Pădurile reglează clima și produc vânt - Teoria pompei biotice

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Anastasia Makarieva, un fizician nuclear de la Institutul de Fizică Nucleară din Sankt Petersburg, a apărat teoria conform căreia pădurile de taiga din Rusia reglează clima regiunilor de nord ale Asiei de mai bine de zece ani. Mulți meteorologi occidentali nu sunt de acord cu ea, dar guvernul și oamenii de știință din Rusia sunt interesați de această teorie.

În fiecare vară, pe măsură ce zilele se lungesc, Anastasia Makarieva își părăsește laboratorul din Sankt Petersburg și pleacă în vacanță în pădurile nesfârșite din nordul Rusiei. Un fizician nuclear montează un cort pe malul Mării Albe, printre brazi și pini, înoată într-un caiac pe râurile nesfârșite ale regiunii și ia notițe despre natură și vreme. „Pădurile reprezintă o parte importantă a vieții mele personale”, spune ea. De 25 de ani de pelerinaj anual în nord, ei au devenit o parte importantă a vieții ei profesionale.

De mai bine de zece ani, Makarieva a apărat teoria, pe care a dezvoltat-o împreună cu Viktor Gorshkov, mentorul și colegul ei de la Institutul de Fizică Nucleară din Petersburg (PNPI), despre modul în care pădurile boreale (taiga) din Rusia, cea mai mare pădure pe Pământ, reglează clima din nordul Asiei. Această teorie fizică simplă, dar de anvergură, descrie modul în care vaporii de apă expirați de copaci creează vânturi - aceste vânturi traversează continentul, transportând aer umed din Europa prin Siberia și mai departe până în Mongolia și China; aceste vânturi poartă ploile care alimentează râurile uriașe din Siberia de Est; aceste vânturi udă câmpia de nord a Chinei, grânarul celei mai populate țări de pe planetă.

Datorită capacității sale de a absorbi dioxidul de carbon și de a respira oxigen, pădurile mari sunt adesea denumite plămânii planetei. Dar Makarieva și Gorshkov (a murit anul trecut) sunt convinși că sunt și inima ei. „Pădurile sunt sisteme de ploaie complexe, auto-susținute și un factor major în circulația atmosferei pe Pământ”, spune Makarieva. Ele recirculează cantități uriașe de umiditate în aer și în acest proces creează vânturi care pompează această apă în întreaga lume. Prima parte a acestei teorii - conform căreia pădurile fac ploaia - este în concordanță cu cercetările altor oameni de știință și este din ce în ce mai reținută atunci când gestionează resursele de apă pe fondul defrișărilor rampante. Dar a doua parte, teoria pe care Makarieva o numește pompa biotică, este mult mai controversată.

Contextul teoretic al lucrării a fost publicat - deși în reviste mai puțin cunoscute - iar Makarieva a fost susținută de un grup restrâns de colegi. Dar teoria pompei biotice a primit o serie de critici - în special din partea modelatorilor climatici. Unii cred că impactul pompei este nesemnificativ, în timp ce alții îl neagă cu totul. Drept urmare, Makarieva s-a trezit în rolul unui străin: un fizician teoretician printre dezvoltatorii de modele, un rus printre oamenii de știință occidentali și o femeie într-o zonă condusă de bărbați.

Totuși, dacă teoria ei este corectă, va putea explica de ce, în ciuda distanței considerabile față de oceane, în interiorul continentelor împădurite sunt la fel de multe precipitații ca pe coastă și de ce în interiorul continentelor fără copaci, pe dimpotrivă, este de obicei arid. De asemenea, implică faptul că pădurile - de la taiga rusească până la pădurile tropicale din Amazon - nu cresc doar acolo unde vremea este potrivită. Ei o fac singuri. „Din ceea ce am citit, am ajuns la concluzia că pompa biotică funcționează”, spune Douglas Sheil, ecologist forestier la Universitatea Norvegiană de Științe Vieții. Deoarece soarta pădurilor lumii este pusă sub semnul întrebării, el spune: „Chiar dacă există cea mai mică șansă ca această teorie să fie corectă, este imperativ să aflăm cu siguranță”.

Multe manuale de meteorologie oferă încă o diagramă a ciclului apei în natură, unde principala cauză a umidității atmosferice, care se condensează în nori și cade sub formă de ploaie, este evaporarea oceanului. Această schemă ignoră complet rolul vegetației și mai ales al copacilor, care acționează ca niște fântâni uriașe. Rădăcinile lor atrag apă din sol pentru fotosinteză, iar porii microscopici din frunze evaporă apa neutilizată în aer. Acest proces - un fel de transpirație, numai în copaci - se numește transpirație. Astfel, un copac matur eliberează sute de litri de apă pe zi. Datorită suprafeței mari de frunziș, pădurea eliberează adesea mai multă umiditate în aer decât un corp de apă de aceeași dimensiune.

Parada ploii

Așa-numitele „râuri zburătoare” sunt vânturile predominante care absorb vaporii de apă emiși din păduri și livrează ploaia către corpurile de apă îndepărtate. O teorie controversată sugerează că pădurile înseși guvernează vânturile.

Conform teoriei pompei biotice, pădurile nu produc doar ploi, ci și vânt. Când vaporii de apă se condensează peste pădurile de coastă, presiunea aerului scade și se creează vânturi care aspiră aerul umed al oceanului. Ciclurile de transpirație și condens creează vânturi care duc ploaia pe mii de kilometri spre interior.

Deci, aproximativ 80% din precipitațiile din China provin din vest datorită fluviului zburător transiberian. Și fluviul Amazon zburător furnizează 70% din precipitații în partea de sud-est a Americii de Sud.

Rolul acestei umidități secundare în formarea ploilor nutritive a fost în mare măsură trecut cu vederea până în 1979, când meteorologul brazilian Eneas Salati a examinat compoziția izotopică a apei pluviale din bazinul Amazonului. S-a dovedit că apa returnată prin transpirație conține mai multe molecule cu izotopul greu oxigen-18 decât apa evaporată din ocean. Așa că Salați a arătat că jumătate din precipitațiile de peste Amazon au căzut ca urmare a evaporării pădurilor.

Meteorologii au urmărit jetul atmosferic deasupra pădurii la o altitudine de aproximativ 1,5 kilometri. Aceste vânturi - denumite în mod colectiv sub denumirea de curent cu jet inferior din America de Sud - sufla de la vest la est peste Amazon cu viteza unei biciclete de curse, după care munții Anzi îi trage spre sud. Salati și alții au sugerat că ei au fost cei care au transportat cea mai mare parte a umezelii eliberate și i-au numit „râul zburător”. Potrivit climatologului Antonio Nope de la Institutul Național de Cercetare Spațială din Brazilia, fluviul zburător Amazon transportă astăzi la fel de multă apă ca și râul gigant al Pământului de sub el.

Pentru o vreme s-a crezut că râurile zburătoare erau limitate la bazinul Amazonului. Dar în anii 1990, hidrologul Hubert Savenije de la Universitatea de Tehnologie Deltfe a început să studieze recircularea umidității în Africa de Vest. Folosind un model hidrologic pe datele meteorologice, el a descoperit că, cu cât mai în interior de coastă, cu atât este mai mare proporția de precipitații care cad din păduri - până la 90% în interior. Această descoperire explică de ce Sahelul interior devine mai uscat: pădurile de coastă au dispărut în ultima jumătate de secol.

Unul dintre studenții lui Savenier, Ruud van der Ent, și-a dezvoltat ideea creând un model global de umiditate a fluxului de aer. El a reunit observațiile privind precipitațiile, umiditatea, viteza și temperatura vântului și estimări teoretice ale evaporării și transpirației și a creat primul model de transport al umidității la scară dincolo de bazinele fluviale.

În 2010, Van der Ent și colegii săi și-au dezvăluit descoperirea că la nivel global, 40% din toate precipitațiile au loc pe uscat, nu pe ocean. De multe ori chiar mai mult. Fluviul zburător Amazon furnizează 70% din precipitațiile din bazinul Rio de la Plata, care se întinde în sud-estul Americii de Sud. Van der Ent a fost destul de surprins să constate că China primește 80% din apa din vest - în plus, este în principal umiditatea atlantică, care este procesată de pădurile de taiga din Scandinavia și Rusia. Călătoria are mai multe etape - cicluri de transpirație cu ploaie asociată - și durează șase luni sau mai mult. „Acest lucru contrazice informațiile anterioare pe care toată lumea le învață în liceu”, spune el. „China este aproape de ocean, de Oceanul Pacific, dar cea mai mare parte din precipitațiile sale sunt umiditatea din pământul din vestul îndepărtat”.

Dacă Makarieva are dreptate, pădurile furnizează nu numai umiditate, ci și creează vântul care o poartă.

Ea a lucrat cu Gorshkov timp de un sfert de secol. Ea a început ca studentă la PNPI, o subdiviziune a Institutului Kurchatov, cel mai mare institut rus de cercetare nucleară, atât civilă, cât și militară. De la bun început, ei au lucrat în domeniu și s-au ocupat de ecologie la institut, unde fizicienii studiază materiale folosind reactoare nucleare și fascicule de neutroni. Ca teoreticieni, își amintește ea, aveau „libertate excepțională de cercetare și gândire” - erau angajați în fizica atmosferei, oriunde i-ar fi adus. „Victor m-a învățat: să nu te temi de nimic”, spune ea.

În 2007, ei și-au prezentat pentru prima dată teoria pompei biotice în revista Hydrology and Earth Sciences. A fost considerată provocatoare încă de la început, deoarece contrazicea un principiu de lungă durată al meteorologiei: vânturile sunt cauzate în principal de încălzirea diferențială a atmosferei. Pe măsură ce aerul cald se ridică, scade presiunea straturilor de dedesubt, creând, în esență, un nou spațiu pentru el însuși la suprafață. Vara, de exemplu, suprafața pământului se încălzește mai repede și atrage briza umedă din oceanul mai rece.

Makarieva și Gorshkov susțin că uneori prevalează un proces diferit. Când vaporii de apă din pădure se condensează în nori, gazul devine lichid - și ocupă mai puțin volum. Acest lucru reduce presiunea aerului și atrage aerul orizontal din zonele cu mai puțin condens. În practică, aceasta înseamnă că condensul peste pădurile de coastă formează o briză mării, împingând aerul umed în interior, unde în cele din urmă se condensează și cade sub formă de ploaie. Dacă pădurile se întind spre interior, ciclul continuă, menținând vânturile umede pe mii de kilometri.

Această teorie răstoarnă viziunea tradițională: nu circulația atmosferică este cea care controlează ciclul hidrologic, ci, dimpotrivă, ciclul hidrologic reglează circulația în masă a aerului.

Sheel, și a devenit un susținător al teoriei în urmă cu mai bine de zece ani, consideră că este o dezvoltare a ideii de râuri zburătoare. „Nu se exclud reciproc”, spune el. „Pompa explică puterea râurilor”. El crede că pompa biotică explică „paradoxul rece al Amazonului”. Din ianuarie până în iunie, când bazinul Amazonului este mai rece decât oceanul, vânturi puternice bat din Atlantic spre Amazon - deși teoria încălzirii diferențiale ar sugera altfel. Nobre, un alt susținător de multă vreme, explică cu entuziasm: „Nu provin din date, ci din principii care stau la baza”.

Chiar și cei care se îndoiesc de teorie sunt de acord că pierderea pădurilor are consecințe de amploare asupra climei. Mulți oameni de știință susțin că defrișarea cu mii de ani în urmă a dus la deșertificarea ținuturilor interioare din Australia și a Africii de Vest. Există riscul ca defrișările în viitor să ducă la secete în alte regiuni, de exemplu, o parte din pădurea tropicală amazoniană se va transforma în savană. Regiunile agricole ale Chinei, Sahelul african și pampas argentinian sunt, de asemenea, în pericol, spune Patrick Keys, chimist atmosferic la Universitatea din Colorado, Fort Collins.

În 2018, Kees și colegii au folosit un model similar cu cel al lui van der Ent pentru a urmări sursele de precipitații pentru 29 de zone metropolitane globale. El a descoperit că cea mai mare parte a aprovizionării cu apă a 19 dintre ele depinde de pădurile îndepărtate, inclusiv Karachi (Pakistan), Wuhan și Shanghai (China), New Delhi și Kolkata (India).„Chiar și schimbările mici ale precipitațiilor cauzate de schimbările de utilizare a terenului în aval pot avea un impact mare asupra fragilității alimentării cu apă urbană”, spune el.

Unele modele sugerează chiar că defrișarea, prin distrugerea sursei de umiditate, amenință să schimbe condițiile meteorologice mult dincolo de râurile plutitoare. După cum știți, El Niño - fluctuațiile temperaturii vântului și ale curenților din Oceanul Pacific tropical - afectează indirect vremea în locuri îndepărtate. De asemenea, defrișările din Amazon ar putea reduce precipitațiile în Midwestul SUA și stratul de zăpadă din Sierra Nevada, spune climatologul de la Universitatea din Miami, Roni Avissar, care modelează astfel de conexiuni. exagerat? „Nu deloc”, răspunde el. „Știm că El Niño este capabil de acest lucru, pentru că, spre deosebire de defrișare, acest fenomen se repetă și observăm un model. Ambele sunt cauzate de mici modificări ale temperaturii și umidității care sunt eliberate în atmosferă.”

Cercetătorul de la Universitatea din Stockholm, Lan Wang-Erlandsson, care cercetează interacțiunea pământului, apei și climei, spune că este timpul să trecem de la utilizarea apei și a subteranei într-un anumit bazin hidrografic la schimbarea utilizării terenurilor dincolo. „Sunt necesare noi acorduri hidrologice internaționale pentru a menține pădurile în zonele în care se formează mase de aer”, spune ea.

În urmă cu doi ani, la o reuniune a Forumului ONU pentru Păduri, la care participă guvernele tuturor țărilor, cercetătorul terenurilor de la Universitatea din Berna David Ellison a prezentat un studiu de caz. El a demonstrat că până la 40% din precipitațiile totale din Țările Etiopiene, principala sursă a Nilului, provin din umiditatea care se întoarce din pădurile din bazinul Congo. Egiptul, Sudanul și Etiopia negociază un acord de mult așteptat pentru a împărți apele Nilului. Dar un astfel de acord ar fi lipsit de sens dacă defrișările din bazinul Congo, departe de cele trei țări, ar seca sursa de umiditate, a sugerat Ellison. „Relația dintre păduri și apă în gestionarea apei dulci din lume este aproape complet ignorată”.

Teoria pompei biotice va ridica și mai mult miza, deoarece pierderea pădurii este de așteptat să afecteze nu numai sursele de umiditate, ci și modelele vântului. Ellison avertizează că teoria, dacă va fi confirmată, va fi „critică pentru modelele de circulație a aerului planetar” - în special cele care transportă aer umed spre interior.

Dar până acum, susținătorii teoriei sunt în minoritate. În 2010, Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre și Bai-Liang Li, un ecologist la Universitatea din California, Riverside, și-au prezentat descrierea istorică a pompei biotice în Atmospheric Chemistry and Physics, o revistă cu subiecte majore cu revizuire deschisă. Dar articolul „De unde vin vânturile?” a fost criticat pe internet, iar revistei i-au trebuit multe luni pentru a găsi doar doi oameni de știință care să o revizuiască. Isaac Held, un meteorolog la Laboratorul de dinamică a fluidelor geofizice de la Universitatea Princeton, s-a oferit voluntar - și a recomandat ca publicația să fie respinsă. „Acesta nu este un efect misterios”, spune el. „Este în general nesemnificativ și, în plus, este deja luat în considerare într-o serie de modele atmosferice”. Criticii spun că expansiunea aerului din căldura generată de condensarea vaporilor de apă contracarează efectul spațial al condensului. Dar Makarieva spune că aceste două efecte sunt separate spațial: încălzirea are loc la altitudine, iar scăderea presiunii de condensare are loc mai aproape de suprafață, unde se creează vântul biotic.

Un alt recenzent a fost Judith Curry, fiziciană a atmosferei la Institutul de Tehnologie din Georgia. Ea s-a îngrijorat de mult de starea atmosferei și a considerat că articolul ar trebui publicat, pentru că „confruntarea are un efect negativ asupra climatologiei și are nevoie de sânge din nas pentru fizicieni”. După trei ani de dezbateri, editorul revistei a respins recomandarea lui Held și a publicat articolul. Dar, în același timp, el a menționat că publicația nu poate fi considerată o aprobare, ci va servi drept dialog științific asupra unei teorii controversate - pentru a o confirma sau infirma.

De atunci, nu a ieșit nicio confirmare sau infirmare - confruntarea a continuat. Simulatorul climatic de la Universitatea Columbia, Gavin Schmidt, spune: „Este doar o prostie”. Autorii răspund criticilor astfel: „De fapt, din cauza matematicii, nu sunt siguri dacă merită să continue dialogul”. Meteorologul brazilian și șeful Centrului Național de Monitorizare și Prevenire a Dezastrelor Naturale, Jose Marengo, spune: „Cred că pompa există, dar acum totul este la nivel de teorie. Experții în modele climatice nu l-au acceptat, dar rușii sunt cei mai buni teoreticieni din lume, așa că trebuie efectuate experimente adecvate pe teren pentru a testa totul.” Dar până acum nimeni, nici măcar Makarieva însăși, nu a propus astfel de experimente.

La rândul ei, Makarieva se bazează pe teorie, argumentând într-o serie de lucrări recente că același mecanism poate afecta ciclonii tropicali - aceștia sunt conduși de căldura eliberată atunci când umiditatea se condensează peste ocean. În ziarul Atmospheric Research din 2017, ea și colegii ei au sugerat că pompele biotice în formă de pădure atrag aer bogat în umiditate din originile ciclonilor. Aceasta, spune ea, explică de ce ciclonii se formează rar în Oceanul Atlantic de Sud: pădurile tropicale din Amazon și Congo drenează atât de multă umiditate încât rămâne prea puțină pentru uragane.

Cercetătorul principal de uragane de la MIT, Kerry Emanuel, spune că efectele propuse sunt „semnificative, dar neglijabile”. Preferă alte explicații pentru absența uraganelor în Atlanticul de Sud, de exemplu, apele reci ale regiunii eliberează mai puțină umiditate în aer, iar vânturile sale puternice împiedică formarea cicloanelor. Makarieva, la rândul ei, este la fel de disprețuitor față de tradiționaliști, considerând că unele dintre teoriile existente despre intensitatea uraganelor „contrad legile termodinamicii”. Ea mai are un articol în Journal of Atmospheric Sciences - în așteptarea revizuirii. „Suntem îngrijorați că, în ciuda sprijinului editorului, munca noastră va fi respinsă din nou”, spune ea.

Deși în Occident ideile lui Makaryeva sunt considerate marginale, în Rusia ele prind treptat rădăcini. Anul trecut, guvernul a lansat un dialog public privind revizuirea legilor forestiere. Cu excepția vechilor zone protejate, pădurile rusești sunt deschise pentru exploatare comercială, dar guvernul și Agenția Federală pentru Silvicultură au în vedere o nouă categorie - pădurile de protecție a climei. „Unii din departamentul nostru silvic sunt impresionați de ideea pompei biotice și doresc să introducă o nouă categorie”, spune ea. Ideea a fost susținută și de Academia Rusă de Științe. Makarieva spune că a fi parte a consensului, și nu un străin etern, este nou și neobișnuit.

În această vară, călătoria ei în pădurile din nord a fost întreruptă de epidemia de coronavirus și de carantină. Acasă, în Sankt Petersburg, ea s-a așezat pentru încă o serie de obiecții din partea recenzenților anonimi. Ea este convinsă că teoria pompei va prevala mai devreme sau mai târziu. „Există o inerție naturală în știință”, spune ea. Cu umor negru rusesc, ea amintește de cuvintele legendarului fizician german Max Planck, care a făcut celebra descriere a progresului științei: „o serie de înmormântări”.