменении климата. Понимая факторы, которые создают микроклиматы и их глубокое влияние на биоразнообразие, мы можем лучше оценить сложную красоту природных систем. Защита микроклиматов посредством продуманного сохранения, восстановления и городского планирования — это инвестиции в устойчивость жизни на Земле. Поскольку мы сталкиваемся с быстро нагревающимся миром, убежища, предоставляемые прохладными долинами, затененными лесами и зелеными городами, могут стать святилищами не только для дикой природы, но и для нас самих. Будущее биоразнообразия зависит от этих маленьких, скрытых миров.

Для дальнейшего чтения изучите ресурсы из NOAA’s Climate Education и IPCC Sixth Assessment Report on ecosystems.