WikiEdge:ArXiv-2409.09765
- 標題：On the mechanism of thermal self-regulation of trees: a kind of homeothermic observation
- 中文標題：關於樹木熱自我調節機制的研究：一種恆溫觀察
- 發布日期：2024-09-15 15:23:29+00:00
- 作者：Jean-Baptiste Boulé, Jean de Bremond d'Ars, Vincent Courtillot, Marc Gèze, Dominique Gibert, Jean-Louis Le Mouël, Fernando Lopes, Alexis Maineult, Pierpaolo Zuddas
- 分類：physics.bio-ph, physics.geo-ph
- 原文鏈接：http://arxiv.org/abs/2409.09765v1
摘要：毫無疑問，全球各地的地表溫度差異很大，無論時間尺度或潛在原因如何。自1850年以來，我們觀察到全球地表溫度異常的平均增加為1.2$^{\circ}$，中位數增加為0.7$^{\circ}$：這個總體差異掩蓋了顯著的區域差異。現在，近60%的世界人口居住在城市地區，儘管植被在調節熱環境（例如通過樹冠提供的遮蔭）中起着重要作用，但這些地區的植被覆蓋已經顯著減少。在巴黎的一片樹林（法國）對樹木進行連續的電氣和熱測量，顯示並量化了樹冠並非是防止熱浪的唯一保護者；我們還必須考慮樹幹的作用。很明顯，這些樹幹可能通過調節地下水的吸收（其地熱穩定性在僅一米深的地方就得到了很好的證實）來自我調節。這個定量觀察在我們的城市規劃中不應被忽視。
問題與動機
作者面對的研究問題包括：
- 全球表面溫度變化對樹木生長環境的影響：研究探討了全球表面溫度自1850年以來平均上升1.2℃，中位數上升0.7℃對樹木生長環境的影響，以及這種溫度變化在不同地區的差異性。
- 城市化對植被覆蓋和樹木熱環境調節功能的影響：分析了城市地區植被覆蓋減少對樹木調節熱環境功能的影響，尤其是在城市熱島效應下樹木的作用。
- 樹木自身熱調節機制的探索：研究了樹木，特別是樹幹部分，如何通過可能調節地下水的吸收來實現熱自我調節。
- 樹木熱調節對城市規劃的意義：討論了樹木熱調節功能的發現對於城市規劃和城市綠化的潛在影響和重要性。
背景介紹
這篇文獻的背景主要集中在以下幾個方面：
章節摘要
這篇論文是關於樹木熱自我調節機制的研究，論文的主要內容可以概括如下：
- 引言：介紹了全球表面溫度變化的背景，以及城市化導致植被覆蓋減少的問題。論文指出，樹木在調節熱環境中扮演重要角色，尤其是通過樹冠提供的遮蔭。研究通過在巴黎的一片樹林中對樹木進行連續的電學和熱學測量，發現樹幹可能通過調節地下水的吸收來實現自我調節，這種地下水在一米深的地層中具有很好的地熱穩定性。
- 研究背景與目的：論文討論了氣候周期的變化，以及樹木種類和數量隨氣候和緯度變化的適應性。研究的目的是定量監測樹木在溫度變化下的生理反應，特別是樹木如何通過電生理信號響應溫度波動。
- 方法與數據獲取：介紹了位於巴黎自然歷史博物館內的生態園作為觀測點，以及使用Granier探針、不鏽鋼電極和鉑金屬探針進行的實時監測。詳細描述了測量樹木樹幹、土壤和空氣溫度的設備和方法。
- 溫度時間序列研究：分析了一棵橡樹一年內的溫度數據，發現樹木內部的平均溫度在不同季節中表現出驚人的穩定性，並與土壤溫度存在一定的關聯。通過奇異譜分析（SSA）方法提取了樹木內外的日溫度變化，發現樹木顯示出類似恆溫動物的溫度自我調節能力。
- 討論與結論：論文討論了樹木在城市氣候調節中的潛在作用，強調了在城市規劃中考慮樹木熱自我調節機制的重要性。研究結果表明，樹木通過調節地下水的吸收來實現熱自我調節，這對於理解和預測城市森林對氣候變化的響應具有重要意義。
研究方法
這篇論文通過在巴黎自然歷史博物館的生態園內建立一個生物和地球物理觀測站，對樹木的熱自我調節機制進行了深入研究。以下是該研究方法論的主要組成部分：
- 觀測站的建立與數據採集：
- 在巴黎自然歷史博物館的生態園內，研究者建立了一個觀測站，對超過12棵樹進行連續監測。
- 使用了樹液流傳感器（Granier探針）、自電位（SP）測量（使用不鏽鋼電極）和鉑電阻溫度探頭（Pt-100和Pt-1000）進行實時數據採集。
- 電位與溫度的連續測量：
- 通過在樹木的不同部位（根部、樹幹、枝條）進行測量，研究者發現電信號可以分解為與主要月球-太陽潮汐相對應的偽周期的總和。
- 這些偽周期的總和代表了電信號變異性的70%以上，揭示了樹木液流的一般機制。
- 熱自我調節的定量觀測：
- 研究者發現，樹木的樹幹可能通過調節地下水的攝取來實現自我調節，這種地下水在一米深的地層中具有很好的地熱穩定性。
- 通過對比樹木內外的溫度趨勢，研究者觀察到樹木在不同季節表現出驚人的溫度穩定性，以及與環境溫度的顯著差異。
- 數據分析方法：
- 利用奇異譜分析（SSA）方法，研究者從時間序列中提取了趨勢和非平穩偽周期，這些周期與月球-太陽潮汐相關。
- SSA方法利用Hankel/Toeplitz矩陣的屬性及其通過奇異值分解（SVD）的正交化，有效處理了連續或非連續信號。
- 熱交換的評估：
- 研究者應用傅里葉熱傳導定律，以簡化的方式評估了樹木與環境之間的熱交換量，從而定量分析了樹木的熱自我調節能力。
研究結論
根據提供的文獻內容，這篇論文的主要結論可以概括如下：
- 樹木的熱自我調節機制：研究發現樹木，特別是其樹幹部分，具有熱自我調節的能力，這可能通過調節地下水的吸收來實現，利用了地熱穩定性。
- 城市植被的重要性：論文指出，儘管城市地區植被覆蓋減少，但樹木在調節熱環境中發揮重要作用，尤其是在城市微氣候中。
- 樹木生理監測的缺乏：儘管樹木對氣候的適應性具有重要的科學意義，但目前對樹木在溫度變化下的定量生理監測研究相對較少。
- 樹木電信號與樹液流動的關聯：通過連續的電測量，研究證實了樹液流動在樹木中產生自發的電信號，這與地球潮汐現象有關。
- 樹木溫度的穩定性：研究觀察到樹木內部的溫度在不同季節中表現出驚人的穩定性，並且樹木內部的溫度與外部環境的溫度存在顯著差異，尤其是在夏季。
- 樹木與環境的熱交換：論文提出，樹木通過其樹幹的垂直結構與周圍環境進行熱量交換，這種交換可能對城市氣候產生影響。
這些結論強調了樹木在城市環境中對溫度調節的潛在作用，以及在城市規劃中考慮樹木熱自我調節機制的重要性。
術語表
這篇文章的術語表如下：
- 全球表面溫度異常（Global surface temperature anomalies）：自1850年以來，全球表面溫度異常平均上升了1.2°C，中位數上升了0.7°C。
- 城市熱島效應（Urban heat island effect）：由於城市地區植被覆蓋顯著減少，導致城市地區的熱環境受到顯著影響。
- 樹木冠層（Tree canopy）：樹木的枝葉層，對調節地表溫度有重要作用，例如通過樹蔭提供遮蔽。
- 電位（Electrical potential）：樹木在進行水分吸收時產生的自發電信號，與地物理學家所知的自發電位（SP）相關。
- 電動力學（Electrokinetics）：一種物理現象，描述了流體運動（如樹木中的水分流動）產生電信號的過程。
- 月-日潮汐（Lunar-solar tides）：由月球和太陽的引力作用引起的周期性變化，影響地球的許多物理現象，包括樹木的電位和溫度變化。
- 溫度調節（Temperature regulation）：樹木通過調節其內部溫度以適應外部環境變化的能力，類似於恆溫動物的溫度調節。
- 熱傳導（Heat conduction）：熱量通過物質傳遞的過程，也稱為地熱定律，描述了土壤中溫度隨深度變化的規律。
- 傅里葉定律（Fourier's law）：描述了熱傳導過程中熱量傳遞的數學模型，涉及熱導率、溫差和接觸面積等因素。
- 熱擴散率（Thermal diffusivity）：描述物質導熱能力的物理量，影響熱波在土壤中的衰減速度。
- 熱自調節（Thermal self-regulation）：樹木通過調節其內部水分流動來維持內部溫度穩定的能力。
- 地熱穩定性（Geothermal stability）：地表以下一定深度（如一米）的地溫相對穩定，對樹木水分吸收和溫度調節有影響。
- 樹液流（Sap flow）：樹木內部水分的流動，與樹木的生理活動和溫度調節密切相關。
- 自發電位（Spontaneous potential, SP）：由樹木內部水分流動產生的電位變化，是電動力學現象的一個表現。
- 熱電偶（Platinum probe, Pt-100 and Pt-1000）：用於測量溫度的傳感器，常用於科學研究中的溫度監測。
- 奇異譜分析（Singular Spectrum Analysis, SSA）：一種信號分析技術，用於從時間序列中提取趨勢和周期性變化。
- 日潮汐（Diurnal tide）：地球潮汐的一種，與地球自轉相關，影響樹木內部的電位和溫度變化。
- 熱絕緣（Thermal insulation）：物質阻止熱量傳遞的能力，木材被認為是優秀的