Table of Contents

Пустыни как столп Земли’s Климатическая система

Пустыни покрывают около трети поверхности Земли и 2019 года, но их часто отбрасывают как безжизненные пустоши. На самом деле эти засушливые регионы являются динамическими двигателями, которые управляют глобальным регулированием климата, поддерживают уникальное биоразнообразие и влияют на погодные условия от Сахары до Атакамы. Их экстремальные условия противоречат сложной системе теплообмена, переноса пыли и хранения углерода, которую ученые только начинают полностью понимать. В этой статье рассматривается, как эти ландшафты формируют климат планеты и почему их сохранение имеет решающее значение в эпоху быстрых изменений окружающей среды.

Что определяет пустыню?

Наиболее общепринятым определением пустыни является регион, который получает менее 250 мм (10 дюймов) годовых осадков. Однако только осадки не захватывают сложность. Определяющие роли играют также скорость эвапотранспирации, экстремальные температуры и влажность почвы. Пустыни не являются равномерно горячими: холодные пустыни, такие как Гоби в Монголии, испытывают морозные зимы, в то время как прибрежные пустыни, такие как Намиб, охлаждаются океанскими течениями. Объединяющим фактором является нехватка воды, которая формирует каждый аспект ландшафта и его жителей.

Индекс засушливости

Климатологи используют индекс аридности (ИИ), который сравнивает осадки с потенциальным испарением, для классификации пустынь. ИИ ниже 0,05 указывает на гипераридную пустыню, в то время как значения между 0,05 и 0,20 обозначают засушливые регионы. Гипераридные пустыни, как Атакама в Чили, в некоторых районах практически не получают дождей в течение десятилетий. Напротив, полузасушливые регионы имеют немного больше влаги и часто переходят в луга. Эта классификация подчеркивает градиент от экстремальной сухости до маргинальных экосистем, каждая со своими климатическими и экологическими обратными связями.

Основные особенности пустынной среды

Крайние температурные качели

В течение дня солнце интенсивно нагревает голую землю, часто превышающую 50°C (122°F) в жарких пустынях. Ночью отсутствие облачного покрова и низкая влажность позволяют теплу излучаться обратно в космос, в результате чего температура падает ниже нуля в некоторых регионах. Этот суточный цикл влияет не только на стратегии выживания растений и животных, но и на местные ветровые модели и скорость выветривания пород. Механическое разрушение пород посредством теплового расширения и сокращения производит мелкую пыль, которая может быть поднята в атмосферу и транспортирована по всему миру.

Уникальные почвенные профили

Пустынные почвы, называемые аридизолы , характеризуются низким содержанием органических веществ, высоким содержанием минералов и часто цементированным слоем карбоната кальция, известного как калич. Недостаток воды замедляет химическое выветривание, поэтому почвы остаются грубыми и пористыми. Несмотря на кажущееся бесплодным, эти почвы могут хранить значительные количества углерода, как в виде неорганических карбонатов, так и в виде органических остатков, захваченных в засушливых условиях. Недавние исследования показывают, что пустынные почвы содержат около 200 миллиардов тонн углерода во всем мире & # x 2014; значительный, но хрупкий поглотитель углерода, который может быть выпущен, если изменения в землепользовании или потепление климата ускоряет разложение.

Ветер как доминирующий геоморфический агент

В отсутствие растительности и частых осадков ветер становится основной силой, формирующей пустынные ландшафты. Эоловые процессы разрушают, транспортируют и осадочные отложения, создавая такие особенности, как дюны, ярданги и пустынные тротуары. Песчаные дюны, которые покрывают около 20% пустынных районов, смещаются со временем и влияют на местные микроклиматы. Движение песка также генерирует электрические поля и может влиять на видимость, метеорологический радар и даже на работу самолетов. Понимание динамики ветра в пустынях имеет решающее значение для прогнозирования пыльных бурь, которые имеют далеко идущие последствия для глобального климата и здоровья человека.

Роль пустынь в регулировании глобального климата

Тепловая абсорбция и эффект альбедо

Пустыни имеют высокую альбедо (отражательность) по сравнению с океанами или лесами, особенно когда они покрыты светлым песком или соляными ровами. Это означает, что они отражают значительную часть поступающей солнечной радиации обратно в космос, помогая охлаждать планету. Однако эффект неодинаков. Более темные пустынные поверхности, такие как вулканические породы или открытый базальт, поглощают больше тепла и способствуют местному потеплению. Чистое воздействие пустынь на Землю’s энергетический баланс зависит от степени голой земли, облачного покрова и пыли. Спутниковые измерения из Земли’s Радиантная энергетическая система (CERES) показывают, что пустыни играют измеримую роль в глобальном энергетическом бюджете, действуя как радиаторы и отражатели.

Пыль и ее климатическое влияние

Пустыни являются крупнейшим природным источником минеральной пыли на планете. Только Сахара ежегодно выделяет 200–500 млн тонн пыли, большая часть которой пересекает Атлантику для оплодотворения тропических лесов Амазонки и Карибского бассейна. Пылевые частицы влияют на климат по двум основным путям: они рассеивают и поглощают солнечный свет (прямой эффект) и действуют как ядра конденсации облаков (косвенный эффект). Пустынная пыль может подавлять осадки путем стабилизации атмосферы или, наоборот, усиливать осадки в определенных условиях. Более того, богатая железом пыль из пустынь может стимулировать цветение фитопланктона в океане, вытягивая углекислый газ. Эта биофизическая связь между пустынями и морскими экосистемами подчеркивает глобальный охват засушливых регионов.

Вклад в водный цикл

Хотя пустыни сухие, они не являются пассивными игроками в водном цикле. Высокие показатели испарения из пустынных почв и водоемов (таких как Солтонское море или Мертвое море) вносят в атмосферу влагу. Этот водяной пар может транспортироваться в соседние горные хребты, где он конденсируется и падает в виде дождя или снега (орографические осадки). В прибрежных пустынях туман является критическим источником влаги: пустыня Атакама, одно из самых сухих мест на Земле, полагается на туман из Тихого океана для поддержки уникальных экосистем лишайников, кактусов и насекомых. Понимание этих путей влажности имеет важное значение для управления водными ресурсами в засушливых регионах, особенно когда изменение климата изменяет характер осадков.

Пустыни как углеродные тонуны

На протяжении десятилетий считалось, что пустыни ничтожны в глобальном углеродном цикле. Однако растущие данные показывают, что засушливые почвы могут поглощать и хранить углекислый газ, особенно путем образования карбоната кальция. Этот процесс, называемый , происходит, когда атмосферный CO₂ растворяется в почвенной воде и реагирует с минералами кальция. Некоторые оценки предполагают, что пустынные почвы секвестрируют до 1 миллиарда тонн углерода в год во всем мире, компенсируя небольшую, но значимую долю антропогенных выбросов. Кроме того, биологические почвенные корки (биокрусты), образованные цианобактериями, лишайниками и мхами, фиксируют углерод и азот, дополнительно увеличивая запасы органического углерода в почве. Защита этих корок от попирания и использования внедорожных транспортных средств имеет жизненно важное значение для поддержания потенциала поглотителя углерода пустынь.

Биоразнообразие в экстремальных условиях

Далеко не пустынные пустыни изобилуют жизнью, которая развилась замечательными приспособлениями. Богатство видов в некоторых пустынях соперничает с богатством умеренных лесов, особенно в регионах с разнообразием микрорайонов, таких как скалистые обнажения, вади (сухие русла рек) и песчаные дюны. Тысячи видов растений, включая кактусы, суккуленты и эфемерные дикие цветы, разработали стратегии захвата и сохранения воды. Животные, от лисы фенек с ее негабаритными ушами для рассеивания тепла до жабы, которая зарывается под землю в течение многих лет, демонстрируют специализированное поведение и физиологию.

Адаптация флоры

  • Скулентность: Растения, подобные агавам и алоэ, хранят воду в мясистых листьях или стеблях.
  • Глубокие корневые системы: Скважинные деревья могут поглощать грунтовые воды на глубине более 50 метров.
  • Листостность засухи: Некоторые кустарники сбрасывают листья в сухие периоды, чтобы уменьшить потерю воды.
  • Кам фотосинтез: Многие пустынные растения используют метаболизм крассуляцевой кислоты, открывая устьицы ночью, чтобы минимизировать транспирацию.

Адаптация фауны

  • Ночная жизнь: Крысы-кангуру и ежи-пустыни кормятся ночью, чтобы избежать жары.
  • Концентрированная моча: Крыса-кенгуру может выжить без питьевой воды, производя чрезвычайно концентрированную мочу.
  • Окрашивание: Многие рептилии и млекопитающие избегают крайностей поверхности, живя под землей.
  • Камуфляж: Песчаные пальто и узоры помогают хищникам и добыче избежать обнаружения.

Эти адаптации не просто биологические курьезы; они обеспечивают вдохновение для биомиметических технологий, таких как устройства для сбора воды, смоделированные после раковин жуков, и энергоэффективные конструкции зданий на основе термитовых курганов.

Пустыни под давлением: воздействие человека

Урбанизация и изменения в землепользовании

Быстрая урбанизация в пустынных регионах, таких как Дубай, Феникс и Лас-Вегас, придает огромное значение местным водным ресурсам и экосистемам. Строительство дорог, зданий и полей для гольфа фрагментирует среду обитания и изменяет гидрологию поверхности. Световое загрязнение нарушает ночное поведение животных, в то время как добыча подземных вод для сельского хозяйства и питья снижает уровень грунтовых вод, угрожая пустынным источникам и оазисам. На западе США отвлечение воды из реки Колорадо привело к сокращению Солтон-Си, создавая токсичную пыль для близлежащих общин.

Опустынивание: когда пустыни расширяются

Опустынивание относится к деградации засушливых экосистем из-за изменения климата и неустойчивых человеческих практик, таких как перевыпас, обезлесение и плохое орошение. Это глобальная проблема, затрагивающая 250 миллионов человек в засушливых и полузасушливых регионах. По мере снижения растительного покрова ускоряется эрозия почв, что приводит к потере плодородия и производительности. Опустынивание усугубляет бедность, отсутствие продовольственной безопасности и вынужденную миграцию. По оценкам Конвенции Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием (КБОООН), восстановление деградированных земель может секвестрировать до 1,4 миллиарда тонн углерода в год. Международные инициативы, такие как Великая зеленая стена в Африке, направлены на борьбу с опустыниванием путем посадки мозаики деревьев и кустарников через Сахель.

Отзывы об изменении климата

Ожидается, что глобальное потепление расширит площадь субтропических пустынь на 3–6% к концу века, согласно моделям МГЭИК. Более высокие температуры увеличивают испарение, что может еще больше высушить и без того засушливые почвы. И наоборот, в некоторых пустынях могут наблюдаться более интенсивные, но редкие осадки, что приводит к внезапным наводнениям, которые меняют ландшафты. Изменения в ветровых моделях могут изменить скорость выбросов пыли, с неопределенным воздействием на формирование облаков и продуктивность океана. Одним из наиболее тревожных отзывов является потенциальный выброс углерода из нагревающихся пустынных почв, что ускорит изменение климата. Ученые используют спутниковые датчики и наземные сети для мониторинга этой динамики в режиме реального времени.

Сохранение и устойчивое управление пустынями

Охраняемые территории

Создание национальных парков, объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО и заповедников пустынь является важным шагом в сохранении биоразнообразия и экосистемных услуг. Примерами являются Намибия’с Намиб-Науклуфт Парк, ОАЭ’с Аль-Айн Национальный парк и Национальный заповедник Мохаве США.Эти охраняемые районы служат ориентирами для понимания природных процессов, обеспечивают среду обитания для исчезающих видов и предлагают возможности для экотуризма, который поддерживает местную экономику.Однако многие пустынные парки сталкиваются с угрозами от инвазивных видов, использования внедорожных транспортных средств и водоотведения, требующих активного управления.

Восстановление деградированных земель

Восстановление опустынившихся районов включает в себя такие методы, как растение с местными засухоустойчивыми растениями, заготовка воды , использование контурных хребтов и контрольных плотин, и изменение почвы с органическим веществом или биоуголь. На Лёссском плато Китая крупномасштабные проекты террацирования и лесовозобновления успешно сократили эрозию и увеличили урожайность сельскохозяйственных культур. Общинные подходы, которые сочетают традиционные знания с современной наукой, часто наиболее эффективны. Например, скотоводы в Сахеле используют вращательный выпас скота для поддержания здоровья пастбищ и предотвращения чрезмерного выпаса, практика, в настоящее время поддерживаемая инструментами спутникового мониторинга.

Исследования и мониторинг

Текущие научные исследования необходимы для понимания систем пустыни и их ответов на глобальные изменения. Ключевые инициативы включают в себя сеть вихревых ковариационных башен, которые измеряют обмены углерода и воды, и миссию NASA’s EMIT (Исследование источников минеральной пыли на поверхности Земли), которая отображает минеральный состав источников пыли в пустыне для улучшения климатических моделей. Проекты гражданской науки, такие как Desert Watch , привлекают местные сообщества к мониторингу биоразнообразия и отчетности об изменениях окружающей среды. Сотрудничество между правительствами, НПО и академическими учреждениями укрепляет наш потенциал по управлению и защите этих хрупких, но мощных экосистем.

Тематические исследования: пустыни в меняющемся мире

Сахара и Сахель

Африка’s пустыня Сахара является самой большой горячей пустыней на Земле, охватывающей 9,2 миллиона квадратных километров. Его сезонное расширение и сокращение приводят к явлению, известному как насос “Sahara,” который влияет на распределение флоры и фауны по всей Северной Африке. Сахель, полузасушливый пояс к югу от Сахары, испытал сильные засухи и деградацию земель за последние 50 лет. Усилия по лесовосстановлению, такие как Великая зеленая стена , направлены на восстановление 100 миллионов гектаров к 2030 году, обеспечивая продовольственную безопасность, хранение углерода и устойчивость к изменению климата для миллионов людей. Проблема остается огромной, но ранние успехи в Сенегале и Эфиопии показывают, что восстановление может работать, когда общины наделены полномочиями.

Атакама: жизнь в условиях крайней засушливости

Пустыня Атакама в Чили — самая сухая неполярная пустыня на Земле, некоторые метеорологические станции годами фиксируют нулевые осадки. Несмотря на свою экстремальную сухость, в ней обитает удивительный массив жизни, от микробных сообществ в гипераридных почвах до фламинго в высотных соляных плоскостях. Атакама — это также окно в прошлое: её засушливость сохраняет древние мумии и наскальное искусство, а её ясное небо делает её главным местом для астрономических обсерваторий. Атакама — естественная лаборатория для изучения пределов жизни и последствий высыхания на органических материалах, с последствиями для поиска жизни на Марсе.

Оригинальное название: The Indispensable Desert

Пустыни — это гораздо больше, чем бесплодные ландшафты; они являются активными, взаимосвязанными компонентами климатической системы Земли’. Их роль в отражении солнечной радиации, хранении углерода, производстве пыли, которая удобряет океаны, и размещении устойчивого биоразнообразия делает их бесценными для здоровья планеты’. По мере того, как изменение климата и деятельность человека оказывают давление на эти хрупкие регионы, мы должны переместить наше восприятие из пустынь в пустыни как критических экосистем, которые требуют тщательного управления. Защита пустынь — это не только сохранение знаковых ландшафтов; это о сохранении глобальных климатических процессов, которые поддерживают жизнь повсюду. Продолжение исследований, устойчивое управление земельными ресурсами и международное сотрудничество будут иметь важное значение для обеспечения того, чтобы пустыни продолжали выполнять свои жизненно важные функции для будущих поколений.

Узнайте больше: Исследуйте Конвенцию Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием для получения информации о глобальном управлении засушливыми землями. Исследования пыли NASA Earth Observatory & #x2019, чтобы увидеть, как пыль пустыни влияет на климат и экосистемы. Инициатива Великой зеленой стены для примера крупномасштабного восстановления в Африке.