Горите регулират климата и произвеждат вятър - теория на биотичните помпи

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Анастасия Макариева, ядрен физик от Института по ядрена физика в Санкт Петербург, защитава теорията, че тайговите гори на Русия регулират климата на северните райони на Азия повече от десет години. Много западни метеоролози не са съгласни с нея, но правителството и учените в Русия се интересуват от тази теория.

Всяко лято, с удължаването на дните, Анастасия Макариева напуска лабораторията си в Санкт Петербург и отива на почивка в безкрайните гори на руския север. Ядреният физик опъва палатка на брега на Бяло море, сред ели и борове, плува с каяк по безкрайните реки на региона и си води бележки за природата и времето. „Горите са голяма част от личния ми живот“, казва тя. За 25 години годишно поклонение на север те се превърнаха във важна част от професионалния й живот.

Повече от десет години Макариева защитава теорията, която разработи заедно с Виктор Горшков, неин ментор и колега от Петербургския институт по ядрена физика (PNPI), за това как бореалните (тайга) гори на Русия, най-голямата гора на Земята, регулират климата на Северна Азия. Тази проста, но всеобхватна физическа теория описва как водната пара, издишана от дърветата, създава ветрове – тези ветрове пресичат континента, пренасяйки влажен въздух от Европа през Сибир и по-нататък към Монголия и Китай; тези ветрове носят дъждовете, които хранят гигантските реки на Източен Сибир; тези ветрове напояват северната равнина на Китай, житницата на най-населената страна на планетата.

Поради способността си да абсорбира въглероден диоксид и да издишва кислород, големите гори често се наричат белите дробове на планетата. Но Макариева и Горшков (той почина миналата година) са убедени, че и те са нейното сърце. „Горите са сложни, самоподдържащи се дъждовни системи и основен фактор в циркулацията на атмосферата на Земята“, казва Макариева. Те рециркулират огромни количества влага във въздуха и в процеса създават ветрове, които изпомпват тази вода по целия свят. Първата част от тази теория - че горите създават дъжд - е в съответствие с изследванията на други учени и все повече се запомня при управлението на водните ресурси на фона на необузданото обезлесяване. Но втората част, теорията, която Макариева нарича биотичната помпа, е много по-спорна.

Теоретичната основа на работата беше публикувана - макар и в по-малко известни списания - и Макариева беше подкрепена от малка група колеги. Но теорията за биотичната помпа получи вълна от критики - особено от специалистите по моделиране на климата. Някои смятат, че въздействието на помпата е незначително, а други напълно го отричат. В резултат Макариева се оказа в ролята на аутсайдер: физик-теоретик сред разработчиците на модели, рускиня сред западните учени и жена в област, управлявана от мъже.

Въпреки това, ако нейната теория е вярна, тя ще може да обясни защо, въпреки значителното разстояние от океаните, във вътрешността на гористите континенти има толкова много валежи, колкото по крайбрежието, и защо вътрешността на безлесните континенти, на напротив, обикновено е сухо. Това също така предполага, че горите - от руската тайга до тропическите гори на Амазонка - не растат само там, където времето е подходящо. Правят го сами. „От това, което прочетох, стигнах до заключението, че биотичната помпа работи“, казва Дъглас Шейл, горски еколог от Норвежкия университет по природни науки. Тъй като съдбата на световните гори е под въпрос, той казва: „Дори ако има и най-малкият шанс тази теория да е вярна, е наложително да се разбере със сигурност“.

Много учебници по метеорология все още представят диаграма на кръговрата на водата в природата, където основната причина за атмосферната влага, която се кондензира в облаци и пада под формата на дъжд, е изпарението на океана. Тази схема напълно игнорира ролята на растителността и особено на дърветата, които действат като гигантски фонтани. Корените им изтеглят вода от почвата за фотосинтеза, а микроскопичните пори в листата изпаряват неизползваната вода във въздуха. Този процес - един вид изпотяване, само при дърветата - се нарича транспирация. Така едно зряло дърво отделя стотици литри вода на ден. Поради голямата площ на зеленина, гората често отделя повече влага във въздуха, отколкото водно тяло със същия размер.

Дъждовен парад

Така наречените "летящи реки" са преобладаващите ветрове, които поглъщат водни пари, отделяни от горите и доставят дъжд на далечни водни обекти. Противоречива теория предполага, че самите гори управляват ветровете.

Според теорията на биотичната помпа горите причиняват не само дъжд, но и вятър. Когато водната пара се кондензира над крайбрежните гори, атмосферното налягане намалява и се създават ветрове, които изсмукват влажен океански въздух. Циклите на транспирация и кондензация създават ветрове, които носят дъжд на хиляди километри навътре.

Така че около 80% от валежите в Китай идват от запад благодарение на транссибирската летяща река. А летящата река Амазонка осигурява 70% от валежите в югоизточната част на Южна Америка.

Ролята на тази вторична влага при образуването на хранителни дъждове до голяма степен е пренебрегвана до 1979 г., когато бразилският метеоролог Енеас Салати изследва изотопния състав на дъждовната вода от басейна на Амазонка. Оказа се, че водата, върната чрез транспирация, съдържа повече молекули с тежкия изотоп кислород-18, отколкото водата, изпарена от океана. Така Салати показа, че половината от валежите над Амазонка са паднали в резултат на изпаряване на горите.

Метеоролозите проследиха атмосферната струя над гората на височина от около 1,5 километра. Тези ветрове - общо наричани южноамериканския по-нисък реактивен поток - духат от запад на изток през Амазонка със скоростта на състезателен мотоциклет, след което планините на Андите ги влачат на юг. Салати и други предполагат, че именно те носят по-голямата част от отделената влага и ги нарекоха „летящата река“. Според климатолога Антонио Нопе от Бразилския национален институт за космически изследвания, летящата река Амазонка днес носи толкова вода, колкото гигантската река на Земята под нея.

Известно време се смяташе, че летящите реки са ограничени до басейна на Амазонка. Но през 90-те години на миналия век хидрологът Hubert Savenije от Технологичния университет Deltfe започва да изучава рециркулацията на влага в Западна Африка. Използвайки хидроложки модел върху метеорологичните данни, той установи, че колкото по-навътре от брега, толкова по-голям е делът на валежите, падащи от горите - до 90% във вътрешността. Това откритие обяснява защо вътрешният Сахел става по-сух: крайбрежните гори са изчезнали през последния половин век.

Един от учениците на Савиер, Рууд ван дер Ент, развива идеята си, като създава глобален модел на влажен въздушен поток. Той събра наблюдения на валежите, влажността, скоростта и температурата на вятъра и теоретичните оценки на изпарението и транспирацията и създаде първия модел на пренос на влага в мащаби извън речните басейни.

През 2010 г. Ван дер Ент и колегите му разкриха своето откритие, че в световен мащаб 40% от всички валежи се падат на сушата, а не в океана. Често дори повече. Летящата река Амазонка осигурява 70% от валежите в басейна на Рио де ла Плата, който се простира в югоизточната част на Южна Америка. Ван дер Ент беше доста изненадан, когато установи, че Китай получава 80% от водата си от запад – освен това това е предимно атлантическа влага, която се преработва от тайговите гори на Скандинавия и Русия. Пътуването има няколко етапа - цикли на транспирация със свързания дъжд - и отнема шест месеца или повече. „Това противоречи на предишната информация, която всеки научава в гимназията“, казва той. "Китай е близо до океана, Тихия океан, но по-голямата част от валежите са влага от сушата в далечния запад."

Ако Макариева е права, горите осигуряват не само влага, но и създават вятъра, който я носи.

Тя работи с Горшков четвърт век. Започва като студентка в PNPI, подразделение на Курчатовския институт, най-големият руски институт за ядрени изследвания, граждански и военен. От самото начало те работят в областта и се занимават с екология в института, където физиците изучават материали с помощта на ядрени реактори и неутронни лъчи. Като теоретици, спомня си тя, те имаха „изключителна свобода на изследване и мислене“– занимаваха се с атмосферна физика, където и да ги отнеме. „Виктор ме научи: не се страхувай от нищо“, казва тя.

През 2007 г. те за първи път представиха своята теория за биотичната помпа в списанието Hydrology and Earth Sciences. От самото начало се смяташе за провокативен, защото противоречи на дългогодишния принцип на метеорологията: ветровете се причиняват главно от диференциалното нагряване на атмосферата. Тъй като топлият въздух се издига, той намалява налягането на слоевете отдолу, създавайки по същество ново пространство за себе си на повърхността. През лятото, например, земната повърхност се нагрява по-бързо и привлича влажен бриз от по-хладния океан.

Макариева и Горшков твърдят, че понякога преобладава различен процес. Когато водната пара от гората се кондензира в облаци, газът става течен - и заема по-малко обем. Това намалява налягането на въздуха и изтегля въздуха хоризонтално от зони с по-малко кондензация. На практика това означава, че кондензацията над крайбрежните гори създава морски бриз, изтласквайки влажен въздух във вътрешността, където в крайна сметка той кондензира и вали като дъжд. Ако горите се простират навътре, цикълът продължава, поддържайки влажни ветрове в продължение на хиляди километри.

Тази теория отменя традиционния възглед: не атмосферната циркулация контролира хидрологичния цикъл, а напротив, хидроложкият цикъл регулира масовата циркулация на въздуха.

Sheel, и той стана привърженик на теорията преди повече от десет години, смята, че това е развитие на идеята за летящи реки. „Те не се изключват взаимно“, казва той. "Помпата обяснява силата на реките." Той вярва, че биотичната помпа обяснява „парадокса на студената Амазонка“. От януари до юни, когато басейнът на Амазонка е по-студен от океана, силни ветрове духат от Атлантика до Амазонка - въпреки че теорията за диференциалното нагряване предполага друго. Нобре, друг дългогодишен привърженик, ентусиазирано обяснява: „Те не идват от данни, а от основни принципи“.

Дори онези, които се съмняват в теорията, са съгласни, че загубата на гори има далечни последици за климата. Много учени твърдят, че обезлесяването преди хиляди години е довело до опустиняването на вътрешните австралийски земи и Западна Африка. Съществува риск обезлесяването в бъдеще да доведе до засушавания в други региони, например част от тропическите гори на Амазонка ще се превърне в савана. Селскостопанските региони на Китай, африканският Сахел и аржентинските пампаси също са изложени на риск, казва Патрик Кийс, химик по атмосферни влияния от Университета на Колорадо, Форт Колинс.

През 2018 г. Kees и колегите му използваха модел, подобен на този на Van der Ent, за да проследят източниците на валежи за 29 глобални столични области. Той установи, че по-голямата част от водоснабдяването на 19 от тях зависи от отдалечени гори, включително Карачи (Пакистан), Ухан и Шанхай (Китай), Ню Делхи и Колката (Индия).„Дори малки промени в валежите, причинени от промени в земеползването под вятъра, могат да окажат голямо влияние върху крехкостта на градските водоснабдяване“, казва той.

Някои модели дори предполагат, че обезлесяването, като унищожава източника на влага, заплашва да промени метеорологичните условия далеч отвъд плаващите реки. Както знаете, Ел Ниньо - колебанията в температурата на вятъра и теченията в тропическия Тих океан - косвено влияе на времето в отдалечени места. По същия начин обезлесяването в Амазонка може да намали валежите в Средния запад на САЩ и снежната покривка в Сиера Невада, казва климатологът от университета в Маями Рони Ависар, който моделира подобни връзки. Далеч? „Изобщо не“, отговаря той. „Знаем, че Ел Ниньо е способен на това, защото, за разлика от обезлесяването, това явление се повтаря и ние наблюдаваме закономерност. И двете са причинени от малки промени в температурата и влагата, която се отделя в атмосферата."

Изследователят от Стокхолмския университет Лан Уанг-Ерландсон, който изследва взаимодействието на земята, водата и климата, казва, че е време да се премине от използване на вода и подземни повърхности в рамките на конкретен речен басейн към промяна в земеползването извън него. „Необходими са нови международни хидроложки споразумения за поддържане на горите в райони, където се образуват въздушни маси“, казва тя.

Преди две години, на среща на Форума на ООН за горите, където участват правителства на всички страни, изследователят на земята от Бернския университет Дейвид Елисън представи казус. Той демонстрира, че до 40% от общите валежи в Етиопските планини, основният източник на Нил, идват от влага, която се връща от горите на басейна на Конго. Египет, Судан и Етиопия преговарят за дългосрочна сделка за споделяне на водите на Нил. Но такова споразумение би било безсмислено, ако обезлесяването в басейна на Конго, далеч от трите страни, изсуши източника на влага, предполага Елисън. „Връзката между горите и водата при управлението на сладката вода в света е почти напълно игнорирана.

Теорията за биотичната помпа ще повиши залога още повече, тъй като се очаква загубата на гори да засегне не само източниците на влага, но и моделите на вятъра. Елисън предупреждава, че теорията, ако бъде потвърдена, ще бъде "критична за моделите на планетарната циркулация на въздуха" - особено тези, които транспортират влажен въздух навътре.

Но засега поддръжниците на теорията са в малцинство. През 2010 г. Макариева, Горшков, Шил, Нобре и Бай-Лианг Ли, еколог от Калифорнийския университет, Ривърсайд, представиха своето историческо описание на биотичната помпа в атмосферната химия и физика, основно списание с отворена партньорска рецензия. Но статията "Откъде идват ветровете?" беше критикуван в интернет и на списанието му бяха необходими много месеци, за да намери само двама учени, които да го прегледат. Айзък Хелд, метеоролог от Лабораторията по геофизична динамика на флуидите в Принстънския университет, се включи доброволно - и препоръча публикацията да бъде отказана. „Това не е мистериозен ефект“, казва той. „Като цяло е незначително и освен това вече е взето предвид в редица атмосферни модели“. Критиците казват, че разширяването на въздуха от топлината, генерирана от кондензацията на водни пари, противодейства на пространствения ефект на кондензацията. Макариева обаче казва, че тези два ефекта са пространствено разделени: затоплянето се случва на височина, а спадът на кондензационното налягане се случва по-близо до повърхността, където се създава биотичен вятър.

Друг рецензент беше Джудит Къри, атмосферен физик от Технологичния институт на Джорджия. Тя отдавна се тревожи за състоянието на атмосферата и смята, че статията трябва да бъде публикувана, защото „конфронтацията се отразява зле на климатологията и тя има нужда от кръв от носа си за физиците“. След три години дебат, редакторът на списанието отхвърли препоръката на Хелд и публикува статията. Но в същото време той отбеляза, че публикацията не може да се счита за одобрение, но ще послужи като научен диалог върху противоречива теория - за да я потвърди или опровергае.

Оттогава не е излизало нито потвърждение, нито опровержение - сблъсъкът продължи. Симулаторът на климата на Колумбийския университет Гавин Шмид казва: „Това са просто глупости“. Авторите отговарят на критиките така: „Всъщност заради математиката не са сигурни дали си струва да продължим диалога“. Бразилският метеоролог и ръководител на Националния център за наблюдение и превенция на природни бедствия Хосе Маренго казва: „Мисля, че помпата съществува, но сега всичко е на ниво теория. Експертите по климатични модели не го приеха, но руснаците са най-добрите теоретици в света, така че трябва да се проведат подходящи полеви експерименти, за да се провери всичко. Но досега никой, дори самата Макариева, не е предлагала подобни експерименти.

От своя страна Макариева залага на теория, като в поредица от скорошни трудове аргументира, че същият механизъм може да повлияе на тропическите циклони – те се задвижват от топлината, отделяна при кондензирането на влагата над океана. Във вестник Atmospheric Research от 2017 г. тя и нейните колеги предполагат, че биотичните помпи с форма на гора изтеглят богат на влага въздух от произхода на циклона. Това, казва тя, обяснява защо циклоните рядко се образуват в южния Атлантически океан: дъждовните гори на Амазонка и Конго източват толкова много влага, че остава твърде малко за ураганите.

Водещият изследовател на ураганите в Масачузетския технологичен институт, Кери Емануел, казва, че предложените ефекти са "значителни, но незначителни". Той предпочита други обяснения пред липсата на урагани в Южния Атлантик, например хладните води на региона отделят по-малко влага във въздуха, а силните ветрове предотвратяват образуването на циклони. Макариева от своя страна е еднакво пренебрежителна към традиционалистите, смятайки, че някои от съществуващите теории за интензивността на ураганите „противоречат на законите на термодинамиката“. Тя има друга статия в Journal of Atmospheric Sciences - в очакване на преглед. „Притесняваме се, че въпреки подкрепата на редактора, нашата работа ще бъде отново отхвърлена“, казва тя.

Въпреки че на Запад идеите на Макариева се смятат за маргинални, в Русия те постепенно се вкореняват. Миналата година правителството започна публичен диалог относно преразглеждането на законите за горите. С изключение на старите защитени територии, руските гори са отворени за търговска експлоатация, но правителството и Федералната агенция по горите обмислят нова категория - гори за защита на климата. „Някои в нашия отдел по горско стопанство са впечатлени от идеята за биотичната помпа и искат да въведат нова категория“, казва тя. Идеята беше подкрепена и от Руската академия на науките. Макариева казва, че да си част от консенсуса, а не вечен аутсайдер, е ново и необичайно.

Това лято пътуването й до северните гори беше прекъснато от епидемията и карантината от коронавирус. У дома в Санкт Петербург тя седна за още един кръг от възражения от анонимни рецензенти. Тя е убедена, че теорията на помпата ще надделее рано или късно. „В науката има естествена инерция“, казва тя. С мрачен руски хумор тя припомня думите на легендарния немски физик Макс Планк, който даде известното описание на напредъка на науката: „поредица от погребения“.