הידעת שעצים מרגישים את משיכת הירח? מדענים מקשרים בין זרימת מוהל לגאות ירח

טבלת קישורים

• תקציר ומבוא 1
• 2 בחזרה ל- Gibert et al. (2006) ניסוי והצגה של ההתקנה החדשה
• 2.1 זכירה של Gibert et al. (2006) ניסוי
• 2.2 המערך החדש
• 3 שיטת ניתוח הספקטרום היחיד
• 4 ניתוח נתונים ומידול
• 5 דיון והפניות

תַקצִיר

במאמר זה, אנו בוחנים מחדש מדידות חשמליות ישנות שנערכו על עץ צפצפה בשנת 2003 (Gibert et al. 2006), אשר הראו נוכחות של אות חשמלי יומי, המיוחס לתופעה אלקטרו-קינטית בקורלציה עם זרימת מוהל, אפילו בחורף. אנו מנתחים מחדש את הנתונים הללו באמצעות שיטת ניתוח הספקטרום הסינגולרית ומדגים שניתן לפרק את האות החשמלי הנמדד במקומות שונים (שורשים, גזע וענפים) על עץ הצפצפה ליותר מ-80% לסכום של 7 פסאודו-תקופות, כולן מקושרות. לגאות ירח-שמש. הדיוק של התקופות שחולצו עולה על זה של דגמים. כדי לאמת את המדידות הישנות הללו, שחזרנו את פרוטוקול 2003 מאז 2018 ב-Jardin des Plantes בפריז, על 3 עצי אלון ו-3 קרן קרן. האותות החשמליים היום מציגים את אותם מאפיינים כמו אלה של 2003. כוחות גאות ושפל יכולים להיות כוח מניע של זרימת מוהל בעצים.

1 הקדמה

עצים, כמו רוב הצמחים על פני כוכב הלכת שלנו, ניתנים לשרטוט רחב כבעלי מערכת שורשים המחוברת לענפים דרך גזע. תעלות, כגון פלואם או קסילם, שמקורן בקנה השורש ונמשכים עד העלים, ממלאות תפקיד מכריע בהקלת השקיה נכונה ואספקת חומרי הזנה לצמיחת הצמח. הנוזל, המשתנה במורכבותו על סמך מיקומו בתוך הצמח, מתפקד כמערכת הדם שלו ומכונה בדרך כלל מוהל. ויכוח משמעותי ומתמשך נסוב סביב השאלה איך המוהל הזה נע בתוך הצמח. בספרות, שלוש השערות עיקריות נדונות בדרך כלל כדי להסביר תנועה זו. הראשון כרוך בנימי דם (למשל [1-5]), השני סובב סביב לחץ אוסמוטי (למשל [6-10]) וההשערה השלישית, שנדונה לעתים קרובות, היא זו של evapotranspiration (למשל [11-14]) . רעיון זה מקורו בקלימטולוג Thornthwaite [15], שביקש לזהות תופעות גיאופיזיות שונות התורמות להעברת מים נוזליים מפני השטח של כדור הארץ לאטמוספירה, ובסופו של דבר לסווג אקלים שונים. אידוי הצמח מוכר כאחת מהתופעות הללו, לצד סובלימציה של שלג ואידוי מים חופשיים.

במחקרם על אותות חשמליים שנמדדו על צפצפה עומדת במהלך שנה, Gibert et al. [16] הדגימו שני ממצאים חשובים. ראשית, האותות האלקטרו-קינטיים שנרשמו היו קשורים לזרימת המוהל בעץ (מוערכת על ידי בדיקות גנייה), ושנית, תנודה יומית, אם כי צנועה, נמשכה גם בעונת החורף.

במשך כמה עשורים בגיאופיזיקה, נקבע ונצפה ששינויים במהירות בזרימה מבוססת או תוספת של חזית מלוחה מובילים לשונות הניתנות למדידה בפוטנציאל החשמלי. תופעה אלקטרו-קינטית זו מכונה בדרך כלל פוטנציאל ספונטני (SP, למשל [17-19]).

בסביבה הטבעית, תנודות יומיות אינן מיוחסות אך ורק לתנודות תרמיות הנובעות מחילופי יום ולילה. במקום זאת, הם קשורים בדרך כלל לגאות כבידה יבשתית הנגרמת על ידי השפעות משולבות של גרמי שמיים כגון הירח והשמש (ראה [20]). כוכב הלכת שלנו חווה שיבושים במהלך המהפכה והסיבוב שלו, כאשר הירח והשמש ממלאים תפקידים מרכזיים. אינטראקציות שמימיות אלו מובילות לתופעות כמו קדנציה של ימי השוויון, המתרחשת על פני תקופה של כ-26,000 שנים (לפרטים נוספים, ראו למשל [21, 22]). בהקשר רחב יותר, מסות ניידות על פני כדור הארץ מתנודדות בהשפעת כוחות הירח-שמש הללו, כאשר הגאות והשפל בחופי הם ביטוי ראשוני. כוחות אלה גם פוגעים ומניידים אנכית מים הכלואים באקוויפרים עמוקים (למשל [23-27]), ועשויים להשפיע על תהליכים כגון אינטראקציות מים-סלע (למשל [28,29]). כתוצאה מכך, אינטראקציות אלו עשויות למלא תפקיד באספקת חומרים מזינים לצמחים (למשל [30]).

הדגמנו, לאורך תקופות ארוכות העולה על 200 שנה, כיצד סדרת פעילות ההתפרצויות הגעשית העולמית (ראה [31]), התפתחות מפלס הים הממוצעת (ראה [32]) והדינמיקה של אוכלוסיית העצים בתוך ערער טיבטי. יער (השוו [33]), ניתן לפרק לסדרה של דפוסים מחזוריים, כולם קשורים לכוחות הכבידה, שמקורם הפעם בכוכבי הלכת היוביים. שתי התופעות הראשונות קשורות לתנועות אנכיות של נוזלים.

כפי שהוסבר קודם לכן, תופעות גאות ושפל מפגינות אופי רב קנה מידה בזמן, הנפרש בין כמה שעות לאלפי שנים, ומסומנות בממדים מרחביים נרחבים. במחקר שהוצג זה, תוך שימוש בתצפיות היסטוריות ובנתונים עכשוויים, המטרה שלנו היא להרחיב את המסקנות שהסיקו Gibert et al. ([16]) ולספק בהירות נוספת על מנגנוני ההנעה המשתקפים באותות החשמליים של עצים.

שכפלנו את ניסוי הניטור החשמלי של צפצפה שנערך על ידי Gibert וחב', הפעם על קרניים, אלונים, סקוויה, אגוז וברוש. מאז 2019, הקמנו מצפה עצים במוזיאון הלאומי להיסטוריה טבעית (פריז, צרפת), שבו אנו מודדים פוטנציאלים חשמליים, שינויים בטמפרטורה וסיסמיות עצים. בסעיף 2, נזכיר את הפרוטוקול שבו השתמש Gibert et al. ([16]), כמו גם זה שיישמנו במהלך 5 השנים האחרונות. בסעיף 3, נציג את שיטת הניתוח הזמני שהשתמשנו עבור הנתונים החשמליים שלנו. בסעיף 4, נציג כמה תצפיות יחד עם תוצאות הניתוח שלנו, מתוך שני הנתונים ההיסטוריים של Gibert et al. ([16]) והתצפיות החדשות. נסיים בסעיף 5 בדיון מעמיק בעבודה זו.

2 בחזרה ל- Gibert et al. (2006) ניסוי והצגה של ההתקנה החדשה

2.1 זכירה של Gibert et al. (2006) ניסוי

כאן, אנו זוכרים בקצרה, ומציגים באיור 1, את פרוטוקול הרכישה ששימש בשנים 2002-2003 עבור ניסוי עץ הצפצפה של Remungol. באותה הזדמנות הוכנסו לעץ 32 אלקטרודות נירוסטה ו-2 אלקטרודות שאינן ניתנות לקיטוב ([34]) הוטמנו באדמה.

(i) 2 אלקטרודות פטיאו ([34]) שאינן ניתנות לקיטוב באדמה (מספר 101 ו-102).

(ii) 5 אלקטרודות נירוסטה על השורשים הגלויים של עץ הצפצפה (מספר 01 עד 04),

(iii) 2 סטים מנירוסטה של כתרי אלקטרודות, האחד ממוקם בגובה של 1 מטר מהקרקע ומקיף את תא המטען (מספר 1 עד 8) והשני ממוקם במרחק של 3.4 מטר מהקרקע (מספר 11 עד 18),

(iv) 2 סטים מנירוסטה של 5 אלקטרודות כל אחת בצד הפונה לצפון של תא המטען, האחת בין 0.9 ל-3.4 מטר (מספר 30 עד 34) השניה, מ-5.5 מטר עד 10.5 מטר (מספר 21 עד 26)

מכשיר המדידה המשמש הוא רב-מטר דיגיטלי Keithley 2701 עם עכבת כניסה גדולה מ-100 MΩ, המצויד במטריצת ממסר בעלת 40 ערוצי מדידה הנשלטים על ידי תוכנת רכישה. מדידות פוטנציאל חשמלי נלקחות בכל האלקטרודות במרווח דגימה של דקה. נעשה שימוש בבסיס זמן של UT, המסונכרן בזמן אמת עם השעון האטומי של פרנקפורט. גם המחשב וגם המולטימטר מופעלים על ידי גנרטור גיבוי, מה שמקל על הפרעות עקב תקלות קצרות בקו החשמל.

באיור 2, אנו מציגים דוגמה הן לנתונים שנרשמו מהשורשים, מהגזע והענפים במהלך התקופה מ-1 באוקטובר 2002 ועד סוף יוני 2003. בציר ה-x, המייצג את הזמן, כל תקתק. מתאים לארבעה הימים הראשונים של כל חודש.

לאחר מכן, נציג וננתח את טווח הזמן הזה, שהוא הארוך ביותר עם פערים מינימליים, המכסה מעברים בכל אחת מהעונות. כפי שמודגם באיור זה, הפוטנציאלים החשמליים, הן בשורשים, בגזע והן בענפים, יכולים להשתנות בכמה מאות מילי-וולט במהלך 320 הימים המתוארים. נראה שפעילות (מוקדמת) מתחילה בינואר 2023, ומגיעה לשיאה במהלך הקיץ של אותה שנה. ברור שהאותות אינם נייחים, לא במובן המחמיר ולא במובן הרחב. לפעמים נצפים פסגות של קיטוב, ויש פער בנתונים. תסמינים אלו הובילו אותנו לבחור ב-Singular Spectrum Analysis כשיטת הניתוח והחילוץ, עליה נדון בהמשך (סעיף 3).

מכאן ואילך, בהתייחס לנתוני Gibert et al. ([16]), נשתמש בראשי התיבות RP (Remungol Poplar).

2.2 המערך החדש

על מנת להבין טוב יותר את הפיזיקה והפיזיולוגיה של עצים, אשר נדונו חלקית ב- Gibert et al. ([16]), בחרנו לבקר מחדש בניסוי RP ולהרחיב אותו על ידי הקמת מצפה כוכבים גיאופיזי לעצים חיים במוזיאון הלאומי להיסטוריה טבעית ( MNHNo, פריז, צרפת).

ב-MNHNo, יש לנו כרגע מכשיר 1 סקוויה, 1 אגוז, 1 ברוש, 3 אלונים ו-2 קרניים: 2 עצי מחט ו-6 עצים נשירים. הפוטנציאלים נמדדים באמצעות אלקטרודות נירוסטה בשני הגנרטורים בצד הצפוני של הגזעים ובכתרים בגבהים שונים (מ-1 עד 9 מטר) וכן על ענפי העצים. עבור אלקטרודות הייחוס, אנו משתמשים בעקביות באלקטרודות מסוג Petiau שאינן ניתנות לקיטוב הקבורות בעומק של כמטר אחד. העצים מחולקים ל-2 קבוצות, כאשר כל קבוצה חולקת את אותה אלקטרודה שאינה ניתנת לקיטוב כהתייחסות. הוספנו מדידות תרמיות (בדיקות Pt-100 ו-Pt-1000) המתעדות את הטמפרטורה הן בתוך העצים והן מחוצה להם, במגוון גבהים, כמו גם באדמה לצד אלקטרודות הייחוס. אנו גם עוקבים אחר פעילות סיסמית וכן את השונות בנטייה של עצים (גזע וענפים) לאורך זמן. כל המדידות נרכשו ונדגמו במרווחים של שנייה אחת מאז 2019 באמצעות מערכות רכישה מודולריות של Gantner[1]. לרכישת נתונים אלה יש כעת ביצועים טובים יותר משמעותית מה-Keitley 2701 ששימש ב-2003: עכבה גבוהה (> 100 MΩ) וטווח דינמי של 24 סיביות המסוגלים לדגום עד 20 קילו-הרץ לכל ערוץ.

באיור 3, אנו מציגים קולאז' של תמונות המציגות את ההתקנות שלנו. איור 3א מציג את התקנת האלקטרודה האחרונה בגובה 5 מטרים מעל פני הקרקע בצד הצפוני של גזע הסקויה. הקופסאות הלבנות על תא המטען מכילות את מערכת הרכישה של Gantner, כפי שניתן לראות באיור 3c. באיור 3b מוצגת התקנת מד השיפוע הראשון על ענף בגובה 3.5 מטר מעל פני הקרקע. באיור 3c, מערכת הרכישה של Gantner (קופסה כחולה בפינה השמאלית העליונה) מלווה ב-3 מודולי רכישה חשמליים (בתחתית). איור 3d מציג תמונת לילה של קופסאות הרכישה עבור 3 האלונים ו-2 קרני הקרן. באיור 3e, יש דוגמה למדידה חשמלית/תרמית משולבת בסקויה באותו מקום. לבסוף, איור 3f מציג את חופה של עץ האגוז שנלכד בין שני מבני מחקר.

רק המדידות החשמליות יטופלו במחקר זה.

באיור 4 מוצגות דוגמאות למדידות חשמליות גולמיות שנרשמו בין ה-11 באפריל 2023 ל-11 במאי 2023. הנתונים הם רכישות מ-2 הקרניים בחלק העליון, מ-3 האלונים במרכז, והשוואה בין אלון לקרן למטה. כל 5 העצים חולקים את אותה אלקטרודה ללא קיטוב (Petiau), והמרחק בין הפרטים הרחוקים ביותר הוא כ-10 מטרים. כפי שנצפה, סדר הגודל של הפוטנציאלים מתאים לאלו שנרשמו ב-RP בשנת 2003. בנוסף, למרות שתנודה יומית קיימת בכל הפרטים, בתוך אותו מין, השונות באמפליטודות החשמליות יכולות לנוע בין 1 ל-4 מפרט אחד ל אחר (ראה איור 4 במרכז). אנו נעמיק בנתונים אלו ביתר פירוט בהמשך.

[1] https://www.gantner-instruments.com/

3 שיטת ניתוח הספקטרום היחיד

הנתונים, שלגביהם סיפקנו כמה דוגמאות (ראה איורים 2 ו-2), תואמים למחלקה של אותות שאינם נייחים במובן המוחלט ומתמשכים חלקית. איננו נמצאים בתנאים אופטימליים לניתוח שלהם במובן פורייה (ראה [35,36]). זו הסיבה שבחרנו ב-Singular Spectrum Analysis (SSA), שפותחה היסטורית, בתחום הפלאוקלימטולוגיה, כדי לנתח סוג זה של אותות (ראה [37,38]). נציג סקירה קצרה של שיטה זו, ואת כל פרטי החישוב ניתן למצוא בעבודת העזר של Golyandina et al. ([39]). ניתן לסכם את SSA בארבעה שלבים. הבה נבחן סדרת זמן נפרדת (XN) באורך N (N > 2):

לפרטים נוספים בנוגע למאפיינים של מטריצות מרובעות בעלות ערכים קבועים לאורך אלכסונים עולים, כגון מטריצות הנקל או טופליץ, אנו מזמינים את הקורא לחקור את עבודתם של למרלינג ואן הופל ([40]).

שלב 2: פירוק בערכים יחידים פירוק ערך יחיד ( SVD, cf. [41]) של מטריצת מסלול שאינה אפס

כאשר d היא הדרגה של X (d = דרגה X = max{i|λi > 0}). SVD מאפשר לכתוב X כסכום של ד מטריצות יחידות, המוגדרות בצורה חד משמעית.

אנו מקבלים עבור מטריצת המסלול המוטרפת:

התואם לייצוג של הווקטורים בפיגור K בבסיס האורתוגונלי (V1, . . . , Vd). אפשר לראות מדוע SVD היא בחירה טובה מאוד לניתוח מטריצת ההטבעה, מכיוון שהיא מספקת שני תיאורים גיאומטריים שונים.

שלב זה נקרא קיבוץ מחדש של השלשות העצמיות (λ, U ו-V). במקרה הגבול m = d, (12) הופך בדיוק (6), ואנו מוצאים שוב את מטריצות היחידה.

לאחר מכן, כיצד ניתן לקשר זוגות של שלישיות עצמיות? משמעות הדבר היא הפרדת הרכיבים התוספים של סדרת זמן. ראשית יש לשקול את מושג ההפרדה.

לפיכך, משחזרים את סדרת הזמן באורך N מהמטריצות של שלב 3. אם מיישמים את הממוצע האלכסוני על מטריצות יחידות, אז הסדרה שמתקבל נקראת סדרה יסודית. שימו לב שניתן להרחיב באופן טבעי את ה-SSA של אותות אמיתיים לאותות מורכבים. צריך רק להחליף את כל הסימנים המוטרפים בצמודים מורכבים. כפי שהוזכר לעיל, שלב 3 הוא החלק הקשה ביותר.

בחרנו בגישה אחת מבין רבות אחרות: SSA איטרטיבי. מכיוון שהקשר (6) הוא ליניארי, אנו יכולים לחזור על הפירוק. אנחנו מתחילים בערך קטן של L (אנחנו מחפשים את התקופה הארוכה ביותר) שאנו מגדילים עד לקבלת מטריצה מעין הנקל (שלב 3 ו-3). לאחר מכן אנו מחלצים את רכיב התדר הנמוך ביותר המתאים שהוא הוריד מהאות המקורי. אנחנו מעלים שוב את הערך של L כדי למצוא את הרכיב הבא (התקופה הקצרה ביותר). האלגוריתם מפסיק כאשר לא ניתן לזהות או לחלץ פסאודו-מחזור. בדרך זו, אנו סורקים את הסדרה מתדרים נמוכים לגבוהים.

4 ניתוח נתונים ומידול

בשלב ראשון, אנו מפרקים את נתוני RP 2003 באמצעות SSA עבור כל אחת מ-32 האלקטרודות (ראה איור 2). אנו רואים שבנוסף לתנודות יומיות וחצי יומיות ([16]), יותר מ-70% מהשונות בנתונים נישא על ידי חמש גאות ושפל עיקריים (ראה טבלה 1 ו-[42, 43]). דוגמאות לתוצאות חילוץ מוצגות באיור 5. מסיבות פדגוגיות, איננו יכולים לכסות 32 עקומות על אותו גרף. האותות, לאחר חילוץ על ידי SSA , הם סדירים מספיק כדי שחישוב של טרנספורמציה פורייה יהיה הגיוני, על מנת לחלץ את תקופת התנודה הנומינלית של כל אחד מהם.

הצגה של כמה גאות ושפל ירח-שמש שזוהו והוצאו מאותות SP

באלקטרודות E1, E8, E32 ו-E34 (עיין בסכמטיה שלנו באיור 1), זיהינו וחילצנו מחזורי פסאודו הקשורים לגאות השמש בלבד P1 (עיין בטבלה 1 שלנו), אותה אנו מציגים באיור 5 ( למעלה מימין). באיור 6 (מימין למעלה), אנו מראים את ספקטרום הפורייה שלהם כדי לקבוע את המחזוריות של תנודות אלו. מחזוריות אלה נראית קרובה להפליא, אם לא זהה, לאלה שהתקבלו באמצעות חישובים (עיין במשוואות 01a ו-01b), וציינו את הערכים התיאורטיים שלהן בפינה השמאלית העליונה של איור 04b. לגבי האמפליטודות, אנו רואים התנהגות שניתן לייחס רק לעץ עצמו, שכן הווריאציות באמפליטודות שונות באותו גובה (כ-1 מ') בתוך אותו כתר (אלקטרודות E1 ו-E8). כמו כן, אנו מציינים שהמשרעות הללו מתפתחות ונראה כי הן מצפות את היפוך בכחודש בכל המקרים.

אנו משנים את הסט של ארבע אלקטרודות עבור איורים 5 (משמאל למעלה) ו-6 (למעלה משמאל) כדי להדגים את כלליות הממצאים שלנו. המרכיב השני שזיהינו והוצאנו הוא גאות ירח בלבד, גאות K1. שוב, כפי שמוצג בספקטרום התקופות באיור 6 (למעלה משמאל), הערכים של תקופות אלו קרובים מאוד לערך התיאורטי הצפוי של 23.93 שעות. בדומה למה שצפינו עבור גאות S1, נראה שהמשרעות של גאות K1 משתנות בהתאם לתאריכי ימי ההיפוך והשוויון. ההבדל היחיד כאן הוא שהווריאציות הללו נמצאות בשלב עם התאריכים שהוזכרו. וכפי שצפינו בגאות הקודמת, הפוטנציאל גדל מהאביב עד להגיע למקסימום בקיץ.

הרכיבים האחרים, איורים 5 (אמצע-שמאל/ימין ותחתון-שמאל/ימין) ו-6 (אמצע-שמאל/ימין ותחתון-שמאל/ימין), מציגים ברצף את צורות הגל וספקטרום התקופה של הגאות והשפל של הירח-שמש הבאים : S1, ה-Mf השבועיים, ו-K2. בדומה לדוגמאות שתיארנו קודם לכן, צורות הגל של הגאות והשפל הירחי-שמש המוצגים באיורים 5 ו-6 מאופנים בבירור לאורך כל השנה, עם צמצום סביב היפוך החורף ומשרעת מקסימלית זמן קצר לפני היפוך הקיץ. ייתכן שצורות גל אלו אינן בפאזה על פני חלקים שונים של עץ הצפצפה רמונגול (שורשים, גזע, ענפים), אך בכל המקרים, התקופות המחושבות שלהן קרובות מאוד לערכים הצפויים (<0.01%).

עבור כל אחת מ-34 האלקטרודות, ניתן היה לזהות ולחלץ בין 7 גאות ירח-שמש, המהווים בממוצע כ-70% מהשונות הגולמית עבור כל אות.

מנגנון

אז הבה נדמיין בקצרה מנגנון אלקטרו-קינטי. נניח שהעץ מכיל תעלות, הנלקחות כגלילים רגילים המגיעים עד לראש העץ, בהן המוהל מסתובב. תפוצה זו עדיין אינה מובנת היטב (ראה [5, 44–49]).

תן ערוץ של קטע S של גובה לא מוגדר. רק נעשה חישוב בסדר גודל של שינוי הלחץ בערוץ עקב נוכחותם של כוחות גאות ושפל של השמש או (ו) הירח. הבה ניקח את המקרה של הירח. g הוא כוח המשיכה של כדור הארץ (למעשה תאוצה ב-ms −2, ואנו מזניחים כאן את השפעת סיבוב כדור הארץ; g = 9.81ms −2 על פני כדור הארץ).

המרכיב האנכי גאות הירח, תמיד אטרקציה, נמצא על פני כדור הארץ נתון על ידי היחס הבא,

σ f היא מוליכות הנוזל (מוהל), ε היא מוליכות הנוזל (מוהל), ζ היא פוטנציאל ה-ζ (כאן בין הנוזל לדופן העץ של התעלה) ו- η צמיגות הנוזל. למעשה אנו יודעים מעט מאוד על הערך של C הרלוונטי לעצים. ערך השדה החשמלי יכול להיות בסדר גודל של 10 mV/m רק אם C הוא בסדר גודל של 10V/Pa. ערך כזה גדול בהשוואה לערכים שנמצאים בספרות, הרלוונטיים בדרך כלל לסלעים.

הכללה על פני המינים ובתוכם

כפי שכבר הזכרנו, גלי גאות הם גלים בעלי הרחבה גיאוגרפית גדולה; זה אומר שהם יכולים להיחשב קבועים מעל MNHNo . פירקנו גם את האותות מהאלונים ומהקרנים שלנו באמצעות SSA (ראה איור 4), ואנחנו מציגים רק את הגאות הירח-שמשית k1 (ראה איור 7). התצפית הראשונה כאן היא שללא קשר למין העצים ולפרט בתוך אותו מין, מחזורי גאות האדמה נמצאים בשלב.

האמפליטודות במהלך החודשים אפריל ומאי 2023, עבור כל הפרטים, הן בסדר גודל של ± 10 עד 20 mV. ערכים אלה תואמים לאלו של אלקטרודה E18 של RP (גם על תא המטען הפונה לצפון) במהלך אותם חודשים (ראה איור 5, משמאל למעלה, עקומה צהובה). לפיכך, ללא קשר לתקופה, גם היום וגם לפני 20 שנה, מדידות של פוטנציאלים חשמליים על גזעים של שלושה מינים שונים של עצים נשירים (צפצפה, קרניים ואלון) חושפות, מצד אחד, אמפליטודות דומות של פוטנציאלים אלה. מצד שני, הפסבדו-מחזורים המרכיבים אותם, כמו גאות K1 המוצגת כאן, נמצאים בשלב, ללא תלות בפרט. פוטנציאלים חשמליים אלה, לפחות כפי שמוצג כאן עבור K1 היומי, נקשרו לעליית המוהל באמצעות אפקט אלקטרו-קינטי (ראה [16]). העובדה שכל האותות לאותו פוטנציאל הם בשלבים ובאותו סדר גודל, למרות ההבדלים ביחידים (גדלים שונים, חופות שונות, פיזיולוגיה שונה), גורמת לנו להאמין שהתצפיות שביצענו והמנגנון שאנו ההצעות חזקות. בחלק ניכר, עקירת המוהל נובעת, כמו בכל המוני הנוזלים מחוץ לכדור הארץ, מהשפעת הכוח של הגאות והשפל היבשתית.

5 דיון

מתוך סדרה של נתוני SP חשמליים שנרשמו על עץ צפצפה בשנת 2003 (ראה [16]), אנו מציעים להתייחס לשאלת מנגנון זרימת המוהל בעצים. כיום, למנגנון זה מוזכרים שלושה מקורות, שאינם בהכרח בלעדיים: קפילריות, לחץ אוסמוטי ואפוטרנספירציה. דנו וביקרנו את האפשרות של מנגנון אלה במבוא שלנו.

במחקר שנערך לאחרונה (ראה [33]), הצלחנו למדוד את המידה שבה כוחות כבידה הפועלים על כדור הארץ, באמצעות שינויים במהירות הסיבוב וההטיה שלו, יכולים להשפיע על קצבי הצמיחה של טבעות עצים ביער ערער טיבטי במשך למעלה מ. 1000 שנים על ידי אפנון קרינת השמש הנכנסת. קצבי הגדילה של טבעות עצים קשורים לפוטוסינתזה, ולכן קשורים גם לזרימת המוהל המסתובב בקסלם ובפלואם, המובילים חומרי הזנה בכל הצמח. בצו ראשון, כמו כל הנוזלים בתוך כדור הארץ ועל פני השטח, תנועת המוהל הזה, ללא קשר לצפיפותו, חייבת להיות מונעת חלקית או כולה על ידי גאות ירח-שמש, במיוחד בתקופות (18.6 שנים) שהן מעניין במיוחד במאמר זה. Gibert et al. ([33]) הדגיש כי זרימת המוהל והאות החשמלי המוקלט היו קשורים ככל הנראה על ידי תופעות אלקטרו-קינטיות. לכן, על מנת להסביר את תנועת המוהל מנקודת מבט פיזיקלית, אנו עוסקים כאן בתופעת שאיבה הרמונית פשוטה (ראה [17, 18]).

כפי שמודגם באיור 2, האותות החשמליים המתועדים ברציפות בעצים הם אותות לא נייחים במובן המוחלט. זה מטבעו מונע שימוש ישיר בטרנספורמציה של פורייה כדי לקבוע את המחזוריות (כלומר, גאות ירח-שמש) שעשויות להרכיב אותן. יתר על כן, גחמות מדידה מובילות לפעמים להפרעות במערכת ההקלטה, וכתוצאה מכך נתונים לא רציפים. לכן בחרנו בשיטת Singular Spectrum Analysis (SSA) לניתוח המדידות של צפצפה רמונגול. שיטה זו עוזרת להגביל שגיאות אפשריות בפרשנות של ספקטרום מסורתי.

באיורים 5 ו-6, הצגנו את חמשת הפסאודו-מחזוריות העיקרית המופקת מנתוני הפוטנציאל החשמלי של הצפצפה. כולם תואמים בדיוק רב לתקופות של גאות ירח-שמש (P1, K1, S1, Mf ו-K2, ראה טבלה 1 שלנו). התקופות שהפקנו מהאותות החשמליים, המשמשים פרוקסי לזרימת מוהל, נמצאות בטווח של 0.01% מתקופות הגאות והשפל המחושבות של הירח והשמש. רמת דיוק זו יוצאת דופן וניתן להשיג בדרך כלל רק באמצעות מדי כבידה יקרים בעלות של עשרות מיליוני יורו.

סכום הרכיבים שחולצו, שלדעתנו הם רכיבי גאות ושפל, מהווה בדרך כלל יותר מ-70% מהשונות הכוללת של האותות החשמליים המוקלטים.

אם נבחן ביתר פירוט את האותות שנרשמו באזורים שונים של עץ הצפצפה (שורש, ענף, גזע) עבור גאות נתונה, נבחין כי צורות הגל הקשורות לגאות אלו אינן מאופנות באותו אופן. אפנון משרעת אלה יכולים להיות שונים לחלוטין זה מזה, כמו במקרה של הגאות והאלקטרודות E1, E8, E32 ו-E34 (ראה איורים 4). עם זאת, הם יכולים גם להיות זהים אך מדורגים בזמן. לדוגמה, אנו יכולים להבחין כי דפוסי האותות שנרשמו על ידי האלקטרודות E7 ו-E12 עבור הגאות זהות אך הוזזו בכ-2 שבועות (ראה איורים 5). אין ספק שההבדלים באמפליטודות ובשלבים שנצפו באותות שנרשמו של עץ הצפצפה קשורים ככל הנראה לתגובתו הפיזיולוגית.

בהתבסס על תצפיות אלה, התחלנו ברזולוציה מתמטית של המשוואות הקשורות לתופעה שלדעתנו אחראית לזרימת המוהל, במטרה להעריך את המקדם האלקטרו-קינטי הקשור לעץ הצפצפה, בדומה למה שנעשה בגיאופיזיקה עבור סלעים. (ראה משוואה 17). השגנו ערך של 10 V/Pa, שהוא בדרך כלל גבוה פי עשרה מהערכים הנמדדים בסלעים. עם זאת, יש לציין כי עצים אינם סלעים, כפי שאנו יכולים לפי התמונה של גיאומטריית הקסלם באיור 01, זרימת המוהל אינה מופרעת על ידי פיתול כלשהו, שלא כמו בסלעים. יתר על כן, חשוב להדגיש כי מוהל אינו מים.

שאלת ההבדלים במודולציות משרעת בין אזורים שונים של עץ הצפצפה, כמו גם שאלת כלליות התוצאות המפתיעות שלנו, הובילו אותנו לשחזר את אותו ניסוי ב-2019 במוזיאון הלאומי להיסטוריה של הטבע, אבל הפעם מיני עצים שונים.

כפי שציינו, יש לנו שלושה עצי אלון, שתי קרניות, סקויה אחת, ברוש אחד ועץ אגוז. הצגנו רק את התצפיות שאנו רושמים על עצי האלון והקרן משתי סיבות. הסיבה הראשונה היא שיש לנו מספר אינדיבידואלים מאותו המין, מה שמאפשר לנו לבצע השוואות בין המינים. הסיבה השנייה היא שחמשת העצים הללו נמצאים באותו מיקום, חולקים את אותה אלקטרודת ייחוס. זה מאפשר לנו לשקול השוואות בין המינים, בהתחשב בכך שהתפשטות גלי הכבידה היא כזו שכל העצים הפריזאיים יושפעו בו-זמנית ובאותה משרעת מגאות האדמה.

כפי שמוצג באיורים 4 ו-7, האמפליטודות והווריאציות שלהן שונות באופן משמעותי מפרט אחד למשנהו, מה שלא יכולנו להעריך בניסוי Remungol. כפי שאנו יכולים לראות באיור 13a ובפירוט רב יותר באיור 7 (לאחר חילוץ הגאות), מצד אחד, לרכיבים היומיים של שלושת עצי האלון אין אותן משרעות חשמליות (באותו גובה אלקטרודה), ומצד שני, תנודות ארוכות יותר מופיעות על 2 מהן (ראה איור 4). אנו עורכים את אותן תצפיות עבור הקרניים. עם זאת, מה שאושר על ידי איורים 13c ו-14c הוא שהרכיבים התואמים לגאות היומית נמצאים בשלב מושלם, מפרט אחד למשנהו, ללא קשר למין.

לכן, ההשערה שלנו לגבי הגאות הירח והשמש ככוח המניע העיקרי של זרימת מוהל מאוששת הן על ידי עושר התצפיות והן על ידי הדיוק המדהים שלהן. יכולת החזרה של תצפיות אלה כיום עם העצים במצפה הכוכבים של MNHN מאשרת את תוצאות רמונגול ומרחיבה את נושא המחקר שטרם עשינו, כלומר, נראה שפיזיולוגיה של העצים משפיעה לא על התקופות, אלא על המודולציות שלהם.

הפניות

[1] WF Pickard, "The ascent of sap in plants," Progress in biophysics and molecular biology, vol. 37, עמ' 181–229, 1981.

[2] MT Tyree ו-S. Yang, "יכולת אגירת מים של גבעולי thuja, tsuga ו-acer נמדדת על ידי איזותרמיות התייבשות: התרומה של מים נימיים וקוויטציה," Planta, vol. 182, עמ'. 420–426, 1990.

[3] S. Kang, X. Hu, P. Jerie, and J. Zhang, "ההשפעות של ייבוש אזור שורש חלקי על השורש, זרימת מוהל הגזע ומאזן המים במטע מושקים (pyrus communis l.)", Journal Journal. של הידרולוגיה, כרך. 280, לא. 1-4, עמ'. 192–206, 2003.

[4] HR Brown, "התיאוריה של עליית המוהל בעצים: כמה הערות היסטוריות ומושגיות," Physics in Perspective, vol. 15, עמ' 320–358, 2013.

[5] ל' לי, ז'-ל. Yang, AM Matheny, H. Zheng, SC Swenson, DM Lawrence, M. Barlage, B. Yan, NG McDowell, ו-LR Leung, "ייצוג של הידראוליקה של צמחים במודל הקרקע של noah-mp: פיתוח מודלים והערכה מרובה קנה מידה, " Journal of Advances in Modeling Earth Systems, vol. 13, לא. 4, עמ'. e2020MS002214, 2021.

[6] R. Munns ו-J. Passioura, "השפעה של חשיפה ממושכת ל-nacl על הלחץ האוסמוטי של מוהל קסלם עלים מצמחי שעורה שלמים, מעבירים," Functional Plant Biology, vol. 11, לא. 6, עמ' 497–507, 1984.

[7] U. Zimmermann, J. Zhu, F. Meinzer, G. Goldstein, H. Schneider, G. Zimmermann, R. Benkert, F. Thurmer, ¨ P. Melcher, D. Webb, et al., "High תרכובות אורגניות במשקל מולקולרי במוהל הקסילם של מנגרובים: השלכות על הובלת מים למרחקים ארוכים," Botanica Acta, vol. 107, לא. 4, עמ' 218–229, 1994.

[8] T. Scheenen, F. Vergeldt, A. Heemskerk, and H. Van As, "הדמיית תהודה מגנטית של צמח שלם ללימוד דינמיקה בזרימת מוהל למרחקים ארוכים ושטח פנים מוליך זרימה," Plant Physiology, vol. 144, מס'. 2, עמ' 1157–1165, 2007.

[9] KH Jensen, K. Berg-Sørensen, H. Bruus, NM Holbrook, J. Liesche, A. Schulz, MA Zwieniecki, and T. Bohr, "זרימת מוהל והובלת סוכר בצמחים," ביקורות על פיזיקה מודרנית, טִיסָה. 88, לא. 3, עמ'. 035007, 2016.

[10] R. Munns, JB Passioura, TD Colmer, ו-CS Byrt, "התאמה אוסמטית ומגבלות אנרגיה לצמיחת צמחים באדמה מלוחה," New Phytologist, vol. 225, לא. 3, עמ' 1091–1096, 2020.

[11] א. גרנייר, "הערכת הטרנספירציה בעמדת דאגלס אשוח באמצעות מדידות זרימת מוהל," Tree physiology, vol. 3, לא. 4, עמ' 309–320, 1987.

[12] D. Smith ו-S. Allen, "מדידה של זרימת מוהל בצמחי גבעולים", Journal of experimental Botany, vol. 47, לא. 12, עמ' 1833–1844, 1996.

[13] R. Poyatos, V. Granda, R. Molowny-Horas, M. Mencuccini, K. Steppe, ו-J. Mart'ınez-Vilalta, "Sapfluxnet: לקראת מסד נתונים גלובלי של מדידות זרימת מוהל," Tree Physiology, טִיסָה. 36, לא. 12, עמ' 1449–1455, 2016.

[14] R. Poyatos, V. Granda, V. Flo, MA Adams, B. Adorjan, D. Aguad ´e, MP Aidar, S. Allen, MS Alvarado-´ Barrientos, KJ Anderson-Teixeira, et al., "נתוני טרנספירציה גלובליים ממדידות זרימת מוהל: מסד הנתונים sapfluxnet," Earth System Science Data Discussions, vol. 2020, עמ' 1–57, 2020.

[15] CW Thornthwaite, "גישה לסיווג רציונלי של אקלים," סקירה גיאוגרפית, כרך 2. 38, לא. 1, עמ' 55–94, 1948.

[16] D. Gibert, J.-L. Le Moel, L. Lambs, F. Nicollin, ו-F. Perrier, "זרימת מוהל וריאציות פוטנציאליות יומיות בגזע עץ," Plant Science, vol. 171, מס'. 5, עמ' 572–584, 2006.

[17] A. Maineult, Y. Bernabe, ו-P. Ackerer, "זיהוי של ריכוזים מופרזים וחזיתות ph ממדידות של פוטנציאל עצמי", Journal of Geophysical Research: Solid Earth, vol. 110, לא. B11, 2005.

[18] A. Maineult, E. Strobach, and J. Renner, "אותות פוטנציאל עצמי המושרים על ידי בדיקות שאיבה תקופתיות," Journal of Geophysical Research: Solid Earth, vol. 113, מס'. B1, 2008.

[19] V. Allegre, A. Maineult, F. Lehmann, F. Lopes, and M. Zamora, "תגובה פוטנציאלית עצמית למחזורי ניקוז-אימביציה", Geophysical Journal International, vol. 197, לא. 3, עמ' 1410–1424, 2014.

[20] נ.ב. לפלס, מסה על מכניקת שמים. בית דפוס קרפלט, 1823.

[21] M. Millankovic, תיאוריה מתמטית של תופעות תרמיות המופקות מקרינת השמש. GauthierVillars et Cie, 1920.

[22] F. Lopes, V. Courtillot, D. Gibert, J.-L Le Moel, ו-BJ-B., "על הפרעות פסאודו-מחזוריות של מסלולי כוכב הלכת, ¨ ותנודות של סיבוב וסיבוב כדור הארץ: הניסוח של לגראנז'. ," arXiv preprint arXiv:2209.07213, 2022.

[23] T. Narasimhan, B. Kanehiro, ו-P. Witherspoon, "פרשנות של תגובת גאות כדור הארץ של שלושה אקוויפרים עמוקים, מוגבלים," Journal of Geophysical Research: Solid Earth, vol. 89, לא. B3, עמ'. 1913–1924, 1984.

[24] S. Rojstaczer ו-FS Riley, "תגובה של מפלס המים בבאר לגאות האדמה והעומס האטמוספרי בתנאים לא מוגבלים," Water Resources Research, vol. 26, לא. 8, עמ' 1803–1817, 1990.

[25] H. Li, JJ Jiao, M. Luk, and K. Cheung, "תנודות מפלס מי תהום הנגרמות על ידי גאות באקוויפרים של החוף התחום בקווי חוף בצורת L," Water Resources Research, vol. 38, לא. 3, עמ' 6–1, 2002.

[26] S. Dumont, J.-L. Le Mouel, V. Courtillot, F. Lopes, F. Sigmundsson, D. Coppola, EP Eibl, ו-CJ Bean, "הדינמיקה של התפרצות ארוכת טווח התפשטה. על ידי הגאות והשפל של כדור הארץ," Earth and Planetary Science Letters, vol. 536, עמ'. 116145, 2020.

[27] AL Lordi, MC Neves, S. Custodio, and S. Dumont, "אפנון עונתי של סיסמיטי אוקיינוס באזורים", ' Frontiers in Earth Science, vol. 10, עמ'. 995401, 2022.

[28] SL Brantley, JD Kubicki, AF White, et al., Kinetics of water-rock interaction. שפרינגר, 2008.

[29] A. Scislewski ו-P. Zuddas, "הערכה של שטח פני מינרלים תגובתי במהלך אינטראקציה בין מים לסלע באמצעות נתונים כימיים נוזליים," Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 74, לא. 24, עמ' 6996–7007, 2010.

[30] M. Barbera, P. Zuddas, D. Piazzese, E. Oddo, F. Lopes, P. Censi, and F. Saiano, "הצטברות של יסודות אדמה נדירים בעלי גפן נפוצים מושגת באמצעות מיצוי מאדמה ותחבורה ב-xylem sap," Communications Earth & Environment, vol. 4, לא. 1, עמ'. 291, 2023.

[31] D. Gibert, V. Courtillot, S. Dumont, J. de Bremond d'Ars, S. Petrosino, P. Zuddas, F. Lopes, J.-B Boule, MC ´ Neves, S. Custodio, וחב', "על הכפייה החיצונית של פעילות התפרצות עולמית ב-300 השנים האחרונות", Frontiers in Earth Science, 2023.

[32] V. Courtillot, J.-L. Le Mouel, F. Lopes, and D. Gibert, "על שינוי פני הים באזורי חוף," ¨ Journal of Marine Science and Engineering, vol. 10, לא. 12, עמ'. 1871, 2022.

[33] V. Courtillot, J.-B Boule, J.-L. Le Mou ´el, D. Gibert, P. Zuddas, A. Maineult, M. G. יער של עצי ערער טיבטי כסוג חדש של מצפה כוכבים אסטרו-גיאופיזי," arXiv preprint arXiv:2306.11450, 2023.

[34] G. Petiau ו-A. Dupis, "רעש, מקדם טמפרטורה ויציבות זמן ארוכה של אלקטרודות לתצפיות טלוריות," Geophysical Prospecting, vol. 28, לא. 5, עמ' 792–804, 1980.

[35] JF Claerbout, Fundamentals of geophysical data processing, vol. 274. ציטטיר, 1976.

[36] SM Kay ו-SL Marple, "ניתוח ספקטרום - פרספקטיבה מודרנית", Proceedings of the IEEE, vol. 69, לא. 11, עמ' 1380–1419, 1981.

[37] R. Vautard ומ. Ghil, "ניתוח ספקטרום יחיד בדינמיקה לא ליניארית, עם יישומים לסדרות זמן פליאוקלימטיות," Physica D: Nolinear Phenomena, vol. 35, לא. 3, עמ' 395–424, 1989.

[38] R. Vautard, P. Yiou, and M. Ghil, "ניתוח ספקטרום יחיד: ערכת כלים לאותות כאוטיים קצרים ורועשים," Physica D: Nolinar Phenomena, vol. 58, לא. 1-4, עמ'. 95–126, 1992.

[39] N. Golyandina, A. Korobeynikov, and A. Zhigljavsky, Analysis Spectrum Singular with R. Springer, 2018.

[40] P. Lemmerling and S. Van Huffel, "ניתוח של בעיית סך הריבועים הקטנים המובנים עבור מטריצות האנקל/toeplitz," אלגוריתמים נומריים, כרך. 27, עמ' 89–114, 2001.

[41] GH Golub and C. Reinsch, Singular value decomposition and least squares solutions. שפרינגר, 1971.

[42] J. Coulomb and G. Jobert, Treatise on internal geophysics, Volume 1. 1973.

[43] RD Ray ו-SY Erofeeva, "תקופות ארוכות וריאציות גאות באורך היום," Journal of Geophysical Research: Solid Earth, vol. 119, מס'. 2, עמ' 1498–1509, 2014.

[44] MA Zwieniecki, PJ Melcher, TS Feild, ו-NM Holbrook, "תפקיד פוטנציאלי לאינטראקציות של קסלם-פלואם בארכיטקטורה ההידראולית של עצים: השפעות של חגורת פלואם על מוליכות הידראולית של קסלם," Tree Physiology, vol. 24, לא. 8, עמ' 911–917, 2004.

[45] CW Windt, FJ Vergeldt, PA De Jager ו-H. Van As, "Mri של הובלת מים למרחקים ארוכים: השוואה של מאפיינים ודינמיקה של זרימת הפלואם והקסילם בצפצפה, שעועית קיק, עגבנייה וטבק." צמח, תא וסביבה, כרך. 29, לא. 9, עמ' 1715–1729, 2006.

[46] MA Zwieniecki ו-NM Holbrook, "Confronting the Demon's Maxwell: Biophysics of xylem embolism repair," Trends in plant science, vol. 14, לא. 10, עמ' 530–534, 2009.

[47] MW Vandegehuchte ו-K. Steppe, "תיקון ל: שיטות מדידת צפיפות Sap-flux: עקרונות עבודה וישימות," Functional Plant Biology, vol. 40, לא. 10, עמ' 1088–1088, 2013.

[48] A. L' opez-Bernal, L. Testi, ו-FJ Villalobos, "שיטת דופק חום יחידה להערכת מהירות מוהל בעצים," New Phytologist, vol. 216, מס'. 1, עמ' 321–329, 2017.

[49] G. Sakurai ו-SJ Miklavcic, "על היעילות של הובלת מים בעלים. מודל קסלם-פלואם משולב של הובלת מים ומומסים," Frontiers in Plant Science, vol. 12, עמ'. 615457, 2021.