Углерод

Порой незначительные, на первый взгляд, детали имеют невероятное влияние на общую картину. Этот принцип применим ко многим сферам нашей жизни: таинственная улыбка Моны Лизы, породившая уйму теорий и спекуляций; одна строка кода, способная напрочь изменить функционал программы; порядок расположения атомов, меняющий свойства вещества. О последнем мы сегодня и поговорим. Ученые из университета города Цукуба (Япония) выдвинули теорию, согласно которой можно создать новую структуру алмаза, которая будет прочнее всем известного минерала. Ученые назвали свое творение пентаалмаз. Что нужно для создания пентаалмаза, какими свойствами он может обладать и где можно применять столь прочное вещество? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Углерод вездесущий элемент периодической таблицы, являющийся основой для великого множества органических и неорганических соединений. В природе углерод можно встретить практически везде: нефть и торф, метан и углекислый газ, мышцы и кости и т.д. и т.п. Одним словом, углерод не зря считают одним из основных строительных блоков жизни на Земле.

Некоторые вещества или химические элементы могут существовать в разной форме при разных условиях. Это называют аллотропией. Углерод рекордсмен в этом деле, ибо у него имеется более 9 аллотропических модификаций.

Причинами наличия столь большого числа аллотропов углерода являются орбитальная гибридизация, граничные условия и топологические дефекты. Три формы орбитальной гибридизации (sp, sp² и sp³) представляют аллотропы, охватывающие все измерения:

• одномерные цепочки для sp (полиин);
• двумерный лист для sp² (графен);
• трехмерная сеть для sp³ (алмаз).

Кроме того, граничные условия и топологические дефекты позволяют углероду формировать дополнительные аллотропы с уникальной морфологией: например, фуллерен и углеродные нанотрубки, которые обладают необычными электронными и структурными свойствами.


Разнообразие фуллеренов.

Углеродные аллотропы, состоящие из sp² и sp³ атомов С, привлекают внимание исследователей из-за их морфологического разнообразия, которое обусловлено огромным количеством комбинаций sp² и sp³ атомов внутри одной системы. Примером тому могут послужить обработанные высоким давлением и температурой фуллерены (например, C₆₀), которые могут обладать низкой массовой плотностью из-за ковалентных связей между фуллеренами и наноразмерными порами.

Помимо этого есть исследования, в которых описывается быстрое гашение аморфного углерода, что приводит к формированию гибридного аллотропа sp²-sp³ Q-углерода, обладающего магнетизмом и твердостью, превосходящую алмаз.

Углерод можно грубо назвать пластилином в руках ученых, ибо из него можно создать очень много различных по свойствам и функционалу веществ, было бы желание и фантазия.

В данном труде ученые представили теоретическое исследование трехмерного углеродного аллотропа, состоящий из атомов C sp² и sp³ (пентаалмаз). Получить его можно посредством сополимеризации углеводородных молекул, содержащих пентагональные кольца (спиро[2.4]гептан-4.6-диен (C₇H₈) и [5.5.5.5]-фенестран-тетраин).

Пентаалмаз состоит из пятиугольных колец с пространственной группой Fm3m вследствие сополимеризации этих составляющих молекул. Расчеты показали, что у пентаалмаза высокий объемный модуль* 381 ГПа, что составляет примерно 80% от алмазного. Это говорит о том, что пентаалмаз является твердым углеродным аллотропом.

Кроме того, он имеет отрицательный коэффициент Пуассона* (-0.241), что приводит к чрезвычайно высоким модулю Юнга* (1691 ГПа) и модулю сдвига* (1113 ГПа), а это выше, чем у алмаза или других сверхпрочных углеродов.

Объемный модуль упругости* характеристика способности вещества сопротивляться всестороннему сжатию.

Коэффициент Пуассона* отношение относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению.

Модуль Юнга* (модуль упругости) оценка способность материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации.

Модуль сдвига* оценка способности материала сопротивляться сдвиговой деформации.

Пентаалмаз представляет собой полупроводник с непрямой запрещенной зоной* в 2.25 эВ, который, как ожидается, будет обладать высокой подвижностью дырок*.

Запрещенная зона* область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристалле.

Дырка* носитель положительного заряда в полупроводниках.

Результаты исследования

Все расчеты проводились на основе теории функционала плотности, реализованной в программном комплексе STATE (STF-ElectronMo).


Изображение 1

На схемах выше показана оптимизированная геометрия пятиугольника с параметром решетки 9.195 и пространственной группой Fm3m. Ковалентная сеть состоит исключительно из пятиугольников, в которых три из пяти ребер разделены соседними пятиугольниками (1а), вследствие сополимеризации C₇H₈ и [5.5.5.5]-фенестран-тетраина, которые поочередно располагаются в вершинах кубической решетки (1b).

Согласно этим составляющим молекулам и их расположению, элементарная ячейка петаалмаза содержит 22 атома углерода: 10 являются атомами sp³ и 12 атомами sp². Кроме того, операторы симметрии, принадлежащие группе Fm3m, сокращают число независимых атомных областей до трех.

Поскольку сеть состоит из атомов углерода sp² (с тройной координацией) и sp³ (с четырехкратной координацией), ковалентные связи классифицируются на две группы. Рассчитанные длины связей, относящиеся к атомам sp³, составляют 1.563 для C1-C1 связей и 1.520 для C2-C3. А вот длина связи (C3-C3) для атомов sp² составляет 1.349 , что подтверждает наличие именно двойной связи у атомов sp².

Как показано на 1а, пентаалмаз обладает большими кубическими порами с ребрами 3.664 , окруженными пятиугольной ковалентной сеткой. Следовательно, он имеет низкую массовую плотность с плотностью 2.26 г/см³, как у графита, но на 36% меньше, чем у алмаза.

Относительная полная энергия пентаалмаза равна 275 мэВ/атом, что соответствует классическому алмазу. Но общая энергия выше, чем у алмаза, графита и других твердых углеродных материалов, хоть и ниже, чем у C60, который, как известно, является метастабильным углеродным аллотропом нульмерного пространство. Умеренная полная энергия объясняется структурным искажением углов связи для атомов sp² и sp³.

Касательно атомов sp³: несмотря на то, что атом C1 имеет почти идеальную sp³ гибридизацию с углом связи 212 = 109.4, С2 атом имеет углы связи 212 = 115.9 и 323 = 101.9, которые шире и уже, чем соответствующие углы связи идеального sp³. Касательно атомов sp²: из-за пятиугольной сети угол связи, относящийся к C3, равен 232 = 133.4 и 233 = 113.3, что также больше и меньше соответствующих углов связи идеального sp².

Умеренная энергия также увеличивает энергию образования (E) пентаалмаза при прямой сополимеризации C₇H₈ и [5.5.5.5]-фенестран-тетраина:

спирононадиен + фенестратетраен = пентаалмаз + 12H₂ + E

Расчетная энергия образования составляет 0.31 эВ/атом, отражая затраты энергии на формирование ковалентной сети sp² и sp³ атомов углерода с искаженными углами связи.

Таким образом, ожидается, что пентаалмаз будет синтезирован с использованием реакции Ульмана на бромоспиро[4.4] нона-2.7-диене и бром[5.5.5.5]-фенестратетраене вместо их первичной формы.

Далее было проведено исследование термостабильности пентаалмаза посредством моделирования молекулярной динамики при температуре 4000 К. Дабы понять, какие могут возникать структурные изменения, расчеты молекулярной динамики выполнялись с постоянной температурой для расширенной атомной клетки (88 атомов углерода) в течение 12 пс (пикосекунд, 1 пс = 1012 с) и для упрощенной (1х1х1) в течение 146 пс.


Изображение 2

По результатам моделирования спустя 14 пс при 4000 К пентаалмаз полностью сохраняет свою первоначальную топологию как в случае сложной, так и упрощенной атомной клетки (график выше).

Следовательно, пентаалмаз является термически и энергетически стабильным, если его синтезировать с использованием соответствующих схем, предложенных в данном труде.


Сравнение свойств пентаалмаза и других углеродных аллотропов.

Механические свойства пентаалмаза были изучены посредством упругих постоянных cij, которые определяются путем оценки конечной разности полной энергии по отношению к деформациям. Рассчитанные значения упругих постоянных составили: 1715.3 ГПа для с₁₁ (= с₂₂ = с₃₃); 283.5 ГПа для с₁₂ (= с₁₃ = с₂₃) и 1187.5 ГПа для с₄₄ (= с₅₅ = c₆₆).

Стоит также отметить, что данные показатели полностью удовлетворяют критерий устойчивости Борна (с₁₁ с₁₂ > 0, с₁₁ + 2с₁₂ > 0 и с₄₄ > 0), что дополнительно свидетельствует о стабильности пентаалмаза.

В случае кубической симметрии объемный модуль упругости рассчитывается по формуле: В = (с₁₁ + 2с₁₂)/3. В результате В был равен 381 ГПа, что составляет более 80% от соответствующего показателя у алмаза. Это говорит о том, что пентаалмаз является потенциальным кандидатом в твердые углеродные аллотропы, хотя его плотность достаточно низкая (как у графита).

Для дальнейшего исследования механических свойств был рассчитан модуль Юнга пентаалмаз по формуле:


где и углы Эйлера*, s_ij упругая податливость, определяемая за счет cij с соотношениями между s₁₁ = [c₁₁ + c₁₂]/[(c₁₁ c₁₂)(c₁₁ + 2c₁₂)], s₁₂ = [-c₁₂]/[(c₁₁ c₁₂)(c₁₁ + 2c₁₂)] и s₄₄ = 1/c₄₄.

Углы Эйлера* углы, описывающие поворот абсолютно твердого тела в трехмерном пространстве.

Изображение 3

Модуль Юнга у пентаалмаза чрезвычайно высок и превышает 1.5 ТПа для всех направлений (3а). Зная модуль Юнга и объемный модуль упругости, можно рассчитать модуль сдвига (3b), который также оказался достаточно высок (1 ТПа) для всех направлений.

Следовательно, пентаалмаз может проявлять чрезвычайную жесткость относительно анизотропных структурных деформаций. Особого внимания требует и тот факт, что, модули Юнга и модуль сдвига выше, чем у других твердых и сверхтвердых углеродных аллотропов (таблица выше).

Столь высокие значения вышеописанных модулей говорят о том, что у пентаалмаза должен быть отрицательный коэффициент Пуассона. Это утверждение было подтверждено расчетами, показавшими коэффициент Пуассона в диапазоне от -0.20 до -0.28 в зависимости от направлений решетки (3с). Такие уникальные показатели приводят к тому, что в пентаалмазе скорость звука также будет достаточно велика (28700 м/с против 12000-18350 м/с у обычного алмаза).


Изображение 4

График выше показывает электронную структуру и плотность состояний пентаалмаза, который представляет собой полупроводник с непрямой запрещенной зоной 2.52 эВ. Валентная зона и зона проводимости расположены в точках L и X соответственно. Самая высокая ветвь валентной зоны и самая низкая ветвь зоны проводимости имеют существенную дисперсию (1 эВ или более).

Потому ожидается, что пентаалмаз будет иметь малые эффективные массы по краям зон: расчетные массы электронов в точке X составляют 0.98 и 0.67 (меньше, чем у алмаза) вдоль направлений к точкам и W соответственно. А вот касательно края валентной зоны ситуация противоположная: рассчитанные массы дырок в точке L составляют 1.59 и 0.76 (больше, чем у алмаза) вдоль направлений к точкам W и соответственно.

Умеренная масса носителей и большая плотность состояний на краях зон предполагают, что пентаалмаз может обладать умеренной подвижностью носителей как для электрона, так и для дырки. Дисперсионное соотношение, а также плотность состояния показывают, что пентаалмаз обладает трехмерной объемной электронной структурой, как у алмаза, что отражает его трехмерную ковалентную сеть с высокой симметрией.


Изображение 5

Для лучшего понимания электронной структуры пентаалмаза ученые провели исследование волновой функции самой высокой ветви и самой нижней ветви пентаалмаза в определенных точках симметрии.

Волновые функции высшей ветви валентной зоны в точках L и распределены по атомам C3, имеющими характер -связи, вследствие их sp²-гибридизации. Волновая функция нижней ветви зоны проводимости в точках и X также распределена по атомам C3 с антисвязывающей -природой. Ученые отмечают, что и валентное состояние, и состояние проводимости являются не чистым -состоянием, а гибридизированными состояниями, содержащими небольшое количество -компонента. Это значит, что электронные состояния вблизи и вокруг краев зон рассматриваются как -электронные состояния димеров sp²C, которые отдалены примерно на 2.6 от его восьми смежных областей.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном исследовании ученые высказали теорию о том, что вполне возможно создать углеродную структуру, свойства которой будут лучше, чем у алмаза. Расчеты, выполненные в ходе исследования, подтвердили эту догадку.

Посредством сополимеризация спиро[2.4]гептан-4.6-диена (C₇H₈) и [5.5.5.5]-фенестран-тетраина с симметрией Fm3m можно синтезировать трехмерную ковалентную пятиугольную сеть атомов углерода sp² и sp³. Свое творение ученые назвали пентаалмазом.

Большинство механических свойств пентаалмаза превосходят соответствующие у известного нам обычного алмаза или у других твердых аллотропов углерода. Любопытно, что пентаалмаз тверже, чем алмаз, но его плотность схожа с плотностью графита.

В будущем ученые намерены перевести теорию в практику. Но даже сейчас их труд явно демонстрирует, что возможности современной науки воистину безграничны, если, конечно, уделять должное внимание деталям, помнить про все нюансы законов природы и не бояться экспериментировать.



Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Страны всего мира обещают высадить миллиарды деревьев с тем, чтобы вырастить новые леса. Однако в новом исследовании демонстрируется, что потенциал поглощения углерода из атмосферы и влияния на изменение климата у лесов, восстанавливающихся естественным образом, гораздо больше, чем считалось ранее.

Когда Сюзан Кук-Паттон в Смитсоновском центре исследования окружающей среды в Мэриленде семь лет назад занималась постдокторантурой по теме восстановления лесов, она, по её словам, помогла высадить 20 000 деревьев в Чесапикском заливе. Это был очень ценный урок. Лучше всего в основном росли те деревья, которые мы не сажали, вспоминает она. Они естественным образом прорастали на земле, которую мы подготовили для посадок. Множество деревьев появлялось тут и там. Это стало хорошим напоминанием о том, что природа знает, что делает.

Что работает в Чесапикском заливе, работает, вероятно, и много где ещё, говорит Кук-Паттон, ныне работающая в благотворительной экологической организации The Nature Conservancy [сохранение природы]. Иногда нам просто нужно дать природе место, чтобы она снова там выросла естественным путём. Её вывод сделан из нового глобального исследования, согласно которому потенциал естественного роста лесов в плане поглощения углерода из атмосферы и влияния на изменение климата серьезно недооценивался.

Сейчас высадка лесов находится на пике моды. В Давосе на Всемирном экономическом форуме этого года прозвучал призыв высадить триллион деревьев. Одной из реакций правительства США на проблемы климата стало сделанное в прошлом месяце обещание высадить почти миллиард (855 млн) деревьев на площади в 1,1 млн га с помощью коммерческих и некоммерческих организаций, например, American Forests.

Евросоюз в этом году пообещал в рамках инициативы Green Deal высадить 3 млрд деревьев. В рамках Боннского соглашения 2011 года и Парижского соглашения 2015 года уже существуют цели восстановить более чем 344 млн га лесов в основном, посредством их высадки. Это чуть больше, чем площадь Индии, и на такой площади может расти примерно четверть триллиона деревьев.

Высадка деревьев повсеместно считается естественным решением проблемы изменения климата, способом регулировать его в течение следующих трёх десятилетий, пока мир работает над тем, чтобы добиться экономики, не выделяющей углеродов. Однако кое-кто возражает этому.

Никто не выступает против деревьев. Однако некоторые критики утверждают, что агрессивное стремление к выполнению целей посадки будет лишь прикрытием. Сотни миллионов гектаров земли будут захвачены быстрорастущими и часто нехарактерными для данной местности коммерческими монокультурными посадками: акациями, эвкалиптом и соснами. Другие спрашивают: зачем вообще сажать деревья. Если можно просто оставить землю для того, чтобы ближайшие леса засеяли её и заново заняли? Природа сама знает, чему нужно расти, и у неё это получается лучше всего.

В новом исследовании от Кук-Паттон и её соавторов из 17 научных и экологических организаций, опубликованном в журнале Nature, говорится, что оценки скорости накопления углерода естественным повторным ростом лесов, подтверждённые в прошлом году межгосударственным комитетом ООН по изменению климата, в среднем на 32% ниже, чем нужно. В случае тропических лесов эта цифра доходит до 53%.

Это исследование наиболее подробная из всех попыток разметить места, где леса могли бы вырасти естественным путём, и оценить их потенциал в накоплении углерода. Мы изучили почти 11 000 замеров поглощения углерода повторно вырастающими лесами, сделанных в 250 исследованиях со всего мира, рассказала Кук-Паттон.


Новые растения прорастают среди сгоревших деревьев Амазонки в бразильском штате Пара

Она обнаружила, что скорость накопления углерода в разных случаях может отличаться в сто раз в зависимости от климата, почвы, высоты над уровнем моря и характера ландшафта. Это гораздо больший разброс, чем считалось возможным ранее. Даже в рамках одной и той же страны разница могла быть огромной. Но в среднем естественная регенерация оказалась не только более разнообразной, но и способной поглотить больше углерода, с более высокой скоростью и более безопасным образом по сравнению с плантациями.

Кук-Паттон соглашается, что изменение климата в следующие десятилетия будет набирать обороты, и скорость накопления углерода будет меняться. Но если некоторые леса будут расти медленнее или даже вымирать, то другие, вероятно, будут расти быстрее благодаря эффекту удобрения почвы или увеличению содержания углерода в воздухе этот эффект иногда называют глобальным озеленением.

В исследовании насчитали 670 млрд га, которые можно оставить для повторного роста деревьев. Это не считая земли для пахоты или строительства, а также существующих ценных экосистем типа лугов и северных территорий, где разогревающие эффекты лесного полога перевесят охлаждающий эффект поглощения углерода из воздуха.

Комбинируя картографические данные и цифры по накоплению углерода, Кук-Паттон оценивает, что естественный прирост леса до 2050 года сможет связать в своей биомассе и почве 73 млрд тонн углерода. Это эквивалентно семи годам текущих промышленных выбросов по её словам, самое мощное из естественных решений проблемы климата.

Кук-Паттон сказала, что местные оценки накопления углерода в исследовании заполняют важный пробел в данных. Многие страны, собирающиеся выращивать леса для накопления углерода, собрали данные о том, чего можно достигнуть высадкой деревьев, однако не посчитали эквивалентных данных для естественной регенерации лесов. Мне постоянно присылают письма с вопросами, сколько углерода можно связать при помощи проектов естественного прироста лесов, говорит она. Мне приходилось отвечать, что это много от чего зависит. Но теперь у нас есть данные, которые позволят людям оценить, что будет, если просто поставить забор и дать лесу вырасти обратно самостоятельно.


Скорость накопления углерода в тоннах на гектар в год, в естественным образом восстанавливающихся лесах и саваннах

Новые местные оценки также позволяют сравнивать потенциалы естественного восстановления и посадок. Думаю, что посадки тоже могут иметь место к примеру, там, где пострадала почва, и деревья не растут, сказала она. Но думаю, что естественное восстановление леса серьёзно недооценено.

Что хорошего в естественном росте лесов чаще всего оно вообще не требует действий от человека. Природа постоянно восстанавливает леса по частям иногда по краям полей, или на заброшенных пастбищах, в кустарнике, в местах бывшей вырубки, или там, где лес находится в упадке.

Но поскольку для этого не нужно никаких политических инициатив, инвестиций или наблюдения, данных по этому вопросу сильно не хватает. Такой, например, спутник, как Landsat, хорошо справляется с поиском мест, где уничтожаются леса, поскольку это происходит внезапно и хорошо видно. Однако последующее их восстановление идёт медленнее, его тяжелее заметить и его редко изучают. Статистика по потере мирового лесного покрова, попадающая в громкие заголовки, обычно игнорирует эти процессы.

В исследовании редкого типа Филип Кёртси из Арканзасского университета недавно попытался обойти эту проблему, разработав модель, предсказывающую на основе спутниковых снимков причины исчезновения лесного покрова и, следовательно, потенциальную возможность его восстановления. Он обнаружил, что только четверть площади от исчезнувших лесов навсегда занимают результаты деятельности человека, такие, как постройка зданий, инфраструктуры или фермерство. Оставшиеся три четверти это лесные пожары, переложное земледелие, временные пастбища или заготовка леса. По крайней мере, у них есть потенциал естественного восстановления.

Ещё одно исследование, опубликованное в этом году, рассказывает о том, что такое восстановление идёт в широких масштабах и быстро даже в таких характерных для исчезновения леса местах, как Амазонка. Когда Юнься Ван из Лидского университета в Англии проанализировала недавно опубликованные Бразилией данные по Амазонке, она обнаружила, что 72% леса, которые сжигают фермеры для создания новых пастбищ, это не нетронутый лес, как предполагалось ранее, а недавно восстановившийся. Территорию очищали от леса, превращали в пастбище для скота, а потом оставляли. Лес возвращался туда так быстро, что её приходилось заново очищать уже через шесть лет. Такое быстрое восстановление вызывало путаницу, из-за которой эту территорию часто относили к местам, где старый лес вымирает.

Ван отметила, что если бы президент Бразилии Жаир Болсонару хотел бы сдержать обещание своего предшественника Дилмы Русефа, данное им на парижском климатическом саммите 2015 года, по восстановлению 12 млн га лесов к 2030 году, ему вообще не нужно было бы сажать леса. Он просто мог бы позволить им восстановиться, не очищая от леса новые территории.

Ещё один гигантский лесной массив, бразильский атлантический лес, уже движется по этому пути, медленно восстанавливаясь после века зачисток для освобождения территории под кофейные плантации и выпас скота. Правительство приняло пакт восстановления атлантического леса, по которому выплачивает фермерам субсидии для высадки новых лесов. Часто для этого используются деревья, предназначенные для получения бумаги. Но Камила Резенде из Федерального университета Рио-де-Жанейро говорит, что большая часть леса восстанавливается не посадками, а естественным, "спонтанным" методом. Остатки леса колонизируют заброшенные фермы. Она оценивает, что с 1996 года таким образом восстановилось порядка 2,7 млн га атлантического леса это примерно десятая часть всего массива.

Что-то похожее происходит и в Европе, где лесной массив восстановился на 43%, что часто происходит благодаря естественному занятию лесом территорий. К примеру, в Италии площадь лесного покрова увеличилась на миллион гектар. В бывших странах соцлагеря в Карпатах в 1990-е годы было заброшено 16% фермерских земель. Большая часть из них вновь занята знаменитыми буковыми лесами. В России бывшие пахотные земли площадью в две Испании вновь заняли леса. Курганова Ирина Николаевна, ведущий научный сотрудник РАН, называет это отступление плуга наиболее широкомасштабным и резким изменением методов использования земли в XX веке в Северном полушарии.

В США также наблюдается регенерация лесов в связи с тем, что за последние 30 лет была заброшена почти пятая часть пахотных земель. Весь восток США очистили от лесов 200 лет назад, говорит Карен Холл из Калифорнийского университета в Санта-Круз. Большая часть леса вернулась без активной высадки деревьев. По данным американской лесной службы, за последние три десятилетия восстанавливающиеся леса связали порядка 11% выбросов парниковых газов страны.


Рабочий высаживает молодые ситхинские ели в рамках проекта восстановления лесов в Додингтоне, Англия, в 2018

Основные опасения связаны с тем, что земли, предназначенные для посадки деревьев, будут отняты у леса, который мог бы вырасти на них естественным путём. В результате в таком лесу будет жить меньше диких животных, он будет не так удобен для человека, и, возможно, он свяжет не так много углерода.

Экологи часто отмахивались от экологических преимуществ естественного восстановления леса т.н. вторичного леса. Считается, что подобное восстановление неполное, в нём редко селятся дикие животные, и оно подвержено повторной очистке. Из-за этого многие предпочитают ручную посадку деревьев, имитирующую естественный лес.

Томас Кроуфер, соавтор широко разрекламированного прошлогоднего исследования, призывающего к глобальному восстановлению миллионов деревьев для поглощения двуокиси углерода, подчёркивает, что, хотя кое-где природа и может справиться с этим, людям нужно помочь ей, распространяя семена и саженцы.

Однако сейчас эти взгляды пересматриваются. Дж. Лейтон Рид, директор лаборатории Restoration Ecology в Виргинском технологическом институте, недавно высказывал опасения о наличии предвзятости в исследованиях, сравнивающих естественную регенерацию леса с посадками. Однако он сказал: Естественный рост прекрасная стратегия восстановления для многих ландшафтов, однако активные посадки местных растений всё равно будут лучшим вариантом в местах, где почва пострадала особенно сильно, или где преобладают сорняки.

Другие утверждают, что в большей части случаев естественное восстановление вторичного леса работает лучше, чем посадки. В своей книге Вторичный рост Робин Чаздон, специалист по экологии лесов, раньше работавшая в Коннектикутском университете, говорит, что вторичные леса до сих пор неправильно понимают, недостаточно изучают и недооценивают. А ведь это молодые самоорганизующиеся лесные экосистемы в процессе развития.

Она соглашается, что эти системы не являются готовым лесом. Но обычно они восстанавливаются удивительно быстро. Недавнее исследование показывает, что самостоятельно восстанавливающиеся тропические леса восполняют 80% биологического разнообразия за 20 лет, и часто 100% за 50 лет. Результат кажется лучшим, чем получается у людей, пытающихся высадить тропические экосистемы.

Обзор более 100 проектов восстановления тропических лесов, сделанный Ренато Крузейле из Международного института устойчивого развития Рио-де-Жанейро, с Чаздон в качестве соавтора, показал, что чаще добивались успеха вторичные леса, которым давали восстановиться естественным образом, чем проекты активного восстановления с ручными посадками. Иначе говоря, ручные посадки иногда могут даже ухудшить ситуацию по всем параметрам от количества птиц, насекомых и растений, до процента покрытия лесного полога, плотности деревьев и структуры леса. Природе лучше знать.

А теперь Кук-Паттон расширила этот пересмотр взглядов на естественное восстановление лесов и на потенциал накопления углерода. Возможно, у таких лесов и это получается лучше.

Холл говорит, что этот научный пересмотр требует и пересмотра политик. Бизнес-лидеры и политики ухватились за популярную идею высадки деревьев, и множество некоммерческих организаций и правительств во всём мире запустили инициативы по высадке миллиардов и триллионов деревьев по разным социальным, экологическим и эстетическим причинам.

Она признаёт, что на некоторых особенно пострадавших почвах придётся высаживать деревья, однако это должно остаться крайней мерой, поскольку это наиболее дорогой, и часто не самый успешный вариант.

Посадка триллиона деревьев за три десятилетия будет сложной логистической проблемой. Это очень большое число. Достижение этой цели потребует высаживать по тысяче новых деревьев ежесекундно, и так, чтобы все они выжили и выросли. Если учесть стоимость питомников, подготовки почвы, посева и прореживания, говорит Крузейле, получатся сотни миллиардов долларов. Будет ли в этом смысл, если естественный рост лесов выходит дешевле и лучше?