Lasy regulują klimat i produkują wiatr - teoria pompy biotycznej

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Anastasia Makarieva, fizyk jądrowy z Petersburskiego Instytutu Fizyki Jądrowej, od ponad dziesięciu lat broni teorii, że rosyjskie lasy tajgi regulują klimat północnych regionów Azji. Wielu zachodnich meteorologów nie zgadza się z nią, ale rząd i naukowcy w Rosji są zainteresowani tą teorią.

Każdego lata, gdy dni stają się dłuższe, Anastasia Makarieva opuszcza swoje laboratorium w Petersburgu i wyjeżdża na wakacje do niekończących się lasów rosyjskiej północy. Fizyk nuklearny rozbija namiot nad brzegiem Morza Białego, wśród jodeł i sosen, pływa kajakiem po niekończących się rzekach regionu i robi notatki o przyrodzie i pogodzie. „Lasy to duża część mojego życia osobistego”, mówi. Przez 25 lat corocznej pielgrzymki na północ stały się ważną częścią jej życia zawodowego.

Makariewa od ponad dziesięciu lat broni teorii, którą opracowała wraz ze swoim mentorem i kolegą z Petersburskiego Instytutu Fizyki Jądrowej (PNPI), Wiktorem Gorszkowem, o tym, jak borealne (tajga) lasy Rosji są największym lasem na Ziemi regulują klimat północnej Azji. Ta prosta, ale dalekosiężna teoria fizyczna opisuje, w jaki sposób para wodna wydychana przez drzewa tworzy wiatry – wiatry te przecinają kontynent, przenosząc wilgotne powietrze z Europy przez Syberię i dalej do Mongolii i Chin; te wiatry niosą deszcze, które zasilają gigantyczne rzeki Syberii Wschodniej; te wiatry nawadniają północną równinę Chin, spichlerz najludniejszego kraju na świecie.

Ze względu na zdolność pochłaniania dwutlenku węgla i wydychania tlenu wielkie lasy są często nazywane płucami planety. Ale Makariewa i Gorszkow (zmarł w zeszłym roku) są przekonani, że są także jej sercem. „Lasy to złożone, samowystarczalne systemy deszczowe i główny czynnik cyrkulacji atmosfery na Ziemi” – mówi Makarieva. Zawracają do powietrza ogromne ilości wilgoci, tworząc w ten sposób wiatry, które pompują tę wodę na całym świecie. Pierwsza część tej teorii – mówiąca, że lasy powodują deszcz – jest zgodna z badaniami prowadzonymi przez innych naukowców i jest coraz częściej pamiętana podczas zarządzania zasobami wodnymi w warunkach szalejącego wylesiania. Ale druga część, teoria, którą Makarieva nazywa pompą biotyczną, jest znacznie bardziej kontrowersyjna.

Podłoże teoretyczne pracy zostało opublikowane - choć w mniej znanych czasopismach - a Makarieva była wspierana przez niewielką grupę kolegów. Jednak teoria pompy biotycznej spotkała się z falą krytyki - zwłaszcza ze strony twórców modeli klimatycznych. Niektórzy uważają, że wpływ pompy jest nieznaczny, podczas gdy inni całkowicie temu zaprzeczają. W rezultacie Makariewa znalazła się w roli outsidera: fizyka teoretycznego wśród modelarzy, Rosjanina wśród zachodnich naukowców i kobiety na obszarze rządzonym przez mężczyzn.

Jeśli jednak jej teoria będzie słuszna, będzie w stanie wyjaśnić, dlaczego mimo znacznej odległości od oceanów, we wnętrzu zalesionych kontynentów jest tyle samo opadów, co na wybrzeżu i dlaczego we wnętrzu kontynentów bezdrzewnych na przeciwnie, jest zwykle suchy. Oznacza to również, że lasy - od rosyjskiej tajgi po lasy deszczowe Amazonii - rosną nie tylko tam, gdzie jest odpowiednia pogoda. Robią to sami. „Z tego, co przeczytałem, doszedłem do wniosku, że pompa biotyczna działa” – mówi Douglas Sheil, ekolog leśny z Norweskiego Uniwersytetu Przyrodniczego. Ponieważ los światowych lasów jest pod znakiem zapytania, mówi: „Nawet jeśli istnieje najmniejsza szansa, że ta teoria jest poprawna, konieczne jest, aby dowiedzieć się na pewno”.

Wiele podręczników meteorologii wciąż podaje schemat obiegu wody w przyrodzie, gdzie główną przyczyną wilgoci atmosferycznej, która kondensuje się w chmurach i opada w postaci deszczu, jest parowanie oceanu. Ten schemat całkowicie ignoruje rolę roślinności, a zwłaszcza drzew, które działają jak gigantyczne fontanny. Ich korzenie czerpią wodę z gleby do fotosyntezy, a mikroskopijne pory w liściach odparowują niewykorzystaną wodę do powietrza. Ten proces - rodzaj pocenia się, tylko na drzewach - nazywa się transpiracją. W ten sposób jedno dojrzałe drzewo uwalnia setki litrów wody dziennie. Ze względu na dużą powierzchnię liści las często oddaje do powietrza więcej wilgoci niż akwen tej samej wielkości.

Parada deszczu

Tak zwane „rzeki latające” to dominujące wiatry, które pochłaniają parę wodną emitowaną z lasów i dostarczają deszcz do odległych zbiorników wodnych. Kontrowersyjna teoria sugeruje, że same lasy rządzą wiatrami.

Zgodnie z teorią biotycznych pomp lasy powodują nie tylko deszcz, ale także wiatr. Kiedy para wodna kondensuje nad lasami przybrzeżnymi, ciśnienie powietrza spada i powstają wiatry, które wciągają wilgotne powietrze oceaniczne. Cykle transpiracji i kondensacji tworzą wiatry, które niosą deszcz tysiące kilometrów w głąb lądu.

Tak więc około 80% opadów w Chinach pochodzi z zachodu dzięki transsyberyjskiej rzece latającej. A latająca Amazonka dostarcza 70% opadów w południowo-wschodniej części Ameryki Południowej.

Rola tej wtórnej wilgoci w tworzeniu deszczów odżywczych była w dużej mierze pomijana do 1979 roku, kiedy brazylijski meteorolog Eneas Salati zbadał skład izotopowy wody deszczowej z dorzecza Amazonki. Okazało się, że woda zwrócona przez transpirację zawiera więcej cząsteczek z ciężkim izotopowym tlenem-18 niż woda wyparowana z oceanu. Salati wykazał więc, że połowa opadów nad Amazonką spadła w wyniku parowania lasów.

Meteorolodzy śledzili strumień atmosferyczny nad lasem na wysokości około 1,5 kilometra. Wiatry te – łącznie określane jako południowoamerykański dolny prąd strumieniowy – wieją z zachodu na wschód przez Amazonkę z prędkością motocykla wyścigowego, po czym Andy ciągną je na południe. Salati i inni sugerowali, że to oni nosili większość uwolnionej wilgoci i nazwali ich „latającą rzeką”. Według klimatologa Antonio Nope z brazylijskiego Narodowego Instytutu Badań Kosmicznych, latająca Amazonka niesie dziś tyle wody, co olbrzymia rzeka Ziemi pod nią.

Przez pewien czas wierzono, że latające rzeki ograniczają się do dorzecza Amazonki. Jednak w latach 90. hydrolog Hubert Savenije z Deltfe University of Technology rozpoczął badania nad recyrkulacją wilgoci w Afryce Zachodniej. Korzystając z modelu hydrologicznego na danych pogodowych, stwierdził, że im dalej w głąb lądu od wybrzeża, tym wyższy udział opadów deszczu spadających z lasów – do 90% w głębi lądu. To odkrycie wyjaśnia, dlaczego wewnętrzny Sahel staje się coraz bardziej suchy: lasy przybrzeżne zniknęły w ciągu ostatniego półwiecza.

Jeden ze studentów Saveniera, Ruud van der Ent, rozwinął swój pomysł, tworząc globalny model przepływu wilgoci. Połączył obserwacje opadów, wilgotności, prędkości i temperatury wiatru oraz teoretyczne szacunki parowania i transpiracji i stworzył pierwszy model transportu wilgoci w skali poza dorzeczami.

W 2010 roku Van der Ent i jego koledzy ujawnili swoje odkrycie, że na całym świecie 40% wszystkich opadów występuje na lądzie, a nie na oceanie. Często nawet więcej. Latająca Amazonka dostarcza 70% opadów w basenie Rio de la Plata, który rozciąga się na południowo-wschodnią Amerykę Południową. Van der Ent był dość zaskoczony, gdy okazało się, że Chiny otrzymują 80% swojej wody z zachodu - co więcej, jest to głównie wilgoć atlantycka, która jest przetwarzana przez lasy tajgi Skandynawii i Rosji. Podróż składa się z kilku etapów – cykli transpiracji z towarzyszącym deszczem – i trwa sześć miesięcy lub dłużej. „To jest sprzeczne z wcześniejszymi informacjami, których wszyscy uczą się w liceum”, mówi. „Chiny są blisko oceanu, Pacyfiku, ale większość opadów to wilgoć z lądu na dalekim zachodzie”.

Jeśli Makarieva ma rację, lasy zapewniają nie tylko wilgoć, ale także wytwarzają wiatr, który ją niesie.

Pracowała z Gorszkowem przez ćwierć wieku. Rozpoczęła jako studentka w PNPI, pododdziale Instytutu Kurczatowa, największego rosyjskiego instytutu badań jądrowych, zarówno cywilnego, jak i wojskowego. Od samego początku pracowali w terenie i zajmowali się ekologią w instytucie, gdzie fizycy badają materiały za pomocą reaktorów jądrowych i wiązek neutronów. Jako teoretycy, wspomina, mieli „wyjątkową swobodę badań i myślenia” – zajmowali się fizyką atmosfery, gdziekolwiek ich zaprowadziła. „Victor nauczył mnie: niczego się nie bać” - mówi.

W 2007 roku po raz pierwszy przedstawili swoją teorię pompy biotycznej w czasopiśmie Hydrology and Earth Sciences. Od początku uważano ją za prowokacyjną, ponieważ była sprzeczna z odwieczną zasadą meteorologii: wiatry są powodowane głównie przez zróżnicowane ogrzewanie atmosfery. Gdy ciepłe powietrze unosi się w górę, obniża ciśnienie warstw znajdujących się poniżej, zasadniczo tworząc dla siebie nową przestrzeń na powierzchni. Na przykład latem powierzchnia lądu nagrzewa się szybciej i przyciąga wilgotne bryzy z chłodniejszego oceanu.

Makariewa i Gorszkow twierdzą, że czasami panuje inny proces. Gdy para wodna z lasu skrapla się w chmury, gaz staje się cieczą - i zajmuje mniej objętości. Zmniejsza to ciśnienie powietrza i wciąga powietrze poziomo z obszarów o mniejszej kondensacji. W praktyce oznacza to, że kondensacja nad lasami przybrzeżnymi powoduje bryzę morską, wypychając wilgotne powietrze do wnętrza, gdzie ostatecznie skrapla się i opada w postaci deszczu. Jeśli lasy rozciągają się w głąb lądu, cykl trwa, utrzymując wilgotne wiatry przez tysiące kilometrów.

Ta teoria obala tradycyjny pogląd: to nie cyrkulacja atmosferyczna kontroluje cykl hydrologiczny, ale przeciwnie, cykl hydrologiczny reguluje masowy obieg powietrza.

Sheel, a zwolennikiem teorii stał się kilkanaście lat temu, uważa ją za rozwinięcie idei latających rzek. „Nie wykluczają się wzajemnie”, mówi. „Pompa wyjaśnia siłę rzek”. Uważa, że biotyczna pompa wyjaśnia „paradoks zimnej Amazonii”. Od stycznia do czerwca, kiedy dorzecze Amazonki jest zimniejsze niż ocean, od Atlantyku do Amazonii wieją silne wiatry – chociaż teoria różnicowego ogrzewania sugeruje inaczej. Nobre, inny długoletni zwolennik, entuzjastycznie wyjaśnia: „Nie pochodzą one z danych, ale z podstawowych zasad”.

Nawet ci, którzy wątpią w tę teorię, zgadzają się, że utrata lasów ma daleko idące konsekwencje dla klimatu. Wielu naukowców twierdzi, że wylesianie tysiące lat temu doprowadziło do pustynnienia śródlądowych ziem Australii i Afryki Zachodniej. Istnieje ryzyko, że wylesianie w przyszłości doprowadzi do susz w innych regionach, na przykład część lasów deszczowych Amazonii zamieni się w sawannę. Zagrożone są także chińskie regiony rolnicze, afrykański Sahel i argentyńskie pampasy, mówi Patrick Keys, chemik atmosferyczny z Uniwersytetu Kolorado w Fort Collins.

W 2018 r. Kees i współpracownicy wykorzystali model podobny do modelu van der Ent do śledzenia źródeł opadów dla 29 globalnych obszarów metropolitalnych. Odkrył, że większość zaopatrzenia w wodę 19 z nich zależy od odległych lasów, w tym Karaczi (Pakistan), Wuhan i Szanghaju (Chiny), New Delhi i Kalkuty (Indie).„Nawet niewielkie zmiany w opadach spowodowane zmianami użytkowania gruntów z wiatrem mogą mieć duży wpływ na kruchość miejskich zasobów wodnych”, mówi.

Niektóre modele sugerują nawet, że wylesianie, niszcząc źródło wilgoci, grozi zmianą warunków pogodowych daleko poza pływającymi rzekami. Jak wiadomo, El Niño - wahania temperatury wiatru i prądy w tropikalnym Pacyfiku - pośrednio wpływa na pogodę w odległych miejscach. Podobnie wylesianie w Amazonii może zmniejszyć opady deszczu na Środkowym Zachodzie Stanów Zjednoczonych i pokrywę śnieżną w Sierra Nevada, mówi klimatolog z University of Miami Roni Avissar, który modeluje takie powiązania. Naciągane? „Wcale nie”, odpowiada. „Wiemy, że El Niño jest do tego zdolne, ponieważ w przeciwieństwie do wylesiania zjawisko to się powtarza i obserwujemy pewien wzór. Oba są spowodowane niewielkimi zmianami temperatury i wilgoci, która jest uwalniana do atmosfery.”

Naukowiec z Uniwersytetu Sztokholmskiego, Lan Wang-Erlandsson, który bada interakcję ziemi, wody i klimatu, mówi, że nadszedł czas, aby przestawić się z użytkowania wody i pod powierzchnią w danym dorzeczu na zmianę użytkowania gruntów poza nim. „Potrzebne są nowe międzynarodowe umowy hydrologiczne, aby zachować lasy na obszarach, na których tworzą się masy powietrza”, mówi.

Dwa lata temu na spotkaniu Forum ONZ ds. Lasów, w którym uczestniczą rządy wszystkich krajów, badacz gruntów z Uniwersytetu Berneńskiego David Ellison przedstawił studium przypadku. Wykazał, że do 40% całkowitych opadów na Wyżynie Etiopskiej, głównym źródle Nilu, pochodzi z wilgoci powracającej z lasów dorzecza Konga. Egipt, Sudan i Etiopia negocjują od dawna spóźnioną umowę dotyczącą dzielenia się wodami Nilu. Ale taka umowa byłaby bez znaczenia, gdyby wylesianie w dorzeczu Konga, z dala od tych trzech krajów, wysuszyło źródło wilgoci, zasugerował Ellison. „Związek między lasami a wodą w zarządzaniu zasobami słodkiej wody na świecie jest prawie całkowicie ignorowany”.

Teoria pompy biotycznej jeszcze bardziej podniesie stawkę, ponieważ oczekuje się, że utrata lasów wpłynie nie tylko na źródła wilgoci, ale także na wzorce wiatru. Ellison ostrzega, że teoria, jeśli zostanie potwierdzona, będzie „krytyczna dla planetarnych modeli cyrkulacji powietrza” – zwłaszcza tych, które transportują wilgotne powietrze w głąb lądu.

Ale jak dotąd zwolennicy teorii są w mniejszości. W 2010 roku Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre i Bai-Liang Li, ekolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside, przedstawili swój historyczny opis pompy biotycznej w Atmospheric Chemistry and Physics, głównym czasopiśmie tematycznym z otwartym recenzowaniem. Ale artykuł „Skąd pochodzą wiatry?” został skrytykowany w Internecie, a magazynowi zajęło wiele miesięcy znalezienie tylko dwóch naukowców, którzy mogliby go zrecenzować. Isaac Held, meteorolog z Geophysical Fluid Dynamics Laboratory na Uniwersytecie Princeton, zgłosił się na ochotnika – i zalecił odrzucenie publikacji. „To nie jest tajemniczy efekt”, mówi. „Jest to generalnie nieistotne, a ponadto jest już brane pod uwagę w wielu modelach atmosferycznych”. Krytycy twierdzą, że rozszerzanie się powietrza z ciepła wytworzonego przez kondensację pary wodnej przeciwdziała przestrzennemu efektowi kondensacji. Ale Makarieva mówi, że te dwa efekty są rozdzielone przestrzennie: ocieplenie występuje na wysokości, a spadek ciśnienia kondensacji występuje bliżej powierzchni, gdzie powstaje wiatr biotyczny.

Innym recenzentem była Judith Curry, fizyk atmosfery z Georgia Institute of Technology. Od dawna martwi się stanem atmosfery i uważa, że artykuł powinien zostać opublikowany, ponieważ „konfrontacja ma zły wpływ na klimatologię, a fizykom potrzebuje krwi z nosa”. Po trzech latach debaty redaktor pisma odrzucił rekomendację Helda i opublikował artykuł. Ale jednocześnie zaznaczył, że publikacji nie można uznać za aprobatę, ale posłuży ona jako naukowy dialog na temat kontrowersyjnej teorii – aby ją potwierdzić lub obalić.

Od tego czasu nie wyszło żadne potwierdzenie ani obalenie - konfrontacja trwała. Symulator klimatu Uniwersytetu Columbia, Gavin Schmidt, mówi: „To po prostu bzdura”. Autorzy odpowiadają na krytykę w ten sposób: „Właściwie przez matematykę nie są pewni, czy warto kontynuować dialog”. Brazylijski meteorolog i szef Krajowego Centrum Monitorowania i Zapobiegania Katastrofom Naturalnym, Jose Marengo, mówi: „Myślę, że pompa istnieje, ale teraz to wszystko na poziomie teorii. Eksperci od modeli klimatycznych tego nie zaakceptowali, ale Rosjanie są najlepszymi teoretykami na świecie, więc trzeba przeprowadzić odpowiednie eksperymenty terenowe, żeby wszystko przetestować.” Ale jak dotąd nikt, nawet sama Makarieva, nie zaproponował takich eksperymentów.

Ze swojej strony Makarieva opiera się na teorii, argumentując w serii ostatnich prac, że ten sam mechanizm może wpływać na cyklony tropikalne - są one napędzane ciepłem uwalnianym podczas kondensacji wilgoci nad oceanem. W gazecie Atmospheric Research z 2017 r. ona i jej koledzy zasugerowali, że biotyczne pompy w kształcie lasu pobierają bogate w wilgoć powietrze pochodzące z cyklonu. To wyjaśnia, dlaczego cyklony rzadko tworzą się na południowym Oceanie Atlantyckim: lasy deszczowe Amazonii i Konga odprowadzają tak dużo wilgoci, że jest jej za mało dla huraganów.

Główny badacz zajmujący się huraganami w MIT, Kerry Emanuel, mówi, że proponowane efekty są „znaczące, ale nieistotne”. Woli inne wyjaśnienia niż brak huraganów na południowym Atlantyku, na przykład chłodne wody regionu uwalniają mniej wilgoci do powietrza, a silne wiatry zapobiegają tworzeniu się cyklonów. Makarieva ze swojej strony równie lekceważy tradycjonalistów, uważając, że niektóre z istniejących teorii na temat intensywności huraganów „sprzeczają prawom termodynamiki”. Ma kolejny artykuł w Journal of Atmospheric Sciences – oczekuje na recenzję. „Obawiamy się, że mimo wsparcia redaktora nasza praca zostanie ponownie odrzucona” – mówi.

Choć na Zachodzie idee Makariewy uznawane są za marginalne, w Rosji stopniowo się zakorzeniają. W ubiegłym roku rząd rozpoczął dialog publiczny na temat zmiany przepisów dotyczących leśnictwa. Z wyjątkiem starych obszarów chronionych, rosyjskie lasy są otwarte do komercyjnej eksploatacji, ale rząd i Federalna Agencja Leśnictwa rozważają nową kategorię - lasy chroniące klimat. „Niektórzy w naszym wydziale leśnym są pod wrażeniem pomysłu pompy biotycznej i chcą wprowadzić nową kategorię” – mówi. Pomysł poparła również Rosyjska Akademia Nauk. Makarieva mówi, że bycie częścią konsensusu, a nie wiecznym outsiderem, jest czymś nowym i niezwykłym.

Tego lata jej podróż do północnych lasów została zakłócona przez epidemię koronawirusa i kwarantannę. W domu w Petersburgu zasiadła do kolejnej rundy sprzeciwów anonimowych recenzentów. Jest przekonana, że prędzej czy później zwycięży teoria pompy. „W nauce istnieje naturalna bezwładność”, mówi. Z czarnym rosyjskim humorem przywołuje słowa legendarnego niemieckiego fizyka Maxa Plancka, który podał słynny opis postępu nauki: „seria pogrzebów”.