Miškai reguliuoja klimatą ir gamina vėją – biotinių siurblių teorija

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Sankt Peterburgo Branduolinės fizikos instituto branduolio fizikė Anastasija Makarijeva jau daugiau nei dešimt metų gina teoriją, kad Rusijos taigos miškai reguliuoja šiaurinių Azijos regionų klimatą. Daugelis Vakarų meteorologų su ja nesutinka, tačiau Rusijos valdžia ir mokslininkai domisi šia teorija.

Kiekvieną vasarą, ilgėjant dienoms, Anastasija Makarijeva palieka savo laboratoriją Sankt Peterburge ir išvyksta atostogų į nesibaigiančius Rusijos Šiaurės miškus. Branduolinis fizikas pasistato palapinę Baltosios jūros pakrantėje, tarp eglių ir pušų, plaukia baidare nesibaigiančiomis regiono upėmis ir užrašo gamtą bei orus. „Miškai yra didelė mano asmeninio gyvenimo dalis“, – sako ji. Per 25 metus trunkančią kasmetinę piligriminę kelionę į šiaurę jie tapo svarbia jos profesinio gyvenimo dalimi.

Daugiau nei dešimt metų Makarieva gina teoriją, kurią sukūrė kartu su savo mentoriumi ir kolega iš Peterburgo Branduolinės fizikos instituto (PNPI) Viktoru Gorškovu, apie tai, kaip Rusijos borealiniai (taigos) miškai yra didžiausias miškas. Žemėje, reguliuoti šiaurės Azijos klimatą. Ši paprasta, bet toli siekianti fizinė teorija aprašo, kaip medžių iškvepiami vandens garai sukuria vėjus – šie vėjai kerta žemyną, nešdami drėgną orą iš Europos per Sibirą ir toliau į Mongoliją bei Kiniją; šie vėjai neša liūtis, kurios maitina milžiniškas Rytų Sibiro upes; šie vėjai laisto šiaurinę Kinijos lygumą – daugiausiai gyventojų turinčios planetos šalies klėtis.

Dėl gebėjimo sugerti anglies dioksidą ir iškvėpti deguonį dideli miškai dažnai vadinami planetos plaučiais. Tačiau Makarieva ir Gorškovas (jis mirė pernai) įsitikinę, kad jie taip pat yra jos širdis. „Miškai yra sudėtingos, save išlaikančios lietaus sistemos ir pagrindinis atmosferos cirkuliacijos Žemėje veiksnys“, – sako Makarieva. Jie recirkuliuoja didžiulius kiekius drėgmės į orą ir tuo metu sukuria vėjus, kurie pumpuoja šį vandenį visame pasaulyje. Pirmoji šios teorijos dalis – kad miškai sukelia lietų – atitinka kitų mokslininkų tyrimus ir vis dažniau prisimenama tvarkant vandens išteklius siaučiančio miškų naikinimo metu. Tačiau antroji dalis, teorija, kurią Makarieva vadina biotine siurbliu, yra daug prieštaringesnė.

Teorinis darbo pagrindas buvo paskelbtas - nors ir mažiau žinomuose žurnaluose - ir Makarijevą palaikė nedidelė kolegų grupė. Tačiau biotinio siurblio teorija sulaukė daugybės kritikos – ypač iš klimato modeliuotojų. Vieni mano, kad siurblio poveikis yra nereikšmingas, o kiti tai visiškai neigia. Dėl to Makarieva atsidūrė autsaiderės vaidmenyje: tarp modelių kūrėjų – fizikė teorinė, tarp Vakarų mokslininkų – rusė, o vyrų valdomoje srityje – moteris.

Tačiau jei jos teorija bus teisinga, ji galės paaiškinti, kodėl, nepaisant nemažo atstumo nuo vandenynų, miškingų žemynų viduje iškrenta tiek pat kritulių, kaip ir pakrantėse, ir kodėl bemedžių žemynų viduje, priešingai, paprastai yra sausas. Tai taip pat reiškia, kad miškai – nuo Rusijos taigos iki Amazonės atogrąžų miškų – auga ne tik ten, kur tinkamas oras. Jie tai daro patys. „Iš to, ką perskaičiau, padariau išvadą, kad biotinis siurblys veikia“, – sako Norvegijos gyvybės mokslų universiteto miško ekologas Douglasas Sheilas. Kadangi kyla klausimas dėl pasaulio miškų likimo, jis sako: „Net jei yra bent menkiausia tikimybė, kad ši teorija yra teisinga, būtina tai išsiaiškinti“.

Daugelyje meteorologijos vadovėlių vis dar pateikiama vandens ciklo gamtoje diagrama, kur pagrindinė atmosferos drėgmės, kuri kondensuojasi debesyse ir iškrenta lietaus pavidalu, priežastis yra vandenyno garavimas. Ši schema visiškai ignoruoja augmenijos ir ypač medžių, kurie veikia kaip milžiniški fontanai, vaidmenį. Jų šaknys ima vandenį iš dirvožemio fotosintezei, o mikroskopinės poros lapuose išgarina nepanaudotą vandenį į orą. Šis procesas – savotiškas prakaitavimas, tik medžiuose – vadinamas transpiracija. Taigi vienas subrendęs medis per dieną išskiria šimtus litrų vandens. Dėl didelio lapijos ploto miškas į orą dažnai išskiria daugiau drėgmės nei tokio pat dydžio vandens telkinys.

Lietaus paradas

Vadinamosios „skraidančios upės“– tai vyraujantys vėjai, kurie sugeria iš miškų išsiskiriančius vandens garus ir nuneša lietų į tolimus vandens telkinius. Prieštaringai vertinama teorija teigia, kad miškai valdo vėjus.

Remiantis biotinio siurblio teorija, miškai sukelia ne tik lietų, bet ir vėją. Kai vandens garai kondensuojasi virš pakrančių miškų, oro slėgis mažėja ir susidaro vėjai, kurie siurbia drėgną vandenyno orą. Transpiracijos ir kondensacijos ciklai sukuria vėjus, kurie lietaus neša tūkstančius kilometrų į sausumą.

Taigi, apie 80% kritulių Kinijoje patenka iš vakarų dėl Transsibiro skraidančios upės. O skraidanti Amazonės upė suteikia 70% kritulių pietrytinėje Pietų Amerikos dalyje.

Šios antrinės drėgmės vaidmuo formuojant maistinių medžiagų lietų buvo iš esmės nepastebėtas iki 1979 m., kai Brazilijos meteorologas Eneas Salati ištyrė Amazonės baseino lietaus vandens izotopinę sudėtį. Paaiškėjo, kad transpiracijos būdu grąžintame vandenyje yra daugiau molekulių su sunkiuoju izotopu deguonies-18, nei iš vandenyno išgaruotame vandenyje. Taigi Salati parodė, kad pusė kritulių virš Amazonės iškrito dėl miškų išgaravimo.

Meteorologai atmosferos srovę stebėjo virš miško maždaug 1,5 kilometro aukštyje. Šie vėjai, bendrai vadinami Pietų Amerikos žemutine reaktyvine srove, pučia iš vakarų į rytus per Amazonę lenktyninio dviračio greičiu, o po to Andų kalnai juos tempia į pietus. Salati ir kiti teigė, kad būtent jie nešė didžiąją dalį išsiskiriančios drėgmės, ir pavadino juos „skraidančia upe“. Pasak klimatologo Antonio Nope iš Brazilijos nacionalinio kosmoso tyrimų instituto, skraidanti Amazonės upė šiandien neša tiek pat vandens, kiek po ja teka milžiniška Žemės upė.

Kurį laiką buvo manoma, kad plaukiojančios upės apsiribojo Amazonės baseinu. Tačiau 1990-aisiais hidrologas Hubertas Savenije iš Deltfe technologijos universiteto pradėjo tyrinėti drėgmės recirkuliaciją Vakarų Afrikoje. Naudodamas hidrologinį oro duomenų modelį, jis nustatė, kad kuo toliau nuo pakrantės į vidų, tuo didesnė kritulių dalis iš miškų – iki 90 proc. Šis atradimas paaiškina, kodėl vidinis Sahelis tampa sausesnis: pakrančių miškai išnyko per pastarąjį pusę amžiaus.

Vienas iš Savenier mokinių Ruudas van der Entas išplėtojo savo idėją kurdamas pasaulinį drėgmės oro srauto modelį. Jis sujungė kritulių, drėgmės, vėjo greičio ir temperatūros stebėjimus bei teorinius garavimo ir transpiracijos įvertinimus ir sukūrė pirmąjį drėgmės pernešimo už upių baseinų mastelių modelį.

2010 m. Van der Entas ir jo kolegos paskelbė savo išvadą, kad 40% visų kritulių visame pasaulyje iškrenta sausumoje, o ne vandenyne. Dažnai net daugiau. Skraidanti Amazonės upė suteikia 70% kritulių Rio de la Platos baseine, kuris driekiasi pietryčių Pietų Amerikoje. Van der Entas buvo gana nustebęs, kad Kinija 80% vandens gauna iš vakarų – be to, tai daugiausia Atlanto drėgmė, kurią apdoroja Skandinavijos ir Rusijos taigos miškai. Kelionę sudaro keli etapai – transpiracijos ciklai su susijusiu lietumi – ir trunka šešis mėnesius ar ilgiau. „Tai prieštarauja ankstesnei informacijai, kurią visi mokosi vidurinėje mokykloje“, – sako jis. „Kinija yra arti vandenyno, Ramiojo vandenyno, tačiau didžiąją jos kritulių dalį sudaro drėgmė iš sausumos tolimuosiuose vakaruose.

Jei Makarieva teisus, miškai suteikia ne tik drėgmės, bet ir sukuria ją nešantį vėją.

Su Gorškovu ji dirbo ketvirtį amžiaus. Ji pradėjo studijuoti PNPI, Kurchatovo instituto padalinyje, didžiausio Rusijos branduolinių tyrimų instituto, tiek civilinio, tiek karinio. Nuo pat pradžių jie dirbo šioje srityje ir užsiėmė ekologija institute, kur fizikai tiria medžiagas naudodami branduolinius reaktorius ir neutronų pluoštus. Ji prisimena, kaip teoretikai, jie turėjo „išskirtinę tyrinėjimo ir mąstymo laisvę“, – jie užsiėmė atmosferos fizika, kad ir kur tai būtų. „Viktoras mane išmokė: nieko nebijok“, – sako ji.

2007 m. jie pirmą kartą pristatė savo teoriją apie biotinį siurblį žurnale „Hydrology and Earth Sciences“. Nuo pat pradžių jis buvo laikomas provokuojančiu, nes prieštaravo ilgalaikiam meteorologijos principui: vėjus daugiausia sukelia diferencinis atmosferos įkaitimas. Kylant šiltam orui, jis sumažina žemiau esančių sluoksnių slėgį, iš esmės sukurdamas sau naują erdvę paviršiuje. Pavyzdžiui, vasarą žemės paviršius įšyla greičiau ir traukia drėgnus vėjelius iš vėsesnio vandenyno.

Makarieva ir Gorškovas teigia, kad kartais vyrauja kitoks procesas. Kai vandens garai iš miško kondensuojasi į debesis, dujos tampa skysčiais – ir užima mažiau tūrio. Tai sumažina oro slėgį ir horizontaliai įtraukia orą iš vietų, kuriose mažiau kondensato. Praktiškai tai reiškia, kad kondensatas virš pakrančių miškų sukuria jūros vėją, stumdamas drėgną orą į vidų, kur jis galiausiai kondensuojasi ir iškrenta kaip lietus. Jei miškai driekiasi sausumos viduje, ciklas tęsiasi ir palaiko drėgnus vėjus tūkstančius kilometrų.

Ši teorija paneigia tradicinį požiūrį: ne atmosferos cirkuliacija valdo hidrologinį ciklą, o, priešingai, hidrologinis ciklas reguliuoja masinę oro cirkuliaciją.

Sheelis, ir jis tapo teorijos šalininku daugiau nei prieš dešimt metų, mano, kad tai yra plaukiojančių upių idėjos plėtra. „Jie vienas kito neišskiria“, – sako jis. – Siurblys paaiškina upių stiprumą. Jis mano, kad biotinis pompa paaiškina „šaltą Amazonės paradoksą“. Nuo sausio iki birželio, kai Amazonės baseinas yra šaltesnis nei vandenynas, stiprūs vėjai pučia nuo Atlanto iki Amazonės – nors diferencinio šildymo teorija teigtų kitaip. Nobre, kitas ilgametis šalininkas, entuziastingai aiškina: „Jie kyla ne iš duomenų, o iš pagrindinių principų“.

Net tie, kurie abejoja teorija, sutinka, kad miškų praradimas turi didelių pasekmių klimatui. Daugelis mokslininkų teigia, kad miškų naikinimas prieš tūkstančius metų lėmė Australijos vidaus žemių ir Vakarų Afrikos dykumėjimą. Kyla pavojus, kad dėl miškų naikinimo ateityje kituose regionuose kils sausros, pavyzdžiui, dalis Amazonės atogrąžų miškų pavirs savana. Kinijos žemės ūkio regionams, Afrikos Saheliui ir Argentinos pampoms taip pat gresia pavojus, sako Patrick Keys, atmosferos chemikas iš Kolorado universiteto Fort Kolinse.

2018 m. Keesas ir kolegos naudojo modelį, panašų į van der Ento modelį, siekdami stebėti kritulių šaltinius 29 pasaulio metropolinėse zonose. Jis išsiaiškino, kad didžioji dalis vandens tiekimo 19 iš jų priklauso nuo atokių miškų, įskaitant Karačią (Pakistanas), Uhaną ir Šanchajų (Kinija), Naująjį Delį ir Kolkatą (Indija).„Net nedideli kritulių kiekio pokyčiai, atsirandantys dėl žemės naudojimo pokyčių pavėjui, gali turėti didelės įtakos miesto vandens tiekimo pažeidžiamumui“, – sako jis.

Kai kurie modeliai netgi rodo, kad miškų naikinimas, sunaikindamas drėgmės šaltinį, gali pakeisti oro sąlygas toli už plaukiojančių upių. Kaip žinia, El Ninjo – vėjo temperatūros ir srovių svyravimai tropiniame Ramiajame vandenyne – netiesiogiai veikia orus atokiose vietose. Taip pat miškų naikinimas Amazonėje gali sumažinti kritulių kiekį JAV vidurio vakaruose ir sniego dangą Siera Nevadoje, sako Majamio universiteto klimatologas Roni Avisar, modeliuojantis tokius ryšius. Toli mena? „Visiškai ne“, – atsako jis. „Žinome, kad El Ninjo tai sugeba, nes, skirtingai nei miškų naikinimas, šis reiškinys kartojasi, ir mes stebime tam tikrą modelį. Abu atsiranda dėl nedidelių temperatūros pokyčių ir drėgmės, kuri patenka į atmosferą.

Stokholmo universiteto mokslininkas Lan Wang-Erlandsson, tyrinėjantis žemės, vandens ir klimato sąveiką, sako, kad laikas pereiti nuo vandens ir požeminio paviršiaus naudojimo konkrečiame upės baseine prie žemės naudojimo pokyčio. „Reikia naujų tarptautinių hidrologinių susitarimų, kad būtų išlaikytas miškas tose vietose, kur susidaro oro masės“, – sako ji.

Prieš dvejus metus JT miškų forumo posėdyje, kuriame dalyvauja visų šalių vyriausybės, Berno universiteto žemėtyrininkas Davidas Elisonas pristatė atvejo analizę. Jis įrodė, kad iki 40 % visų kritulių Etiopijos aukštumose, pagrindiniame Nilo šaltinyje, gaunama dėl drėgmės, kuri grįžta iš Kongo baseino miškų. Egiptas, Sudanas ir Etiopija derasi dėl ilgai laukto susitarimo dėl Nilo vandenų pasidalijimo. Tačiau toks susitarimas būtų beprasmis, jei miškų naikinimas Kongo baseine, esančiame toli nuo trijų šalių, išsausintų drėgmės šaltinį, pasiūlė Ellisonas. „Miškų ir vandens santykis tvarkant pasaulio gėlą vandenį beveik visiškai ignoruojamas.

Biotinio siurblio teorija dar labiau padidins statymus, nes tikimasi, kad miškų nykimas turės įtakos ne tik drėgmės šaltiniams, bet ir vėjo modeliams. Ellisonas perspėja, kad teorija, jei pasitvirtins, bus „kritiška planetinės oro cirkuliacijos modeliams“– ypač tiems, kurie perneša drėgną orą į sausumą.

Tačiau kol kas teorijos šalininkų yra mažuma. 2010 m. Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre ir Bai-Liang Li, ekologas iš Kalifornijos universiteto Riverside, pateikė savo istorinį biotinio siurblio aprašymą Atmosferos chemija ir fizika, pagrindiniame žurnale su atvira kolegų peržiūra. Tačiau straipsnis "Iš kur pučia vėjai?" buvo kritikuojamas internete, todėl žurnalui prireikė daug mėnesių, kol pavyko rasti tik du mokslininkus, kurie jį peržiūrėtų. Prinstono universiteto Geofizinių skysčių dinamikos laboratorijos meteorologas Isaacas Heldas pasisiūlė ir rekomendavo atmesti leidinį. „Tai nėra paslaptingas efektas“, – sako jis. „Paprastai tai yra nereikšminga ir, be to, jau atsižvelgiama į daugelį atmosferos modelių. Kritikai teigia, kad oro plėtimasis dėl šilumos, susidarančios kondensuojantis vandens garams, neutralizuoja erdvinį kondensacijos poveikį. Tačiau Makarieva teigia, kad šie du efektai yra erdviškai atskirti: atšilimas vyksta aukštyje, o kondensacijos slėgio kritimas vyksta arčiau paviršiaus, kur susidaro biotinis vėjas.

Kita apžvalgininkė buvo Judith Curry, Džordžijos technologijos instituto atmosferos fizikė. Ji jau seniai nerimavo dėl atmosferos būklės ir manė, kad straipsnį reikėtų publikuoti, nes „konfrontacija blogai atsiliepia klimatologijai, o jai reikia kraujo iš nosies fizikams“. Po trejus metus trukusių diskusijų žurnalo redaktorius atmetė Heldo rekomendaciją ir paskelbė straipsnį. Tačiau kartu jis pažymėjo, kad publikacijos negalima laikyti patvirtinimu, tačiau ji pasitarnaus kaip mokslinis dialogas apie kontroversišką teoriją – ją patvirtinti ar paneigti.

Nuo tada nei patvirtinimo, nei paneigimo nepasirodė – akistata tęsėsi. Kolumbijos universiteto klimato simuliatorius Gavinas Schmidtas sako: „Tai tiesiog nesąmonė“. Į kritiką autoriai atsako taip: „Tiesą sakant, dėl matematikos jie nėra tikri, ar verta tęsti dialogą“. Brazilijos meteorologas ir Nacionalinio stichinių nelaimių stebėjimo ir prevencijos centro vadovas Jose Marengo sako: „Manau, kad siurblys egzistuoja, bet dabar viskas yra teorijos lygyje. Klimato modelių ekspertai to nepriėmė, tačiau rusai yra geriausi teoretikai pasaulyje, todėl reikia atlikti atitinkamus lauko eksperimentus, kad viskas būtų patikrinta. Tačiau kol kas niekas, net pati Makarieva, tokių eksperimentų nepasiūlė.

Savo ruožtu Makarieva remiasi teorija, naujausių darbų serijoje įrodinėdama, kad tas pats mechanizmas gali paveikti atogrąžų ciklonus – juos varo šiluma, išsiskirianti, kai virš vandenyno kondensuojasi drėgmė. 2017 m. laikraštyje „Atmospheric Research“ji ir jos kolegos pasiūlė, kad miško formos biotiniai siurbliai iš ciklono kilmėje trauktų daug drėgmės turintį orą. Tai, anot jos, paaiškina, kodėl pietinėje Atlanto vandenyno dalyje ciklonai susidaro retai: Amazonės ir Kongo atogrąžų miškai nusausina tiek drėgmės, kad uraganams lieka per mažai.

MIT uraganų tyrinėtojas Kerry Emanuelis teigia, kad siūlomi padariniai yra „reikšmingi, bet nereikšmingi“. Jis teikia pirmenybę kitiems paaiškinimams, o ne uraganų nebuvimui Pietų Atlante, pavyzdžiui, vėsūs regiono vandenys į orą išskiria mažiau drėgmės, o stiprūs jo vėjai neleidžia susidaryti ciklonams. Makarieva savo ruožtu lygiai taip pat atmetė tradicionalistus, manydama, kad kai kurios egzistuojančios teorijos apie uraganų intensyvumą „prieštarauja termodinamikos dėsniams“. Ji turi dar vieną straipsnį „Journal of Atmospheric Sciences“– laukiama peržiūros. „Esame susirūpinę, kad, nepaisant redaktoriaus paramos, mūsų darbas vėl bus atmestas“, – sako ji.

Nors Vakaruose Makaryevos idėjos laikomos marginalinėmis, Rusijoje jos pamažu įsitvirtina. Pernai Vyriausybė pradėjo viešą dialogą dėl miškų ūkio įstatymų peržiūros. Išskyrus senas saugomas teritorijas, Rusijos miškai yra atviri komerciniam naudojimui, tačiau vyriausybė ir Federalinė miškų agentūra svarsto apie naują kategoriją – klimato apsaugos miškus. „Kai kurie mūsų miškininkystės skyriaus darbuotojai yra sužavėti biotinio siurblio idėja ir nori pristatyti naują kategoriją“, – sako ji. Idėją palaikė ir Rusijos mokslų akademija. Makarieva sako, kad būti sutarimo dalimi, o ne amžinu pašaliniu asmeniu yra nauja ir neįprasta.

Šią vasarą jos kelionę į šiaurinius miškus sujaukė koronaviruso epidemija ir karantinas. Namuose Sankt Peterburge ji susėdo dar vienam anoniminių apžvalgininkų prieštaravimų ratui. Ji įsitikinusi, kad siurblio teorija anksčiau ar vėliau nugalės. „Moksle yra natūrali inercija“, - sako ji. Su tamsiu rusišku humoru ji primena legendinio vokiečių fiziko Maxo Plancko žodžius, pasakiusį garsųjį mokslo pažangos apibūdinimą: „laidotuvių serija“.