Az erdők szabályozzák az éghajlatot és szelet termelnek – Biotikus szivattyú elmélet

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

Anastasia Makarieva, a szentpétervári atomfizikai intézet atomfizikusa több mint tíz éve védi azt az elméletet, hogy Oroszország tajgaerdői szabályozzák Ázsia északi régióinak klímáját. Sok nyugati meteorológus nem ért egyet vele, de az orosz kormányt és tudósokat érdekli ez az elmélet.

Minden nyáron, ahogy hosszabbodnak a nappalok, Anastasia Makarieva elhagyja szentpétervári laboratóriumát, és nyaralni megy Oroszország északi részének végtelen erdőibe. Egy atomfizikus sátrat ver a Fehér-tenger partján, fenyők és fenyők között, kajakban úszik a régió végtelen folyóin, és jegyzeteket készít a természetről és az időjárásról. „Az erdők a személyes életem nagy részét képezik” – mondja. A 25 éves éves északi zarándoklat során szakmai életének fontos részévé váltak.

Makarieva több mint tíz éve védi azt az elméletet, amelyet Viktor Gorskovval, a Petersburgi Atommagfizikai Intézet (PNPI) mentora és kollégája mellett dolgozott ki arról, hogy hogyan alakulnak ki Oroszország boreális (tajga) erdei, a legnagyobb erdő. a Földön Észak-Ázsia éghajlatát szabályozzák. Ez az egyszerű, de nagy horderejű fizikai elmélet leírja, hogy a fák által kilélegzett vízgőz hogyan kelt szelet – ezek a szelek átszelik a kontinenst, és nedves levegőt szállítanak Európából Szibérián keresztül, majd tovább Mongóliába és Kínába; ezek a szelek hordozzák az esőket, amelyek Kelet-Szibéria óriási folyóit táplálják; ezek a szelek öntözik Kína északi síkságát, a bolygó legnépesebb országának magtárát.

Szén-dioxid-elnyelő és oxigénkilégzési képessége miatt a nagy erdőket gyakran a bolygó tüdejének nevezik. De Makarieva és Gorshkov (tavaly halt meg) meg vannak győződve arról, hogy ők a szíve is. „Az erdők összetett, önfenntartó esőrendszerek, és a Föld légköri keringésének egyik fő tényezője” – mondja Makarieva. Hatalmas mennyiségű nedvességet keringetnek vissza a levegőbe, és eközben szeleket hoznak létre, amelyek ezt a vizet szétpumpálják az egész világon. Ennek az elméletnek az első része – miszerint az erdők esőt okoznak – összhangban van más tudósok kutatásaival, és egyre gyakrabban emlékeznek rá a vízkészletek kezelése során a burjánzó erdőirtás közepette. De a második rész, az elmélet, amit Makarieva biotikus pumpának nevez, sokkal vitatottabb.

A munka elméleti hátterét publikálták - igaz, kevésbé ismert folyóiratokban -, és Makarievát a kollégák szűk csoportja támogatta. De a biotikus pumpa-elméletet számos kritika érte – különösen a klímamodellezők részéről. Egyesek úgy vélik, hogy a szivattyú hatása jelentéktelen, míg mások teljesen tagadják. Ennek eredményeként Makarieva kívülálló szerepében találta magát: a modellfejlesztők között elméleti fizikus, a nyugati tudósok között orosz, a férfiak által uralt területen pedig nő.

Ha azonban elmélete igaz, meg tudja magyarázni, hogy az óceánoktól való jelentős távolság ellenére miért esik az erdős kontinensek belsejében annyi csapadék, mint a tengerparton, és miért esik a fátlan kontinensek belsejébe, a ellenkezőleg, általában száraz. Ez azt is jelenti, hogy az erdők – az orosz tajgától az Amazonas esőerdőiig – nem csak ott nőnek, ahol megfelelő az időjárás. Ők maguk készítik. „Az olvasottak alapján arra a következtetésre jutottam, hogy a biotikus pumpa működik” – mondja Douglas Sheil, a Norvég Élettudományi Egyetem erdőökológusa. Mivel a világ erdeinek sorsa kérdéses, azt mondja: "Még ha a legkisebb esély is van arra, hogy ez az elmélet helytálló, feltétlenül ki kell deríteni."

Sok meteorológiai tankönyvben ma is szerepel a víz körforgásának diagramja a természetben, ahol a felhőkben kondenzálódó és eső formájában lehulló légnedvesség fő oka az óceán párolgása. Ez a rendszer teljesen figyelmen kívül hagyja a növényzet és különösen a fák szerepét, amelyek óriási szökőkutakként működnek. Gyökereik vizet vonnak ki a talajból a fotoszintézishez, és a levelek mikroszkopikus pórusai a fel nem használt vizet a levegőbe párologtatják. Ezt a folyamatot – egyfajta izzadtságot, csak a fákban – transzspirációnak nevezik. Így egy kifejlett fa több száz liter vizet bocsát ki naponta. A nagy lombfelület miatt az erdő gyakran több nedvességet bocsát ki a levegőbe, mint egy azonos méretű víztest.

Esőparádé

Az úgynevezett "repülő folyók" az uralkodó szelek, amelyek elnyelik az erdőkből kibocsátott vízgőzt, és esőt juttatnak a távoli víztestekre. Egy vitatott elmélet azt sugallja, hogy maguk az erdők irányítják a szeleket.

A biotikus pumpa elmélet szerint az erdők nemcsak esőt okoznak, hanem szelet is. Amikor a vízgőz lecsapódik a part menti erdők felett, a légnyomás csökken, és szelek keletkeznek, amelyek beszívják a nedves óceáni levegőt. A párologtatás és a kondenzáció ciklusai olyan szeleket hoznak létre, amelyek több ezer kilométeres esőt szállítanak a szárazföld belsejébe.

Tehát Kínában a csapadék mintegy 80%-a nyugatról származik a transzszibériai repülő folyónak köszönhetően. A repülő Amazon folyó pedig a csapadék 70%-át adja Dél-Amerika délkeleti részén.

Ennek a másodlagos nedvességnek a tápanyageső kialakulásában betöltött szerepét nagyrészt figyelmen kívül hagyták 1979-ig, amikor is Eneas Salati brazil meteorológus megvizsgálta az Amazonas-medencéből származó esővíz izotóp-összetételét. Kiderült, hogy a transzspirációval visszavezetett víz több molekulát tartalmaz az oxigén-18 nehéz izotóppal, mint az óceánból elpárolgott víz. Tehát Salati kimutatta, hogy az Amazonas felett eső csapadék fele az erdők párolgása miatt esett.

A meteorológusok körülbelül 1,5 kilométeres magasságban követték nyomon a légsugarat az erdő felett. Ezek a szelek – összefoglaló néven dél-amerikai alsó sugáráramlás – nyugatról keletre fújnak át az Amazonason egy versenykerékpár sebességével, majd az Andok hegyei délre vonszolják őket. Salati és mások azt sugallták, hogy ők szállították a felszabaduló nedvesség nagy részét, és "repülő folyónak" nevezték el őket. Antonio Nope, a Brazil Nemzeti Űrkutatási Intézet klimatológusa szerint a repülő Amazonas folyó ma annyi vizet szállít, mint az alatta lévő óriási Föld folyó.

Egy ideig azt hitték, hogy a repülő folyók az Amazonas medencéjére korlátozódnak. De az 1990-es években Hubert Savenije hidrológus a Deltfe Műszaki Egyetemen elkezdte tanulmányozni a nedvesség visszavezetését Nyugat-Afrikában. Az időjárási adatok hidrológiai modelljét felhasználva megállapította, hogy minél beljebb van a parttól a szárazföld, annál nagyobb az erdőkből lehulló csapadék aránya - akár 90%-a a belső területeken. Ez a felfedezés megmagyarázza, miért válik szárazabbá a belső Száhel: a part menti erdők eltűntek az elmúlt fél évszázadban.

Savenier egyik tanítványa, Ruud van der Ent úgy fejlesztette ki ötletét, hogy megalkotta a nedvesség légáramlásának globális modelljét. Összegyűjtötte a csapadékra, páratartalomra, szélsebességre és hőmérsékletre vonatkozó megfigyeléseket, valamint elméleti becsléseket a párolgásról és transzspirációról, és megalkotta a nedvességszállítás első modelljét a vízgyűjtőkön túli méretekben.

2010-ben Van der Ent és munkatársai bemutatták azt a megállapításukat, hogy globálisan az összes csapadék 40%-a a szárazföldön esik, nem az óceánon. Gyakran még többet is. A repülő Amazon folyó biztosítja a csapadék 70%-át a Rio de la Plata-medencében, amely Dél-Amerika délkeleti részén húzódik. Van der Ent meglehetősen meglepődve tapasztalta, hogy Kína vizének 80%-át nyugatról kapja – ráadásul ez főleg atlanti nedvesség, amit Skandinávia és Oroszország tajgaerdői dolgoznak fel. Az utazásnak több szakasza van – párologtatási ciklusok és esővel –, és hat hónapig vagy tovább tart. „Ez ellentmond a korábbi információknak, amelyeket mindenki a középiskolában tanul” – mondja. "Kína közel van az óceánhoz, a Csendes-óceánhoz, de csapadékának nagy része a távoli nyugati szárazföldről származó nedvesség."

Ha Makarievának igaza van, az erdők nemcsak nedvességet biztosítanak, hanem létrehozzák a szelet is, amely azt hordozza.

Negyed évszázadig dolgozott Gorshkovval. A PNPI hallgatójaként kezdte, amely a Kurcsatov Intézet egyik alosztálya, a legnagyobb orosz polgári és katonai nukleáris kutatóintézet. Kezdettől fogva a terepen dolgoztak és ökológiával foglalkoztak az intézetben, ahol a fizikusok atomreaktorok és neutronnyalábok segítségével tanulmányozzák az anyagokat. Teoretikusként, emlékszik rá, „kivételes kutatási és gondolkodási szabadsággal rendelkeztek” – légkörfizikával foglalkoztak, bárhová is vitte. „Victor arra tanított: ne félj semmitől” – mondja.

2007-ben először mutatták be elméletüket a biotikus pumpáról a Hydrology and Earth Sciences folyóiratban. Kezdettől fogva provokatívnak tartották, mert ellentmond a meteorológia régóta fennálló elvének: a szeleket főként a légkör eltérő felmelegedése okozza. A meleg levegő felemelkedésével csökkenti az alatta lévő rétegek nyomását, lényegében új teret teremtve magának a felszínen. Nyáron például a szárazföld felszíne gyorsabban melegszik fel, és a hűvösebb óceánból nedves szellőt vonz.

Makarieva és Gorshkov azzal érvelnek, hogy néha más folyamat érvényesül. Amikor az erdőből származó vízgőz felhőkké kondenzálódik, a gáz folyadékká válik - és kevesebb térfogatot vesz fel. Ez csökkenti a légnyomást, és vízszintesen szívja be a levegőt azokról a területekről, ahol kevesebb a páralecsapódás. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a part menti erdők feletti páralecsapódás tengeri szellőt kovácsol, nedves levegőt lökve a belső terekbe, ahol végül lecsapódik, és esőként esik. Ha az erdők a szárazföld belsejébe nyúlnak, a körforgás folytatódik, és több ezer kilométeren át nedves szelet tart fenn.

Ez az elmélet megdönti a hagyományos nézetet: nem a légköri keringés szabályozza a hidrológiai körforgást, hanem éppen ellenkezőleg, a hidrológiai körfolyamat szabályozza a levegő tömeges áramlását.

Sheel, aki több mint tíz éve az elmélet támogatója lett, a repülő folyók gondolatának továbbfejlesztésének tartja. „Nem zárják ki egymást” – mondja. – A szivattyú megmagyarázza a folyók erősségét. Úgy véli, hogy a biotikus pumpa megmagyarázza a "hideg Amazon paradoxont". Januártól júniusig, amikor az Amazonas medencéje hidegebb, mint az óceán, erős szelek fújnak az Atlanti-óceán felől az Amazonas felé – bár a differenciálfűtési elmélet mást sugall. Nobre, egy másik régóta támogatója lelkesen kifejti: "Nem adatokból származnak, hanem mögöttes elvekből."

Még azok is, akik kételkednek az elméletben, egyetértenek abban, hogy az erdők elvesztésének messzemenő következményei vannak az éghajlatra nézve. Sok tudós azzal érvel, hogy az évezredekkel ezelőtti erdőirtás Ausztrália belső területeinek és Nyugat-Afrika elsivatagosodásához vezetett. Fennáll annak a veszélye, hogy a jövőben az erdőirtás más régiókban is aszályhoz vezet, például az Amazonas esőerdőjének egy része szavannává változik. Kína mezőgazdasági régiói, az afrikai Száhel övezet és az argentin pampák is veszélyben vannak – mondja Patrick Keys, a Fort Collins-i Colorado Egyetem légkörkémikusa.

2018-ban Kees és munkatársai a van der Ent-hez hasonló modellt használtak a csapadékforrások nyomon követésére 29 globális nagyvárosi területen. Megállapította, hogy közülük 19 vízellátásának nagy része távoli erdőktől függ, ideértve Karacsit (Pakisztán), Vuhant és Sanghajt (Kína), Újdelhit és Kolkatát (India).„Még a csapadékban bekövetkezett kisebb változások is, amelyeket a szélirányban bekövetkező földhasználati változások okoznak, nagy hatással lehetnek a városi vízkészletek törékenységére” – mondja.

Egyes modellek még azt is sugallják, hogy az erdőirtás a nedvességforrás elpusztításával azzal fenyeget, hogy az időjárási viszonyokat az úszó folyókon túl is megváltoztatják. Mint tudják, az El Niño - a szélhőmérséklet ingadozása és az áramlatok a trópusi Csendes-óceánon - közvetetten befolyásolja a távoli helyek időjárását. Hasonlóképpen, az Amazonas erdőirtása csökkentheti a csapadék mennyiségét az Egyesült Államok középnyugati részén, és a hótakarót Sierra Nevadában – mondja Roni Avisar, a Miami Egyetem klimatológusa, aki ilyen összefüggéseket modellez. Túlzás? „Egyáltalán nem” – válaszolja. „Tudjuk, hogy az El Niño képes erre, mert az erdőirtással ellentétben ez a jelenség megismétlődik, és megfigyelünk egy mintát. Mindkettőt a hőmérséklet és a légkörbe kerülő nedvesség kis változásai okozzák."

Lan Wang-Erlandsson, a Stockholmi Egyetem kutatója, aki a föld, a víz és az éghajlat kölcsönhatását kutatja, azt mondja, itt az ideje, hogy egy adott vízgyűjtőn belüli víz- és felszín alatti használatról áttérjünk a földhasználat azon túli megváltoztatására. „Új nemzetközi hidrológiai megállapodásokra van szükség az erdők fenntartásához azokon a területeken, ahol légtömegek képződnek” – mondja.

Két évvel ezelőtt, az ENSZ Erdőfórumának ülésén, ahol minden ország kormánya részt vesz, David Ellison, a Berni Egyetem földkutatója bemutatott egy esettanulmányt. Bebizonyította, hogy az Etióp-felföldön, a Nílus fő forrásában a teljes csapadék 40%-a a Kongói-medence erdőiből visszaáramló nedvességből származik. Egyiptom, Szudán és Etiópia régóta esedékes megállapodásról tárgyal a Nílus vizeinek megosztásáról. De egy ilyen megállapodás értelmetlen lenne, ha a három országtól távol eső Kongói-medencében az erdőirtás kiszárítaná a nedvességforrást – javasolta Ellison. "Az erdők és a víz kapcsolatát a világ édesvizének kezelésében szinte teljesen figyelmen kívül hagyják."

A biotikus pumpa elmélete még tovább emeli a tétet, mivel az erdőpusztulás várhatóan nemcsak a nedvességforrásokra, hanem a szélviszonyokra is hatással lesz. Ellison arra figyelmeztet, hogy az elmélet, ha beigazolódik, "kritikus lesz a bolygókeringési modellek szempontjából" – különösen azok esetében, amelyek nedves levegőt szállítanak a szárazföld belsejébe.

De egyelőre az elmélet hívei kisebbségben vannak. 2010-ben Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre és Bai-Liang Li, a Riverside-i Kaliforniai Egyetem ökológusa benyújtotta történeti leírását a biotikus szivattyúról az Atmospheric Chemistry and Physics című folyóiratban, amely nyílt szakértői értékelést kapott. De a cikk "Honnan jönnek a szelek?" bírálták az interneten, és a magazinnak több hónapba telt, mire csak két tudóst talált, akik áttekintették. Isaac Held, a Princetoni Egyetem Geophysical Fluid Dynamics Laboratory meteorológusa önként jelentkezett – és azt javasolta, hogy utasítsák el a kiadványt. „Ez nem titokzatos hatás” – mondja. "Általában jelentéktelen, ráadásul számos légköri modellben már figyelembe vették." A kritikusok szerint a levegő tágulása a vízgőz lecsapódása során keletkező hőből ellensúlyozza a kondenzáció térbeli hatását. De Makarieva azt mondja, hogy ez a két hatás térben elkülönül: a felmelegedés a tengerszint feletti magasságban történik, és a kondenzációs nyomás csökkenése a felszínhez közelebb történik, ahol biotikus szél keletkezik.

Egy másik lektor Judith Curry, a Georgia Institute of Technology légkörfizikusa volt. Régóta aggódik a légkör állapota miatt, és úgy érezte, meg kell jelentetni a cikket, mert "a konfrontáció rossz hatással van a klimatológiára, és vér kell az orrából a fizikusok számára". Három év vita után a magazin szerkesztője elutasította Held ajánlását, és megjelentette a cikket. Ugyanakkor megjegyezte, hogy a kiadvány nem tekinthető jóváhagyásnak, hanem tudományos párbeszédként szolgál majd egy vitatott elméletről - annak megerősítésére vagy cáfolatára.

Azóta sem megerősítés, sem cáfolat nem jött ki – folytatódott a konfrontáció. A Columbia Egyetem klímaszimulátora, Gavin Schmidt azt mondja: "Ez csak nonszensz." A szerzők a kritikákra így reagálnak: "Valójában a matematika miatt nem biztosak abban, hogy érdemes-e folytatni a párbeszédet." Jose Marengo brazil meteorológus és a Természeti Katasztrófák Megfigyelési és Megelőzési Országos Központjának vezetője a következőket mondja: „Azt hiszem, a szivattyú létezik, de most mindez az elmélet szintjén van. A klímamodellek szakértői nem fogadták el, de az oroszok a világ legjobb teoretikusai, ezért megfelelő terepi kísérleteket kell végezni, hogy mindent teszteljenek." De eddig senki, még maga Makarieva sem javasolt ilyen kísérleteket.

Makarieva a maga részéről az elméletre támaszkodik, és egy sor újabb munkában azzal érvel, hogy ugyanaz a mechanizmus hathat a trópusi ciklonokra is – azokat a hő hatására szabadul fel, amikor a nedvesség lecsapódik az óceán felett. A 2017-es Atmospheric Research újságban ő és kollégái azt javasolták, hogy az erdő alakú biotikus szivattyúk ciklon eredetű nedvességben gazdag levegőt szívjanak fel. Ez megmagyarázza, miért alakulnak ki ritkán ciklonok az Atlanti-óceán déli részén: az Amazonas és Kongó esőerdői annyi nedvességet szívnak el, hogy túl kevés marad a hurrikánoknak.

Kerry Emanuel, az MIT vezető hurrikánkutatója szerint a tervezett hatások "jelentősek, de elhanyagolhatók". A dél-atlanti hurrikánok hiányával szemben más magyarázatot preferál, például a térség hűvös vizei kevesebb nedvességet juttatnak a levegőbe, erős szelei pedig megakadályozzák a ciklonok kialakulását. Makarieva a maga részéről ugyanilyen elutasító a tradicionalisták iránt, mivel úgy véli, hogy a hurrikánok intenzitásával kapcsolatos létező elméletek némelyike "ellentmond a termodinamika törvényeinek". Újabb cikke van a Journal of Atmospheric Sciences-ben – felülvizsgálatra vár. „Aggódunk, hogy a szerkesztő támogatása ellenére munkánkat ismét elutasítják” – mondja.

Bár nyugaton Makarjeva elképzelései marginálisnak számítanak, Oroszországban fokozatosan gyökeret vernek. A kormány tavaly nyilvános párbeszédet indított az erdészeti törvények felülvizsgálatáról. A régi védett területek kivételével az oroszországi erdők kereskedelmi célú hasznosításra nyitva állnak, de a kormány és a Szövetségi Erdészeti Ügynökség új kategóriát – a klímavédelmi erdőket – fontolgat. „Az erdészeti részlegünkből néhányan lenyűgözött a biotikus szivattyú ötlete, és egy új kategóriát szeretnének bevezetni” – mondja. Az ötletet az Orosz Tudományos Akadémia is támogatta. Makarieva azt mondja, hogy a konszenzus részévé válni, és nem örök kívülállónak lenni, új és szokatlan.

Idén nyáron az északi erdőkbe tett utazását megzavarta a koronavírus-járvány és a karantén. Otthon, Szentpéterváron ismét leült a névtelen bírálók kifogásaira. Meg van győződve arról, hogy a pumpaelmélet előbb-utóbb győzni fog. „Van természetes tehetetlenség a tudományban” – mondja. Sötét orosz humorral idézi fel a legendás német fizikus, Max Planck szavait, aki a tudomány fejlődésének híres leírását adta: "temetések sorozata".