Gozdovi uravnavajo podnebje in proizvajajo veter - teorija biotske črpalke

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Anastasia Makarieva, jedrska fizika z Inštituta za jedrsko fiziko v Sankt Peterburgu, že več kot deset let zagovarja teorijo, da tajga gozdovi Rusije uravnavajo podnebje severnih regij Azije. Številni zahodni meteorologi se z njo ne strinjajo, a vlado in znanstvenike v Rusiji ta teorija zanima.

Vsako poletje, ko se dnevi daljšajo, Anastasia Makarieva zapusti svoj laboratorij v Sankt Peterburgu in se odpravi na počitnice v neskončne gozdove ruskega severa. Jedrski fizik postavlja šotor na obali Belega morja, med jelkami in borovci, plava v kajaku po neskončnih rekah regije in si beleži naravo in vreme. "Gozdovi so velik del mojega osebnega življenja," pravi. Za 25 let letnega romanja na sever so postali pomemben del njenega poklicnega življenja.

Makarieva že več kot deset let zagovarja teorijo, ki jo je razvila skupaj z Viktorjem Gorškovim, njenim mentorjem in kolegom s Peterburškega inštituta za jedrsko fiziko (PNPI), o tem, kako se borealni (tajga) gozdovi Rusije, največjega gozda na Zemlji uravnavajo podnebje severne Azije. Ta preprosta, a daljnosežna fizikalna teorija opisuje, kako vodna para, ki jo izdihujejo drevesa, ustvarja vetrove – ti vetrovi prečkajo celino in prenašajo vlažen zrak iz Evrope čez Sibirijo in naprej v Mongolijo in Kitajsko; ti vetrovi nosijo dež, ki hrani velikanske reke vzhodne Sibirije; ti vetrovi zalivajo severno nižino Kitajske, žitnico najbolj naseljene države na planetu.

Zaradi svoje sposobnosti absorbiranja ogljikovega dioksida in izdihavanja kisika se veliki gozdovi pogosto imenujejo pljuča planeta. Toda Makarieva in Gorshkov (umrl je lani) sta prepričana, da sta tudi ona njeno srce. "Gozdovi so kompleksni, samozadostni deževni sistemi in glavni dejavnik kroženja atmosfere na Zemlji," pravi Makarieva. V zrak krožijo ogromne količine vlage in pri tem ustvarjajo vetrove, ki to vodo črpajo po vsem svetu. Prvi del te teorije – da gozdovi povzročajo dež – je skladen z raziskavami drugih znanstvenikov in se ga vedno bolj spominjamo pri upravljanju vodnih virov med neustreznim krčenjem gozdov. Toda drugi del, teorija, ki jo Makarieva imenuje biotska črpalka, je veliko bolj sporna.

Teoretično ozadje dela je bilo objavljeno - čeprav v manj znanih revijah - in Makarievo je podprla majhna skupina kolegov. Toda teorija o biotičnih črpalkah je bila deležna velike kritike – zlasti s strani oblikovalcev podnebnih modelov. Nekateri menijo, da je vpliv črpalke nepomemben, drugi pa ga v celoti zanikajo. Posledično se je Makarieva znašla v vlogi tujke: teoretična fizika med razvijalci modelov, Rusinja med zahodnimi znanstveniki in ženska na območju, ki mu vladajo moški.

Če pa je njena teorija pravilna, bo znala razložiti, zakaj je kljub precejšnji oddaljenosti od oceanov v notranjosti gozdnatih celin toliko padavin kot na obali in zakaj je notranjost celin brez drevesa na nasprotno, je običajno sušno. Prav tako pomeni, da gozdovi - od ruske tajge do deževnih gozdov Amazonije - ne rastejo le tam, kjer je pravo vreme. Izdelujejo ga sami. "Po tem, kar sem prebral, sem ugotovil, da biotska črpalka deluje," pravi Douglas Sheil, gozdni ekolog z Norveške univerze za naravoslovje. Ker je usoda svetovnih gozdov vprašljiva, pravi: "Tudi če obstaja najmanjša možnost, da je ta teorija pravilna, je nujno, da to ugotovimo."

Številni meteorološki učbeniki še vedno ponujajo diagram vodnega kroga v naravi, kjer je glavni vzrok atmosferske vlage, ki se kondenzira v oblakih in pada v obliki dežja, izhlapevanje oceana. Ta shema popolnoma ignorira vlogo vegetacije in predvsem dreves, ki delujejo kot velikanske fontane. Njihove korenine črpajo vodo iz zemlje za fotosintezo, mikroskopske pore v listih pa izhlapijo neporabljeno vodo v zrak. Ta proces - neke vrste potenje, samo na drevesih - se imenuje transpiracija. Tako eno zrelo drevo sprosti na stotine litrov vode na dan. Zaradi velike površine listja gozd pogosto izpusti več vlage v zrak kot vodno telo enake velikosti.

Dežna parada

Tako imenovane "leteče reke" so prevladujoči vetrovi, ki absorbirajo vodno paro, ki se oddaja iz gozdov, in prenašajo dež v oddaljena vodna telesa. Kontroverzna teorija kaže, da gozdovi sami upravljajo vetrove.

Po teoriji biotske črpalke gozdovi ne povzročajo le dežja, ampak tudi veter. Ko se vodna para kondenzira nad obalnimi gozdovi, se zračni tlak zmanjša in nastanejo vetrovi, ki sesajo vlažen oceanski zrak. Cikli transpiracije in kondenzacije ustvarjajo vetrove, ki prenašajo dež na tisoče kilometrov v notranjost.

Torej približno 80% padavin na Kitajskem prihaja z zahoda zahvaljujoč transsibirski leteči reki. In leteča reka Amazonka zagotavlja 70 % padavin v jugovzhodnem delu Južne Amerike.

Vloga te sekundarne vlage pri nastajanju hranilnih dežjev je bila v veliki meri spregledana do leta 1979, ko je brazilski meteorolog Eneas Salati preučeval izotopsko sestavo deževnice iz porečja Amazonke. Izkazalo se je, da voda, vrnjena s transpiracijo, vsebuje več molekul s težkim izotopom kisika-18 kot voda, ki je izhlapela iz oceana. Tako je Salati pokazal, da je polovica padavin nad Amazonko padla kot posledica izhlapevanja gozdov.

Vremenoslovci so izsledili atmosferski curek nad gozdom na višini približno 1,5 kilometra. Ti vetrovi - skupaj imenovani južnoameriški nižji curek - pihajo od zahoda proti vzhodu čez Amazonko s hitrostjo dirkalnega kolesa, nato pa jih gorovje Andov vleče proti jugu. Salati in drugi so predlagali, da so prav oni nosili večino sproščene vlage, in jih poimenovali "leteča reka". Po besedah klimatologa Antonia Nopeja z Brazilskega nacionalnega inštituta za vesoljske raziskave leteča reka Amazonka danes nosi toliko vode kot velikanska zemeljska reka pod seboj.

Nekaj časa je veljalo, da so leteče reke omejene na porečje Amazonke. Toda v devetdesetih letih prejšnjega stoletja je hidrolog Hubert Savenije s Tehnološke univerze Deltfe začel preučevati recirkulacijo vlage v Zahodni Afriki. S hidrološkim modelom na podlagi vremenskih podatkov je ugotovil, da dlje kot je od obale v notranjost, večji je delež padavin, ki padejo iz gozdov – do 90 % v notranjosti. To odkritje pojasnjuje, zakaj notranji Sahel postaja bolj suh: obalni gozdovi so izginili v zadnjem pol stoletja.

Eden od Savenierjevih študentov, Ruud van der Ent, je svojo idejo razvil z ustvarjanjem globalnega modela pretoka zraka vlage. Združil je opazovanja padavin, vlažnosti, hitrosti in temperature vetra ter teoretične ocene izhlapevanja in transpiracije ter ustvaril prvi model transporta vlage na lestvicah izven porečja.

Leta 2010 so Van der Ent in njegovi sodelavci razkrili svojo ugotovitev, da se po vsem svetu 40 % vseh padavin pojavi na kopnem in ne na oceanu. Pogosto celo več. Leteča reka Amazonka zagotavlja 70 % padavin v bazenu Rio de la Plata, ki se razteza čez jugovzhod Južne Amerike. Van der Ent je bil precej presenečen, ko je ugotovil, da Kitajska prejme 80 % vode z zahoda – poleg tega gre predvsem za atlantsko vlago, ki jo predelujejo tajga gozdovi Skandinavije in Rusije. Potovanje ima več stopenj – transpiracijske cikle s pripadajočim dežjem – in traja šest mesecev ali več. "To je v nasprotju s prejšnjimi informacijami, ki se jih vsi naučijo v srednji šoli," pravi. "Kitajska je blizu oceana, Tihega oceana, a večina padavin je vlaga s kopnega na skrajnem zahodu."

Če ima Makarieva prav, gozdovi ne zagotavljajo le vlage, ampak ustvarjajo tudi veter, ki jo nosi.

Z Gorškovim je delala četrt stoletja. Začela je kot študentka na PNPI, pododdelku Kurčatovskega inštituta, največjega ruskega inštituta za jedrske raziskave, tako civilnega kot vojaškega. Od vsega začetka so delali na terenu in se na inštitutu ukvarjali z ekologijo, kjer fiziki preučujejo materiale z uporabo jedrskih reaktorjev in nevtronskih žarkov. Kot teoretiki, se spominja, so imeli "izjemno svobodo raziskovanja in mišljenja" - ukvarjali so se z atmosfersko fiziko, kamorkoli jih je odneslo. "Victor me je naučil: ničesar se ne boj," pravi.

Leta 2007 so svojo teorijo biotske črpalke prvič predstavili v reviji Hydrology and Earth Sciences. Od vsega začetka je veljal za provokativnega, saj je bil v nasprotju z dolgoletnim načelom meteorologije: vetrove povzroča predvsem diferencialno segrevanje ozračja. Ko se topel zrak dviga, zniža pritisk spodnjih plasti in v bistvu ustvari nov prostor zase na površini. Poleti se na primer površina kopnega hitreje segreje in privabi vlažen vetrič iz hladnejšega oceana.

Makarieva in Gorshkov trdita, da včasih prevlada drugačen proces. Ko se vodna para iz gozda kondenzira v oblake, postane plin tekoč – in zavzame manj prostornine. To zmanjša zračni tlak in vodoravno črpa zrak iz območij z manj kondenzacije. V praksi to pomeni, da kondenzacija nad obalnimi gozdovi kuje morski vetrič, ki potiska vlažen zrak v notranjost, kjer se na koncu kondenzira in pada kot dež. Če se gozdovi raztezajo v notranjost, se cikel nadaljuje in ohranja vlažne vetrove na tisoče kilometrov.

Ta teorija ovrže tradicionalno stališče: ni atmosferska cirkulacija tista, ki nadzoruje hidrološki cikel, ampak, nasprotno, hidrološki cikel uravnava množično kroženje zraka.

Sheel, ki je postal zagovornik teorije pred več kot desetimi leti, meni, da gre za razvoj ideje o letečih rekah. "Ne izključujejo se," pravi. "Črpalka razlaga moč rek." Prepričan je, da biotska črpalka pojasnjuje "paradoks hladne Amazonke". Od januarja do junija, ko je porečje Amazonije hladnejše od oceana, pihajo močni vetrovi od Atlantika do Amazonke – čeprav bi teorija diferencialnega ogrevanja namigovala drugače. Nobre, še en dolgoletni zagovornik, navdušeno razlaga: "Ne izhajajo iz podatkov, ampak iz temeljnih načel."

Tudi tisti, ki dvomijo v teorijo, se strinjajo, da ima izguba gozdov daljnosežne posledice za podnebje. Mnogi znanstveniki trdijo, da je krčenje gozdov pred tisočletji povzročilo dezertifikacijo celinskih avstralskih dežel in Zahodne Afrike. Obstaja tveganje, da bo krčenje gozdov v prihodnosti povzročilo sušo v drugih regijah, na primer, del amazonskega deževnega gozda se bo spremenil v savano. Ogrožene so tudi kitajske kmetijske regije, afriški Sahel in argentinske pampe, pravi Patrick Keys, atmosferski kemik na Univerzi v Koloradu v Fort Collinsu.

Leta 2018 so Kees in sodelavci uporabili model, podoben van der Entovemu, za sledenje virov padavin za 29 globalnih metropolitanskih območij. Ugotovil je, da je večina oskrbe z vodo 19 od njih odvisna od oddaljenih gozdov, vključno s Karačijem (Pakistan), Wuhanom in Šanghajem (Kitajska), New Delhijem in Kalkuto (Indija)."Že majhne spremembe v padavinah, ki jih povzročajo spremembe rabe zemljišč proti vetru, lahko močno vplivajo na krhkost mestnih oskrb z vodo," pravi.

Nekateri modeli celo kažejo, da krčenje gozdov z uničenjem vira vlage grozi, da spremeni vremenske razmere daleč onstran plavajočih rek. Kot veste, El Niño - nihanja temperature vetra in tokov v tropskem Tihem oceanu - posredno vpliva na vreme v oddaljenih krajih. Prav tako bi lahko krčenje gozdov v Amazoniji zmanjšalo količino padavin na Srednjem zahodu ZDA in snežno odejo v Sierri Nevadi, pravi klimatolog z univerze v Miamiju Roni Avissar, ki modelira takšne povezave. Premišljeno? "Sploh ne," odgovarja. »Vemo, da je El Niño tega sposoben, saj se za razliko od krčenja gozdov ta pojav ponavlja in opazimo vzorec. Oboje povzročajo majhne spremembe temperature in vlage, ki se sprošča v ozračje."

Raziskovalec Univerze v Stockholmu Lan Wang-Erlandsson, ki raziskuje medsebojno delovanje kopnega, vode in podnebja, pravi, da je čas za prehod z vode in podzemne rabe znotraj določenega porečja na spremembo rabe zemljišč zunaj nje. "Za vzdrževanje gozdov na območjih, kjer nastajajo zračne mase, so potrebni novi mednarodni hidrološki sporazumi," pravi.

Pred dvema letoma je na srečanju Foruma ZN o gozdovih, kjer sodelujejo vlade vseh držav, študijo primera predstavil raziskovalec zemljišč z Univerze v Bernu David Ellison. Dokazal je, da do 40 % vseh padavin v etiopskem višavju, glavnem viru Nila, izvira iz vlage, ki se vrača iz gozdov porečja Konga. Egipt, Sudan in Etiopija se pogajajo o že dolgo zastarelem dogovoru o delitvi voda Nila. Toda tak dogovor bi bil nesmiseln, če bi krčenje gozdov v porečju Konga, daleč od treh držav, izsušilo vir vlage, je predlagal Ellison. "Odnos med gozdovi in vodo pri upravljanju s sladko vodo na svetu je skoraj popolnoma prezrt."

Teorija biotske črpalke bo še dodatno dvignila deleže, saj naj bi izguba gozdov vplivala ne le na vire vlage, ampak tudi na vzorce vetra. Ellison opozarja, da bo teorija, če bo potrjena, "kritična za planetarne modele kroženja zraka" - zlasti tiste, ki prenašajo vlažen zrak v notranjost.

Toda zaenkrat so podporniki teorije v manjšini. Leta 2010 so Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre in Bai-Liang Li, ekologinja na Kalifornijski univerzi v Riversideu, predložili svoj zgodovinski opis biotske črpalke v Atmospheric Chemistry and Physics, glavni predmetni reviji z odprtim strokovnim pregledom. Toda članek "Od kod prihajajo vetrovi?" je bil kritiziran na internetu in revija je potrebovala več mesecev, da je našla le dva znanstvenika, ki sta jo pregledala. Isaac Held, meteorolog iz Laboratorija za geofizično dinamiko tekočin na univerzi Princeton, se je prijavil - in priporočil, da se objava zavrne. "To ni skrivnosten učinek," pravi. "Na splošno je nepomemben in je poleg tega že upoštevan v številnih atmosferskih modelih." Kritiki pravijo, da širjenje zraka zaradi toplote, ki nastane s kondenzacijo vodne pare, preprečuje prostorski učinek kondenzacije. Toda Makarieva pravi, da sta ta dva učinka prostorsko ločena: segrevanje se pojavi na nadmorski višini, padec kondenzacijskega tlaka pa se zgodi bližje površini, kjer nastaja biotski veter.

Druga recenzentka je bila Judith Curry, atmosferska fizika na Tehnološkem inštitutu Georgia. Dolgo je bila zaskrbljena nad stanjem ozračja in menila je, da je treba članek objaviti, ker "spopad slabo vpliva na klimatologijo in fizikom potrebuje kri iz nosu." Urednik revije je po treh letih razprave Heldovo priporočilo zavrnil in članek objavil. A hkrati je opozoril, da objave ni mogoče šteti za odobritev, ampak bo služila kot znanstveni dialog o kontroverzni teoriji - da jo potrdi ali ovrže.

Od takrat ni prišla nobena potrditev ali zavrnitev - soočenje se je nadaljevalo. Podnebni simulator univerze Columbia Gavin Schmidt pravi: "To je samo neumnost." Avtorji na kritike odgovarjajo takole: "Pravzaprav zaradi matematike niso prepričani, ali je vredno nadaljevati dialog." Brazilski meteorolog in vodja Nacionalnega centra za spremljanje in preprečevanje naravnih nesreč Jose Marengo pravi: »Mislim, da črpalka obstaja, zdaj pa je vse na ravni teorije. Strokovnjaki za podnebne modele tega niso sprejeli, vendar so Rusi najboljši teoretiki na svetu, zato je treba izvesti ustrezne terenske poskuse, da se vse preizkusi." Toda doslej nihče, niti Makarieva sama, ni predlagala takšnih poskusov.

Makarieva se zanaša na teorijo in v seriji nedavnih del trdi, da lahko isti mehanizem vpliva na tropske ciklone – poganja jih toplota, ki se sprosti, ko se vlaga kondenzira nad oceanom. V časopisu Atmospheric Research iz leta 2017 je ona in njeni sodelavci predlagali, da biotične črpalke v obliki gozda črpajo zrak, bogat z vlago, iz izvora ciklona. To po njenih besedah pojasnjuje, zakaj v južnem Atlantskem oceanu redko nastanejo cikloni: deževni gozdovi Amazonije in Konga odvajajo toliko vlage, da je za orkane ostalo premalo.

Vodilni raziskovalec orkanov na MIT, Kerry Emanuel, pravi, da so predlagani učinki "pomembni, a zanemarljivi". Raje ima druge razlage kot odsotnost orkanov v južnem Atlantiku, na primer hladne vode regije izpuščajo manj vlage v zrak, njeni močni vetrovi pa preprečujejo nastanek ciklonov. Makarieva pa je prav tako prezirljiva do tradicionalistov, saj meni, da so nekatere od obstoječih teorij o intenzivnosti orkanov »v nasprotju z zakoni termodinamike«. Ima še en članek v Journal of Atmospheric Sciences - čaka na pregled. »Skrbi nas, da bo kljub podpori urednika naše delo spet zavrnjeno,« pravi.

Čeprav na Zahodu ideje Makarjeve veljajo za obrobne, se v Rusiji postopoma ukoreninijo. Vlada je lani sprožila javni dialog o reviziji gozdarske zakonodaje. Ruski gozdovi so z izjemo starih zavarovanih območij odprti za komercialno izkoriščanje, a vlada in Zvezna gozdarska agencija razmišljata o novi kategoriji - podnebnovarstveni gozdovi. "Nekateri v našem gozdarskem oddelku so navdušeni nad idejo biotske črpalke in želijo uvesti novo kategorijo," pravi. Idejo je podprla tudi Ruska akademija znanosti. Makarieva pravi, da je biti del soglasja in ne večna tujca, novo in nenavadno.

Letos poleti sta njeno potovanje po severnih gozdovih prekinila epidemija koronavirusa in karantena. Doma v St. Petersburgu se je usedla za še en krog ugovorov anonimnih recenzentov. Prepričana je, da bo slej ko prej prevladala teorija črpalke. "V znanosti obstaja naravna vztrajnost," pravi. S temnim ruskim humorjem se spominja besed legendarnega nemškega fizika Maxa Plancka, ki je dal slavni opis napredka znanosti: "serija pogrebov."