Lesy regulujú klímu a produkujú vietor – teória biotických čerpadiel

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Anastasia Makarieva, jadrová fyzička z Petrohradského inštitútu jadrovej fyziky, už viac ako desať rokov obhajuje teóriu, že lesy tajgy v Rusku regulujú klímu severných oblastí Ázie. Mnoho západných meteorológov s ňou nesúhlasí, ale vláda a vedci v Rusku sa o túto teóriu zaujímajú.

Každé leto, keď sa dni predlžujú, opúšťa Anastasia Makarieva svoje laboratórium v Petrohrade a odchádza na dovolenku do nekonečných lesov ruského severu. Jadrový fyzik si stavia stan na brehu Bieleho mora medzi jedľami a borovicami, pláva v kajaku na nekonečných riekach regiónu a robí si poznámky o prírode a počasí. „Lesy sú veľkou súčasťou môjho osobného života,“hovorí. Za 25 rokov každoročnej púte na sever sa stali dôležitou súčasťou jej profesionálneho života.

Makarieva už viac ako desať rokov obhajuje teóriu, ktorú vypracovala spolu s Viktorom Gorškovom, svojim mentorom a kolegom z Petrohradského inštitútu jadrovej fyziky (PNPI), o tom, ako boreálne (tajga) lesy Ruska, najväčší les na Zemi regulujú klímu severnej Ázie. Táto jednoduchá, ale ďalekosiahla fyzikálna teória opisuje, ako vodná para vydychovaná stromami vytvára vetry – tieto vetry prechádzajú kontinentom a nesú vlhký vzduch z Európy cez Sibír a ďalej do Mongolska a Číny; tieto vetry nesú dažde, ktoré napájajú obrovské rieky východnej Sibíri; tieto vetry zavlažujú severnú nížinu Číny, sýpku najľudnatejšej krajiny planéty.

Pre svoju schopnosť absorbovať oxid uhličitý a vydychovať kyslík sa veľké lesy často označujú ako pľúca planéty. Ale Makarieva a Gorshkov (zomrel minulý rok) sú presvedčení, že sú aj jej srdcovkou. „Lesy sú zložité, sebestačné dažďové systémy a sú hlavným faktorom cirkulácie atmosféry na Zemi,“hovorí Makarieva. Recirkulujú obrovské množstvo vlhkosti do vzduchu a pri tom vytvárajú vetry, ktoré túto vodu pumpujú do celého sveta. Prvá časť tejto teórie – že lesy spôsobujú dážď – je v súlade s výskumom iných vedcov a čoraz viac sa na ňu spomína pri hospodárení s vodnými zdrojmi uprostred nekontrolovateľného odlesňovania. Ale druhá časť, teória, ktorú Makarieva nazýva biotická pumpa, je oveľa kontroverznejšia.

Teoretické pozadie práce bolo publikované – aj keď v menej známych časopisoch – a Makarieva podporovala malá skupina kolegov. Ale teória biotických čerpadiel sa stretla s vlnou kritiky - najmä od klimatických modelárov. Niektorí veria, že vplyv čerpadla je zanedbateľný, zatiaľ čo iní to úplne popierajú. V dôsledku toho sa Makarieva ocitla v úlohe outsidera: teoretickej fyzičky medzi vývojármi modelov, Rusky medzi západnými vedcami a ženy v oblasti, kde vládnu muži.

Ak je však jej teória správna, dokáže vysvetliť, prečo napriek značnej vzdialenosti od oceánov je vo vnútrozemí zalesnených kontinentov toľko zrážok ako na pobreží a prečo vnútrozemie kontinentov bez stromov na naopak, je zvyčajne suchý. Z toho tiež vyplýva, že lesy – od ruskej tajgy až po dažďové pralesy Amazónie – nerastú len tam, kde je vhodné počasie. Vyrábajú si ho sami. „Z toho, čo som čítal, som dospel k záveru, že biotické čerpadlo funguje,“hovorí Douglas Sheil, lesný ekológ z Nórskej univerzity vied o živote. Keďže je otázny osud svetových lesov, hovorí: "Aj keď existuje najmenšia šanca, že táto teória je správna, je nevyhnutné to s istotou zistiť."

Mnohé učebnice meteorológie dodnes poskytujú schému kolobehu vody v prírode, kde hlavnou príčinou atmosférickej vlhkosti, ktorá kondenzuje v oblakoch a padá vo forme dažďa, je vyparovanie oceánu. Táto schéma úplne ignoruje úlohu vegetácie a najmä stromov, ktoré pôsobia ako obrie fontány. Ich korene čerpajú vodu z pôdy na fotosyntézu a mikroskopické póry v listoch odparujú nespotrebovanú vodu do ovzdušia. Tento proces - druh potenia, iba na stromoch - sa nazýva transpirácia. Jeden dospelý strom teda uvoľní stovky litrov vody denne. Kvôli veľkej ploche lístia les často uvoľňuje do ovzdušia viac vlhkosti ako vodná plocha rovnakej veľkosti.

Dažďový sprievod

Takzvané „lietajúce rieky“sú prevládajúce vetry, ktoré absorbujú vodnú paru vyžarovanú z lesov a dodávajú dážď do vzdialených vodných plôch. Kontroverzná teória naznačuje, že samotné lesy riadia vetry.

Podľa teórie biotickej pumpy lesy nespôsobujú len dážď, ale aj vietor. Keď vodná para kondenzuje nad pobrežnými lesmi, tlak vzduchu klesá a vytvárajú sa vetry, ktoré nasávajú vlhký oceánsky vzduch. Cykly transpirácie a kondenzácie vytvárajú vetry, ktoré nesú dážď tisíce kilometrov do vnútrozemia.

Takže asi 80% zrážok v Číne pochádza zo západu vďaka transsibírskej lietajúcej rieke. A lietajúca rieka Amazonka poskytuje 70 % zrážok v juhovýchodnej časti Južnej Ameriky.

Úloha tejto sekundárnej vlhkosti pri tvorbe živných dažďov bola do roku 1979, keď brazílsky meteorológ Eneas Salati skúmal izotopové zloženie dažďovej vody z povodia Amazonky, značne prehliadaná. Ukázalo sa, že voda vrátená transpiráciou obsahuje viac molekúl s ťažkým izotopom kyslík-18 ako voda odparená z oceánu. Salati teda ukázal, že polovica zrážok nad Amazonkou spadla v dôsledku vyparovania lesov.

Meteorológovia sledovali atmosférický prúd nad lesom vo výške asi 1,5 kilometra. Tieto vetry – súhrnne označované ako juhoamerický nižší prúdový prúd – fúkajú zo západu na východ cez Amazonku rýchlosťou pretekárskeho bicykla, po ktorej ich pohorie Ánd ťahá na juh. Salati a ďalší navrhli, že to boli oni, kto niesol väčšinu uvoľnenej vlhkosti, a nazvali ich „lietajúcou riekou“. Podľa klimatológa Antonia Nopea z Brazílskeho národného inštitútu pre výskum vesmíru dnes lietajúca rieka Amazonka unáša toľko vody ako obrovská zemská rieka pod ňou.

Istý čas sa verilo, že lietajúce rieky sú obmedzené na povodie Amazonky. Ale v 90. rokoch začal hydrológ Hubert Savenije z Deltfe University of Technology študovať recirkuláciu vlhkosti v západnej Afrike. Pomocou hydrologického modelu na údajoch o počasí zistil, že čím ďalej od pobrežia do vnútrozemia, tým vyšší podiel zrážok spadne z lesov – až 90 % vo vnútrozemí. Tento objav vysvetľuje, prečo sa vnútorný Sahel stáva suchším: pobrežné lesy zmizli za posledné polstoročie.

Jeden zo Savenierových študentov, Ruud van der Ent, rozvinul svoj nápad vytvorením globálneho modelu prúdenia vlhkosti vzduchu. Zhromaždil pozorovania zrážok, vlhkosti, rýchlosti a teploty vetra a teoretické odhady vyparovania a transpirácie a vytvoril prvý model transportu vlhkosti v mierkach za povodiami riek.

V roku 2010 Van der Ent a jeho kolegovia odhalili svoje zistenie, že celosvetovo sa 40 % všetkých zrážok vyskytuje na súši, nie v oceáne. Často aj viac. Lietajúca rieka Amazonka poskytuje 70 % zrážok v povodí Rio de la Plata, ktoré sa rozprestiera na juhovýchode Južnej Ameriky. Van der Enta dosť prekvapilo, keď zistil, že Čína dostáva 80 % vody zo západu – navyše je to najmä atlantická vlaha, ktorú spracúvajú pralesy tajgy Škandinávie a Ruska. Cesta má niekoľko fáz – transpiračné cykly s pridruženým dažďom – a trvá šesť mesiacov alebo viac. "To je v rozpore s predchádzajúcimi informáciami, ktoré sa každý učí na strednej škole," hovorí. "Čína leží blízko oceánu, Tichého oceánu, ale väčšinu zrážok tvorí vlhkosť zo zeme na ďalekom západe."

Ak má Makarieva pravdu, lesy poskytujú nielen vlhkosť, ale vytvárajú aj vietor, ktorý ju nesie.

Spolupracovala s Gorshkovom štvrť storočia. Začínala ako študentka na PNPI, poddivízii Kurčatovho inštitútu, najväčšieho ruského inštitútu jadrového výskumu, civilného aj vojenského. Od začiatku pracovali v odbore a venovali sa ekológii v ústave, kde fyzici študujú materiály pomocou jadrových reaktorov a neutrónových lúčov. Spomína, že ako teoretici mali „výnimočnú slobodu bádania a myslenia“– zaoberali sa fyzikou atmosféry, kdekoľvek ich to vzalo. „Victor ma naučil: ničoho sa neboj,“hovorí.

V roku 2007 prvýkrát predstavili svoju teóriu biotickej pumpy v časopise Hydrology and Earth Sciences. Od začiatku sa považovala za provokatívnu, pretože bola v rozpore s dlhoročnou zásadou meteorológie: vetry sú spôsobené najmä rozdielnym ohrevom atmosféry. Ako teplý vzduch stúpa nahor, znižuje tlak vrstiev pod nimi, čím si v podstate vytvára nový priestor na povrchu. Napríklad v lete sa zemský povrch rýchlejšie zahrieva a priťahuje vlhký vánok z chladnejšieho oceánu.

Makarieva a Gorshkov tvrdia, že niekedy prevláda iný proces. Keď vodná para z lesa kondenzuje do oblakov, plyn sa stáva kvapalinou – a zaberá menší objem. To znižuje tlak vzduchu a horizontálne nasáva vzduch z oblastí s menšou kondenzáciou. V praxi to znamená, že kondenzácia nad pobrežnými lesmi vytvára morský vánok, ktorý tlačí vlhký vzduch do vnútrozemia, kde nakoniec kondenzuje a padá ako dážď. Ak sa lesy rozprestierajú do vnútrozemia, cyklus pokračuje a udržiava vlhké vetry na tisíce kilometrov.

Táto teória prevracia tradičný pohľad: hydrologický cyklus neriadi atmosférická cirkulácia, ale naopak, hydrologický cyklus reguluje hromadnú cirkuláciu vzduchu.

Sheel, ktorý sa stal zástancom teórie pred viac ako desiatimi rokmi, to považuje za rozvoj myšlienky lietania riek. „Vzájomne sa nevylučujú,“hovorí. "Pumpa vysvetľuje silu riek." Verí, že biotická pumpa vysvetľuje „studený amazonský paradox“. Od januára do júna, keď je povodie Amazonky chladnejšie ako oceán, fúka silný vietor od Atlantiku do Amazonky – hoci teória diferenciálneho vykurovania by naznačovala niečo iné. Nobre, ďalší dlhoročný zástanca, nadšene vysvetľuje: "Nepochádzajú z údajov, ale zo základných princípov."

Dokonca aj tí, ktorí o teórii pochybujú, sa zhodujú v tom, že strata lesov má na klímu ďalekosiahle dôsledky. Mnohí vedci tvrdia, že odlesňovanie pred tisíckami rokov viedlo k dezertifikácii vnútrozemských austrálskych území a západnej Afriky. Existuje riziko, že odlesňovanie v budúcnosti povedie k suchám v iných regiónoch, napríklad časť amazonského dažďového pralesa sa zmení na savanu. Ohrozené sú aj čínske poľnohospodárske regióny, africký Sahel a argentínska pampa, hovorí Patrick Keys, atmosférický chemik z University of Colorado, Fort Collins.

V roku 2018 Kees a kolegovia použili model podobný van der Entovi na sledovanie zdrojov zrážok pre 29 globálnych metropolitných oblastí. Zistil, že väčšina zásob vody 19 z nich závisí od vzdialených lesov vrátane Karáčí (Pakistan), Wu-chanu a Šanghaja (Čína), Naí Dillí a Kalkaty (India).„Dokonca aj malé zmeny zrážok spôsobené zmenami vo využívaní pôdy po vetre môžu mať veľký vplyv na krehkosť mestských zásob vody,“hovorí.

Niektoré modely dokonca naznačujú, že odlesňovanie zničením zdroja vlhkosti ohrozuje zmenu poveternostných podmienok ďaleko za plávajúcimi riekami. Ako viete, El Niňo – kolísanie teploty vetra a prúdenia v tropickom Tichom oceáne – nepriamo ovplyvňuje počasie na odľahlých miestach. Rovnako odlesňovanie v Amazónii by mohlo znížiť zrážky na stredozápade USA a snehovú pokrývku v Sierra Nevade, hovorí klimatológ Roni Avissar z University of Miami, ktorý takéto spojenia modeluje. Pritiahnuté za vlasy? "Vôbec nie," odpovedá. „Vieme, že El Niño je toho schopný, pretože na rozdiel od odlesňovania sa tento jav opakuje a my pozorujeme určitý vzorec. Oba sú spôsobené malými zmenami teploty a vlhkosti, ktorá sa uvoľňuje do atmosféry.

Výskumník zo Štokholmskej univerzity Lan Wang-Erlandsson, ktorý skúma interakciu pôdy, vody a klímy, hovorí, že je čas prejsť z využívania vody a podpovrchu v rámci konkrétneho povodia na zmenu využívania pôdy mimo nej. "Na udržanie lesov v oblastiach, kde sa tvoria vzdušné masy, sú potrebné nové medzinárodné hydrologické dohody," hovorí.

Pred dvoma rokmi na stretnutí Fóra OSN o lesoch, na ktorom sa zúčastňujú vlády všetkých krajín, predstavil výskumník krajiny z Bernskej univerzity David Ellison prípadovú štúdiu. Preukázal, že až 40 % celkových zrážok v Etiópskej vysočine, hlavnom zdroji Nílu, pochádza z vlhkosti, ktorá sa vracia z lesov povodia Konga. Egypt, Sudán a Etiópia rokujú o dlho očakávanej dohode o zdieľaní vôd Nílu. Takáto dohoda by však nemala zmysel, ak by odlesňovanie v Konžskej panve, ďaleko od týchto troch krajín, vysušilo zdroj vlhkosti, navrhol Ellison. "Vzťah medzi lesmi a vodou pri hospodárení so svetovou sladkou vodou je takmer úplne ignorovaný."

Teória biotických čerpadiel ešte viac zvýši stávky, keďže sa očakáva, že strata lesov ovplyvní nielen zdroje vlhkosti, ale aj charakter vetra. Ellison varuje, že ak sa táto teória potvrdí, bude „kritická pre modely planetárnej cirkulácie vzduchu“– najmä tie, ktoré prepravujú vlhký vzduch do vnútrozemia.

No zatiaľ sú priaznivci teórie v menšine. V roku 2010 Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre a Bai-Liang Li, ekológ z Kalifornskej univerzity v Riverside, predložili svoj historický popis biotickej pumpy v Atmospheric Chemistry and Physics, hlavnom odbornom časopise s otvoreným odborným hodnotením. Ale článok "Odkiaľ prichádzajú vetry?" bol kritizovaný na internete a magazínu trvalo mnoho mesiacov, kým našiel len dvoch vedcov, ktorí ho preskúmali. Isaac Held, meteorológ z Geofyzikálneho laboratória dynamiky tekutín na Princetonskej univerzite, sa prihlásil – a odporučil publikáciu odmietnuť. "Toto nie je záhadný efekt," hovorí. "Vo všeobecnosti je nevýznamná a navyše je už zohľadnená v mnohých atmosférických modeloch." Kritici tvrdia, že expanzia vzduchu z tepla generovaného kondenzáciou vodnej pary pôsobí proti priestorovému efektu kondenzácie. Makarieva však hovorí, že tieto dva efekty sú priestorovo oddelené: otepľovanie sa vyskytuje vo výške a pokles kondenzačného tlaku nastáva bližšie k povrchu, kde sa vytvára biotický vietor.

Ďalšou recenzentkou bola Judith Curry, atmosferická fyzika z Georgia Institute of Technology. Dlho sa obávala o stav atmosféry a mala pocit, že by mal byť článok uverejnený, pretože „konfrontácia má zlý vplyv na klimatológiu a pre fyzikov potrebuje krv z nosa“. Po troch rokoch debát redaktor časopisu Heldovo odporúčanie odmietol a článok zverejnil. Zároveň však poznamenal, že publikáciu nemožno považovať za schválenie, ale poslúži ako vedecký dialóg o kontroverznej teórii – na jej potvrdenie alebo vyvrátenie.

Odvtedy nevyšlo žiadne potvrdenie ani vyvrátenie - konfrontácia pokračovala. Simulátor klímy na Kolumbijskej univerzite Gavin Schmidt hovorí: "To je len nezmysel." Autori reagujú na kritiku takto: "V skutočnosti si kvôli matematike nie sú istí, či sa oplatí pokračovať v dialógu." Brazílsky meteorológ a šéf Národného centra pre monitorovanie a prevenciu prírodných katastrof Jose Marengo hovorí: „Myslím si, že pumpa existuje, ale teraz je to všetko v rovine teórie. Odborníci na klimatické modely to neakceptovali, ale Rusi sú najlepší teoretici na svete, takže je potrebné vykonať príslušné terénne experimenty, aby sa všetko otestovalo. Ale zatiaľ nikto, dokonca ani samotná Makarieva, takéto experimenty nenavrhol.

Makarieva sa spolieha na teóriu a v sérii nedávnych prác tvrdí, že rovnaký mechanizmus môže ovplyvniť tropické cyklóny - sú poháňané teplom uvoľneným pri kondenzácii vlhkosti nad oceánom. V novinách Atmospheric Research z roku 2017 ona a jej kolegovia navrhli, aby biotické čerpadlá v tvare lesa čerpali vzduch bohatý na vlhkosť z cyklónového pôvodu. To, hovorí, vysvetľuje, prečo sa cyklóny v južnom Atlantickom oceáne tvoria len zriedka: dažďové pralesy Amazonky a Konga odčerpávajú toľko vlhkosti, že na hurikány zostáva príliš málo.

Vedúci výskumník hurikánov na MIT, Kerry Emanuel, hovorí, že navrhované účinky sú "významné, ale zanedbateľné." Na neprítomnosť hurikánov v južnom Atlantiku uprednostňuje iné vysvetlenia, napríklad chladné vody regiónu uvoľňujú do ovzdušia menej vlhkosti a silné vetry bránia tvorbe cyklónov. Makarieva je rovnako odmietavá voči tradicionalistom a verí, že niektoré z existujúcich teórií o intenzite hurikánov „sú v rozpore so zákonmi termodynamiky“. Má ďalší článok v časopise Journal of Atmospheric Sciences - čaká na preskúmanie. „Obávame sa, že napriek podpore redaktora bude naša práca opäť odmietnutá,“hovorí.

Hoci na Západe sú nápady Makaryevovej považované za okrajové, v Rusku sa postupne udomácňujú. Vláda vlani spustila verejný dialóg o revízii lesníckych zákonov. S výnimkou starých chránených oblastí sú ruské lesy otvorené na komerčné využitie, ale vláda a Federálna agentúra pre lesné hospodárstvo zvažujú novú kategóriu – lesy na ochranu klímy. „Niektorí v našom lesníckom oddelení sú ohromení myšlienkou biotického čerpadla a chcú zaviesť novú kategóriu,“hovorí. Myšlienku podporila aj Ruská akadémia vied. Makarieva hovorí, že byť súčasťou konsenzu, a nie večným outsiderom, je nové a nezvyčajné.

Toto leto jej výlet do severských lesov narušila epidémia koronavírusu a karanténa. Doma v Petrohrade zasadla na ďalšie kolo námietok od anonymných recenzentov. Je presvedčená, že pumpová teória skôr či neskôr zvíťazí. „Vo vede existuje prirodzená zotrvačnosť,“hovorí. S čiernym ruským humorom si spomína na slová legendárneho nemeckého fyzika Maxa Plancka, ktorý opísal pokroky vedy slávne: „séria pohrebov“.