Šume reguliraju klimu i stvaraju vjetar - teorija biotičke pumpe

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Anastasia Makarieva, nuklearna fizičarka s Instituta za nuklearnu fiziku u Sankt Peterburgu, više od deset godina brani teoriju da tajga šume Rusije reguliraju klimu sjevernih regija Azije. Mnogi zapadni meteorolozi se ne slažu s njom, ali vlada i znanstvenici u Rusiji zainteresirani su za ovu teoriju.

Svako ljeto, kako dani postaju sve duži, Anastasia Makarieva napušta svoj laboratorij u Sankt Peterburgu i odlazi na odmor u beskrajne šume ruskog sjevera. Nuklearni fizičar diže šator na obali Bijelog mora, među jelama i borovima, pliva u kajaku beskrajnim rijekama regije i bilježi prirodu i vrijeme. “Šume su veliki dio mog osobnog života”, kaže ona. Za 25 godina godišnjeg hodočašća na sjever, postali su važan dio njezina profesionalnog života.

Makarieva je više od deset godina branila teoriju koju je razvila zajedno s Viktorom Gorškovim, svojim mentorom i kolegom s Peterburškog instituta za nuklearnu fiziku (PNPI), o tome kako su borealne (tajga) šume Rusije, najveće šume na Zemlji, reguliraju klimu sjeverne Azije. Ova jednostavna, ali dalekosežna fizička teorija opisuje kako vodena para koju izdiše drveće stvara vjetrove - ti vjetrovi prelaze kontinent, noseći vlažan zrak iz Europe preko Sibira i dalje u Mongoliju i Kinu; ti vjetrovi nose kiše koje hrane divovske rijeke istočnog Sibira; ti vjetrovi zalijevaju sjevernu ravnicu Kine, žitnicu najmnogoljudnije zemlje na planetu.

Zbog svoje sposobnosti da apsorbira ugljični dioksid i udiše kisik, velike šume često se nazivaju plućima planeta. Ali Makarieva i Gorshkov (umro je prošle godine) uvjereni su da su i oni njezino srce. “Šume su složeni, samoodrživi kišni sustavi i glavni čimbenik u kruženju atmosfere na Zemlji”, kaže Makarieva. Oni recirkuliraju ogromne količine vlage u zrak i pritom stvaraju vjetrove koji pumpaju ovu vodu diljem svijeta. Prvi dio ove teorije - da šume stvaraju kišu - u skladu je s istraživanjima drugih znanstvenika i sve se više pamti kada se upravlja vodnim resursima usred silne krčenja šuma. No, drugi dio, teorija koju Makarieva naziva biotičkom pumpom, puno je kontroverznija.

Teorijska pozadina rada objavljena je - doduše u manje poznatim časopisima - a Makarievu je podržala mala skupina kolega. No teorija o biotičkoj pumpi dobila je nalet kritika - posebno od strane klimatskih modelara. Neki smatraju da je utjecaj pumpe beznačajan, dok ga drugi u potpunosti poriču. Kao rezultat toga, Makarieva se našla u ulozi autsajdera: teorijska fizičarka među razvijateljima modela, Ruskinja među zapadnim znanstvenicima i žena u području kojim vladaju muškarci.

No, ako je njezina teorija točna, moći će objasniti zašto, unatoč znatnoj udaljenosti od oceana, u unutrašnjosti šumovitih kontinenata pada onoliko padalina koliko i na obali, te zašto unutrašnjost kontinenata bez drveća, na naprotiv, obično je sušno. To također implicira da šume - od ruske tajge do prašuma Amazone - ne rastu samo tamo gdje je pravo vrijeme. Sami ga prave. "Iz onoga što sam pročitao, zaključio sam da biotička pumpa radi", kaže Douglas Sheil, šumski ekolog s Norveškog sveučilišta prirodnih znanosti. Budući da je sudbina svjetskih šuma u pitanju, kaže: "Čak i ako postoji i najmanja šansa da je ova teorija točna, neophodno je to sigurno saznati."

Mnogi udžbenici o meteorologiji još uvijek daju dijagram kruženja vode u prirodi, gdje je glavni uzrok atmosferske vlage, koja se kondenzira u oblacima i pada u obliku kiše, isparavanje oceana. Ova shema potpuno zanemaruje ulogu vegetacije, a posebno drveća, koja djeluju poput divovskih fontana. Njihovo korijenje crpi vodu iz tla za fotosintezu, a mikroskopske pore u lišću isparavaju neiskorištenu vodu u zrak. Taj proces - svojevrsno znojenje, samo na drveću - naziva se transpiracija. Dakle, jedno zrelo stablo dnevno ispusti stotine litara vode. Zbog velike površine lišća, šuma često ispušta više vlage u zrak nego vodeno tijelo iste veličine.

Kišna parada

Takozvane "leteće rijeke" prevladavaju vjetrovi koji upijaju vodenu paru koju ispuštaju šume i isporučuju kišu u udaljena vodena tijela. Kontroverzna teorija sugerira da same šume upravljaju vjetrovima.

Prema teoriji biotičke pumpe, šume ne uzrokuju samo kišu, već i vjetar. Kada se vodena para kondenzira nad obalnim šumama, tlak zraka se smanjuje i stvaraju se vjetrovi koji usisavaju vlažan oceanski zrak. Ciklusi transpiracije i kondenzacije stvaraju vjetrove koji kišu nose tisućama kilometara u unutrašnjost.

Dakle, oko 80% oborina u Kini dolazi sa zapada zahvaljujući transsibirskoj letećoj rijeci. A leteća rijeka Amazon daje 70% oborina u jugoistočnom dijelu Južne Amerike.

Uloga ove sekundarne vlage u stvaranju hranjivih kiša bila je uglavnom zanemarena sve do 1979. godine, kada je brazilski meteorolog Eneas Salati ispitao izotopski sastav kišnice iz amazonskog bazena. Pokazalo se da voda vraćena transpiracijom sadrži više molekula s teškim izotopom kisika-18 nego voda isparena iz oceana. Tako je Salati pokazao da je polovica padalina nad Amazonom pala kao posljedica isparavanja šume.

Meteorolozi su pratili atmosferski mlaz iznad šume na visini od oko 1,5 kilometara. Ti vjetrovi - zajednički nazvani južnoameričkim nižim mlaznim strujanjem - pušu od zapada prema istoku preko Amazone brzinom trkaćeg bicikla, nakon čega ih planine Anda vuku na jug. Salati i drugi sugerirali su da su oni ti koji su nosili najveći dio oslobođene vlage i nazvali su ih "letećim rijekom". Prema klimatologu Antoniju Nopeu iz Brazilskog Nacionalnog instituta za svemirska istraživanja, leteća rijeka Amazona danas nosi toliko vode koliko i divovska Zemljina rijeka ispod sebe.

Neko vrijeme se vjerovalo da su leteće rijeke ograničene na amazonski bazen. No, 1990-ih, hidrolog Hubert Savenije s Tehnološkog sveučilišta Deltfe počeo je proučavati recirkulaciju vlage u zapadnoj Africi. Koristeći hidrološki model na temelju vremenskih podataka, otkrio je da što je dalje od obale u unutrašnjosti, veći je udio padalina iz šuma - do 90% u unutrašnjosti. Ovo otkriće objašnjava zašto unutarnji Sahel postaje sušniji: obalne šume su nestale u posljednjih pola stoljeća.

Jedan od Savenierovih učenika, Ruud van der Ent, razvio je svoju ideju stvaranjem globalnog modela strujanja zraka vlage. Objedinio je opažanja oborina, vlažnosti, brzine i temperature vjetra i teorijske procjene isparavanja i transpiracije te stvorio prvi model prijenosa vlage na razmjerima izvan riječnih slivova.

Godine 2010. Van der Ent i njegovi kolege otkrili su da se globalno 40% svih oborina javlja na kopnu, a ne na oceanu. Često čak i više. Leteća rijeka Amazon daje 70% padalina u bazenu Rio de la Plata, koji se proteže na jugoistoku Južne Amerike. Van der Ent je bio prilično iznenađen kada je otkrio da Kina prima 80% svoje vode sa zapada – štoviše, to je uglavnom atlantska vlaga, koju prerađuju tajga šume Skandinavije i Rusije. Putovanje ima nekoliko faza - ciklusa transpiracije s pripadajućom kišom - i traje šest mjeseci ili više. "Ovo je u suprotnosti s prethodnim informacijama koje svi uče u srednjoj školi", kaže on. "Kina je blizu oceana, Tihog oceana, ali većina njenih padalina je vlaga s kopna na krajnjem zapadu."

Ako je Makarieva u pravu, šume pružaju ne samo vlagu, već i stvaraju vjetar koji je nosi.

S Gorškovim je radila četvrt stoljeća. Počela je kao studentica na PNPI-u, odjelu Kurčatovskog instituta, najvećeg ruskog instituta za nuklearna istraživanja, civilnog i vojnog. Od samog početka radili su na terenu i bavili se ekologijom na institutu, gdje fizičari proučavaju materijale pomoću nuklearnih reaktora i neutronskih zraka. Kao teoretičari, prisjeća se, imali su "iznimnu slobodu istraživanja i mišljenja" - bavili su se atmosferskom fizikom, gdje god ih je to vodilo. “Victor me naučio: ničega se ne plašiti”, kaže ona.

Godine 2007. prvi put su predstavili svoju teoriju biotičke pumpe u časopisu Hydrology and Earth Sciences. Od početka se smatralo provokativnim, jer je bilo u suprotnosti s dugogodišnjim načelom meteorologije: vjetrovi uglavnom nastaju zbog diferencijalnog zagrijavanja atmosfere. Kako se topli zrak diže, snižava pritisak slojeva ispod, stvarajući u biti novi prostor za sebe na površini. Ljeti se, na primjer, površina kopna brže zagrijava i privlači vlažni povjetarac iz hladnijeg oceana.

Makarieva i Gorshkov tvrde da ponekad prevladava drugačiji proces. Kada se vodena para iz šume kondenzira u oblake, plin postaje tekućina – i zauzima manji volumen. To smanjuje tlak zraka i uvlači zrak vodoravno iz područja s manje kondenzacije. U praksi to znači da kondenzacija nad obalnim šumama stvara morski povjetarac, gurajući vlažan zrak u unutrašnjost, gdje se na kraju kondenzira i pada kao kiša. Ako se šume protežu u unutrašnjosti, ciklus se nastavlja, održavajući vlažne vjetrove tisućama kilometara.

Ova teorija preokreće tradicionalno gledište: nije cirkulacija atmosfere ta koja kontrolira hidrološki ciklus, već, naprotiv, hidrološki ciklus regulira cirkulaciju mase zraka.

Sheel, a on je postao pobornik te teorije prije više od deset godina, smatra da je to razvoj ideje o letećim rijekama. “One se međusobno ne isključuju”, kaže on. "Cumpa objašnjava snagu rijeka." On vjeruje da biotička pumpa objašnjava "paradoks hladne Amazone". Od siječnja do lipnja, kada je amazonski bazen hladniji od oceana, jaki vjetrovi pušu od Atlantika do Amazone - iako bi teorija diferencijalnog zagrijavanja sugerirala drugačije. Nobre, još jedan dugogodišnji zagovornik, s entuzijazmom objašnjava: "Oni ne dolaze iz podataka, već iz temeljnih principa."

Čak i oni koji sumnjaju u teoriju slažu se da gubitak šuma ima dalekosežne posljedice na klimu. Mnogi znanstvenici tvrde da je krčenje šuma prije tisuća godina dovelo do dezertifikacije australskih zemalja i zapadne Afrike. Postoji rizik da će krčenje šuma u budućnosti dovesti do suša u drugim regijama, na primjer, dio amazonske prašume pretvorit će se u savanu. Kineske poljoprivredne regije, afrički Sahel i argentinske pampe također su ugrožene, kaže Patrick Keys, atmosferski kemičar sa Sveučilišta Colorado, Fort Collins.

Godine 2018. Kees i suradnici koristili su model sličan van der Entovom za praćenje izvora oborina za 29 globalnih metropolitanskih područja. Otkrio je da većina vodoopskrbe njih 19 ovisi o udaljenim šumama, uključujući Karachi (Pakistan), Wuhan i Šangaj (Kina), New Delhi i Kalkutu (Indija)."Čak i male promjene u oborinama uzrokovane promjenama u korištenju zemljišta niz vjetar mogu imati veliki utjecaj na krhkost gradskih zaliha vode", kaže on.

Neki modeli čak sugeriraju da krčenje šuma, uništavanjem izvora vlage, prijeti promijeniti vremenske uvjete daleko izvan plutajućih rijeka. Kao što znate, El Niño - fluktuacije temperature vjetra i strujanja u tropskom Tihom oceanu - neizravno utječe na vrijeme u udaljenim mjestima. Isto tako, krčenje šuma u Amazoni moglo bi smanjiti oborine na Srednjem zapadu SAD-a i snježni pokrivač u Sierra Nevadi, kaže klimatolog sa Sveučilišta Miami Roni Avissar, koji modelira takve veze. Daleko? "Nikako", odgovara on. “Znamo da je El Niño sposoban za to, jer, za razliku od krčenja šuma, ovaj fenomen se ponavlja, a mi promatramo obrazac. Obje su uzrokovane malim promjenama temperature i vlage koja se ispušta u atmosferu."

Istraživač sa Sveučilišta u Stockholmu, Lan Wang-Erlandsson, koji istražuje interakciju zemlje, vode i klime, kaže da je vrijeme da se pređe s korištenja vode i podzemnih površina unutar određenog riječnog sliva na promjenu korištenja zemljišta izvan nje. "Potrebni su novi međunarodni hidrološki sporazumi za održavanje šuma u područjima gdje se stvaraju zračne mase", kaže ona.

Prije dvije godine, na sastanku UN-ovog Foruma o šumama, na kojem sudjeluju vlade svih zemalja, istraživač zemljišta sa Sveučilišta u Bernu David Ellison predstavio je studiju slučaja. Pokazao je da do 40% ukupnih oborina u Etiopskom visoravni, glavnom izvoru Nila, dolazi od vlage koja se vraća iz šuma sliva Konga. Egipat, Sudan i Etiopija pregovaraju o davno zakašnjelom dogovoru o dijeljenju voda Nila. Ali takav bi sporazum bio besmislen ako bi krčenje šuma u bazenu Konga, daleko od triju zemalja, isušilo izvor vlage, sugerirao je Ellison. "Odnos između šuma i vode u upravljanju slatkom vodom u svijetu gotovo je potpuno zanemaren."

Teorija biotičke pumpe dodatno će podići ulog, budući da se očekuje da će gubitak šuma utjecati ne samo na izvore vlage, već i na obrasce vjetra. Ellison upozorava da će teorija, ako se potvrdi, biti "kritična za planetarne modele cirkulacije zraka" - posebice one koji prenose vlažan zrak u unutrašnjost.

No, zasad su pristaše teorije u manjini. Godine 2010. Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre i Bai-Liang Li, ekologinja sa Sveučilišta u Kaliforniji, Riverside, podnijeli su svoj povijesni opis biotičke pumpe u Atmospheric Chemistry and Physics, glavnom predmetnom časopisu s otvorenim recenzijom. Ali članak "Odakle dolaze vjetrovi?" bio je kritiziran na Internetu, a časopisu je trebalo mnogo mjeseci da pronađe samo dva znanstvenika da ga pregledaju. Isaac Held, meteorolog u Geophysical Fluid Dynamics Laboratory na Sveučilištu Princeton, dobrovoljno se javio - i preporučio da se objava odbije. "Ovo nije misteriozan učinak", kaže on. "Ona je općenito beznačajna i, štoviše, već se uzima u obzir u brojnim atmosferskim modelima." Kritičari kažu da širenje zraka iz topline nastale kondenzacijom vodene pare suprotstavlja prostornom učinku kondenzacije. Ali Makarieva kaže da su ta dva efekta prostorno odvojena: zagrijavanje se događa na visini, a pad tlaka kondenzacije događa se bliže površini, gdje se stvara biotski vjetar.

Druga recenzentica bila je Judith Curry, atmosferska fizičarka s Tehnološkog instituta Georgije. Dugo je brinula o stanju atmosfere i smatrala je da članak treba objaviti, jer "sučeljavanje loše utječe na klimatologiju, a fizičarima treba krv iz nosa". Nakon tri godine rasprave, urednik časopisa odbio je Heldovu preporuku i objavio članak. No, istodobno je napomenuo da se objava ne može smatrati odobrenjem, ali će poslužiti kao znanstveni dijalog o kontroverznoj teoriji - potvrditi je ili opovrgnuti.

Od tada nije izašla nikakva potvrda ni opovrgavanje – nastavilo se sučeljavanje. Klimatski simulator Sveučilišta Columbia Gavin Schmidt kaže: "Ovo je samo glupost." Na kritike autori odgovaraju ovako: "Zapravo, zbog matematike nisu sigurni isplati li se nastaviti dijalog." Brazilski meteorolog i voditelj Nacionalnog centra za praćenje i prevenciju prirodnih katastrofa Jose Marengo kaže: “Mislim da pumpa postoji, ali sada je sve na razini teorije. Stručnjaci za klimatske modele to nisu prihvatili, ali Rusi su najbolji teoretičari na svijetu, pa se moraju provesti odgovarajući terenski eksperimenti kako bi se sve ispitalo." Ali dosad nitko, pa ni sama Makarieva, nije predložila takve eksperimente.

Sa svoje strane, Makarieva se oslanja na teoriju, tvrdeći u nizu nedavnih radova da isti mehanizam može utjecati na tropske ciklone - njih pokreće toplina koja se oslobađa kada se vlaga kondenzira nad oceanom. U novinama Atmospheric Research iz 2017., ona i njezini kolege sugerirali su da biotičke pumpe u obliku šume crpe zrak bogat vlagom iz podrijetla ciklona. To, kaže ona, objašnjava zašto se ciklone rijetko stvaraju u južnom Atlantskom oceanu: prašume Amazone i Konga odvode toliko vlage da je premalo preostalo za uragane.

Vodeći istraživač uragana na MIT-u, Kerry Emanuel, kaže da su predloženi učinci "značajni, ali zanemarivi". On preferira druga objašnjenja od izostanka uragana u južnom Atlantiku, na primjer, hladne vode regije ispuštaju manje vlage u zrak, a jaki vjetrovi sprječavaju stvaranje ciklona. Makarieva je, sa svoje strane, jednako prezirna prema tradicionalistima, smatrajući da su neke od postojećih teorija o intenzitetu uragana "protivurečne zakonima termodinamike". Ima još jedan članak u Journal of Atmospheric Sciences - čeka recenziju. “Zabrinuti smo da će, unatoč podršci urednika, naš rad ponovno biti odbijen”, kaže ona.

Iako se na Zapadu ideje Makarjeve smatraju marginalnim, u Rusiji se postupno ukorjenjuju. Vlada je prošle godine pokrenula javni dijalog o reviziji šumarskih zakona. Uz iznimku starih zaštićenih područja, ruske šume su otvorene za komercijalnu eksploataciju, ali vlada i Federalna agencija za šumarstvo razmatraju novu kategoriju - šume za zaštitu klime. “Neki u našem odjelu šumarstva su impresionirani idejom biotičke pumpe i žele uvesti novu kategoriju”, kaže ona. Ideju je podržala i Ruska akademija znanosti. Makarieva kaže da je biti dio konsenzusa, a ne vječni autsajder, novo i neobično.

Ovog ljeta njezino putovanje u sjeverne šume poremetila je epidemija koronavirusa i karantena. Kod kuće u St. Petersburgu sjela je za još jedan krug prigovora anonimnih recenzenata. Uvjerena je da će teorija pumpe prije ili kasnije prevladati. "U znanosti postoji prirodna inercija", kaže ona. S mračnim ruskim humorom prisjeća se riječi legendarnog njemačkog fizičara Maxa Plancka, koji je dao poznati opis napretka znanosti: "niz pogreba".