Skoger regulerer klima og produserer vind - biotisk pumpeteori

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Anastasia Makarieva, en kjernefysiker fra St. Petersburg Institute of Nuclear Physics, har forsvart teorien om at taiga-skogene i Russland regulerer klimaet i nordlige regioner i Asia i mer enn ti år. Mange vestlige meteorologer er uenige med henne, men regjeringen og forskere i Russland er interessert i denne teorien.

Hver sommer, når dagene blir lengre, forlater Anastasia Makarieva laboratoriet sitt i St. Petersburg og drar på ferie til de endeløse skogene i det russiske nord. En kjernefysiker slår opp et telt ved bredden av Hvitehavet, blant graner og furu, svømmer i kajakk på de endeløse elvene i regionen og tar notater om natur og vær. "Skoger er en stor del av mitt personlige liv," sier hun. Gjennom 25 års årlig pilegrimsreise nordover har de blitt en viktig del av hennes yrkesliv.

I mer enn ti år har Makarieva forsvart teorien, som hun utviklet sammen med Viktor Gorshkov, hennes mentor og kollega fra Petersburg Institute of Nuclear Physics (PNPI), om hvordan de boreale (taiga) skogene i Russland, den største skogen på jorden, regulere klimaet i Nord-Asia. Denne enkle, men vidtrekkende fysiske teorien beskriver hvordan vanndampen som pustes ut av trær skaper vind – disse vindene krysser kontinentet, og frakter fuktig luft fra Europa over Sibir og videre til Mongolia og Kina; disse vindene bærer regnet som mater de gigantiske elvene i Øst-Sibir; disse vindene vanner den nordlige sletten i Kina, kornmagasinet til det mest folkerike landet på planeten.

På grunn av sin evne til å absorbere karbondioksid og puste ut oksygen, blir store skoger ofte referert til som planetens lunger. Men Makarieva og Gorshkov (han døde i fjor) er overbevist om at de også er hennes hjerte. "Skoger er komplekse, selvopprettholdende regnsystemer og en viktig faktor i sirkulasjonen av atmosfæren på jorden," sier Makarieva. De resirkulerer enorme mengder fuktighet til luften og skaper i prosessen vinder som pumper dette vannet rundt i verden. Den første delen av denne teorien - at skoger lager regn - stemmer overens med forskning fra andre forskere og blir stadig mer husket når man forvalter vannressurser midt i frodig avskoging. Men den andre delen, teorien som Makarieva kaller den biotiske pumpen, er mye mer kontroversiell.

Den teoretiske bakgrunnen for arbeidet ble publisert – om enn i mindre kjente tidsskrifter – og Makarieva ble støttet av en liten gruppe kolleger. Men teorien om biotiske pumper har fått en byge av kritikk – spesielt fra klimamodellere. Noen mener at virkningen av pumpen er ubetydelig, mens andre benekter det helt. Som et resultat befant Makarieva seg i rollen som en outsider: en teoretisk fysiker blant modellutviklere, en russer blant vestlige forskere og en kvinne i et område styrt av menn.

Men hvis teorien hennes er riktig, vil den kunne forklare hvorfor, til tross for den betydelige avstanden fra havene, i det indre av skogkledde kontinenter er det like mye nedbør som på kysten, og hvorfor det indre av treløse kontinenter, på tvert imot, er vanligvis tørr. Det innebærer også at skog – fra den russiske taigaen til regnskogene i Amazonas – ikke bare vokser der været er riktig. De lager det selv. – Ut fra det jeg har lest, har jeg konkludert med at den biotiske pumpen fungerer, sier Douglas Sheil, skogøkolog ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet. Siden skjebnen til verdens skoger er i tvil, sier han: "Selv om det er den minste sjanse for at denne teorien er riktig, er det viktig å finne ut av det med sikkerhet."

Mange lærebøker om meteorologi gir fortsatt et diagram over vannets syklus i naturen, der hovedårsaken til atmosfærisk fuktighet, som kondenserer i skyer og faller i form av regn, er fordampningen av havet. Denne ordningen ignorerer helt rollen til vegetasjon og spesielt trær, som fungerer som gigantiske fontener. Røttene deres trekker vann fra jorda for fotosyntese, og mikroskopiske porer i bladene fordamper ubrukt vann til luften. Denne prosessen - en slags svette, bare i trær - kalles transpirasjon. Dermed slipper ett modent tre hundrevis av liter vann per dag. På grunn av det store løvarealet frigjør skogen ofte mer fuktighet til luften enn en vannmasse av samme størrelse.

Regnparade

De såkalte "flygende elvene" er de rådende vindene som absorberer vanndamp som slippes ut fra skoger og leverer regn til fjerne vannforekomster. En kontroversiell teori antyder at skogene selv styrer vinden.

I følge den biotiske pumpeteorien forårsaker ikke skoger bare regn, men også vind. Når vanndamp kondenserer over kystskoger, synker lufttrykket og det skapes vinder som suger inn fuktig havluft. Sykluser av transpirasjon og kondens skaper vind som fører regn tusenvis av kilometer inn i landet.

Så omtrent 80% av nedbøren i Kina kommer fra vest takket være den transsibirske flygende elven. Og den flygende Amazonas-elven gir 70 % av nedbøren i den sørøstlige delen av Sør-Amerika.

Rollen til denne sekundære fuktigheten i dannelsen av næringsregn ble stort sett oversett frem til 1979, da den brasilianske meteorologen Eneas Salati undersøkte den isotopiske sammensetningen av regnvann fra Amazonasbassenget. Det viste seg at vannet som returneres ved transpirasjon inneholder flere molekyler med den tunge isotopen oksygen-18 enn vann som er fordampet fra havet. Så Salati viste at halvparten av nedbøren over Amazonas falt som et resultat av skogfordampning.

Meteorologer sporet den atmosfæriske jetflyet over skogen i en høyde av rundt 1,5 kilometer. Disse vindene - samlet referert til som den søramerikanske lavere jetstrømmen - blåser fra vest til øst over Amazonas med hastigheten til en racersykkel, hvoretter Andesfjellene drar dem sørover. Salati og andre antydet at det var de som bar hoveddelen av den frigjorte fuktigheten, og kalte dem «den flygende elven». Ifølge klimatolog Antonio Nope ved det brasilianske nasjonale romforskningsinstituttet, bærer den flygende Amazonas-elven like mye vann i dag som den gigantiske jordens elv under seg.

En tid trodde man at de flygende elvene var begrenset til Amazonasbassenget. Men på 1990-tallet begynte hydrolog Hubert Savenije ved Deltfe University of Technology å studere fuktighetsresirkulering i Vest-Afrika. Ved å bruke en hydrologisk modell på værdata fant han at jo lenger inn i landet fra kysten, desto høyere er andelen nedbør som faller fra skog – opptil 90 % i innlandet. Denne oppdagelsen forklarer hvorfor indre Sahel blir tørrere: kystskoger har forsvunnet i løpet av det siste halve århundret.

En av Saveniers studenter, Ruud van der Ent, utviklet ideen sin ved å lage en global modell av fuktighetsluftstrøm. Han samlet observasjoner av nedbør, fuktighet, vindhastighet og temperatur og teoretiske estimater av fordampning og transpirasjon, og skapte den første modellen for fukttransport i skalaer utenfor elvebassengene.

I 2010 avslørte Van der Ent og kollegene deres funn om at 40 % av all nedbør globalt skjer på land, ikke på havet. Ofte enda mer. Den flygende Amazonas-elven gir 70 % av nedbøren i Rio de la Plata-bassenget, som strekker seg over det sørøstlige Sør-Amerika. Van der Ent var ganske overrasket over å finne at Kina mottar 80% av vannet sitt fra vest - dessuten er det hovedsakelig atlantisk fuktighet, som behandles av taiga-skogene i Skandinavia og Russland. Reisen har flere stadier – transpirasjonssykluser med tilhørende regn – og tar seks måneder eller mer. "Dette er i strid med den tidligere informasjonen som alle lærer på videregående," sier han. "Kina er nær havet, Stillehavet, men mesteparten av nedbøren er fuktighet fra land i vesten."

Hvis Makarieva har rett, gir skoger ikke bare fuktighet, men skaper også vinden som bærer den.

Hun jobbet med Gorshkov i et kvart århundre. Hun begynte som student ved PNPI, en underavdeling av Kurchatov Institute, det største russiske atomforskningsinstituttet, både sivilt og militært. Helt fra begynnelsen jobbet de i felten og var engasjert i økologi ved instituttet, hvor fysikere studerer materialer ved hjelp av atomreaktorer og nøytronstråler. Som teoretikere, husker hun, hadde de "eksepsjonell frihet til forskning og tanke," - de var engasjert i atmosfærisk fysikk, uansett hvor det tok dem. "Victor lærte meg: frykt ingenting," sier hun.

I 2007 presenterte de først teorien om den biotiske pumpen i tidsskriftet Hydrology and Earth Sciences. Det ble ansett som provoserende fra begynnelsen, fordi det var i strid med et langvarig prinsipp for meteorologi: vind er hovedsakelig forårsaket av differensiell oppvarming av atmosfæren. Når den varme luften stiger, senker den trykket i lagene under, og skaper i hovedsak nytt rom for seg selv på overflaten. Om sommeren, for eksempel, varmes landoverflaten opp raskere og tiltrekker seg fuktig bris fra det kjøligere havet.

Makarieva og Gorshkov hevder at noen ganger råder en annen prosess. Når vanndamp fra skogen kondenserer til skyer, blir gassen til en væske – og den tar mindre volum. Dette reduserer lufttrykket og trekker inn luft horisontalt fra områder med mindre kondens. I praksis betyr dette at kondens over kystskoger skaper en havbris som presser fuktig luft inn i indre strøk, hvor den til slutt kondenserer og faller ned som regn. Hvis skog strekker seg innover landet, fortsetter syklusen, og opprettholder fuktig vind i tusenvis av kilometer.

Denne teorien omstøter det tradisjonelle synet: det er ikke den atmosfæriske sirkulasjonen som styrer den hydrologiske syklusen, men tvert imot, den hydrologiske syklusen regulerer massesirkulasjonen av luft.

Sheel, og han ble tilhenger av teorien for mer enn ti år siden, anser det for å være en utvikling av ideen om flygende elver. "De utelukker ikke hverandre," sier han. "Pumpen forklarer styrken til elvene." Han mener at den biotiske pumpen forklarer «det kalde Amazonas-paradokset». Fra januar til juni, når Amazonasbassenget er kaldere enn havet, blåser det sterke vinder fra Atlanterhavet til Amazonas - selv om teorien om differensiell oppvarming tilsier noe annet. Nobre, en annen mangeårig talsmann, forklarer entusiastisk: "De kommer ikke fra data, men fra underliggende prinsipper."

Selv de som tviler på teorien er enige om at tap av skog har vidtrekkende konsekvenser for klimaet. Mange forskere hevder at avskoging for tusenvis av år siden førte til ørkenspredning av australske land og Vest-Afrika. Det er en risiko for at avskoging i fremtiden vil føre til tørke i andre regioner, for eksempel vil en del av Amazonas regnskog bli til savanne. Kinas landbruksregioner, den afrikanske Sahel og de argentinske pampasene er også i fare, sier Patrick Keys, en atmosfærisk kjemiker ved University of Colorado, Fort Collins.

I 2018 brukte Kees og kollegene en modell som ligner på van der Ents for å spore nedbørskilder for 29 globale storbyområder. Han fant at mesteparten av vannforsyningen til 19 av dem er avhengig av avsidesliggende skoger, inkludert Karachi (Pakistan), Wuhan og Shanghai (Kina), New Delhi og Kolkata (India)."Selv små endringer i nedbør forårsaket av endringer i arealbruk mot vinden kan ha stor innvirkning på skjørheten til urbane vannforsyninger," sier han.

Noen modeller antyder til og med at avskoging, ved å ødelegge fuktkilden, truer med å endre værforholdene langt utenfor de flytende elvene. Som du vet, påvirker El Niño - svingninger i vindtemperatur og strømmer i det tropiske Stillehavet - indirekte været på avsidesliggende steder. På samme måte kan avskoging i Amazonas redusere nedbør i USAs Midtvesten og snødekke i Sierra Nevada, sier klimatolog Roni Avissar ved University of Miami, som modellerer slike sammenhenger. Usannsynlig? "Ikke i det hele tatt," svarer han. "Vi vet at El Niño er i stand til dette, fordi, i motsetning til avskoging, gjentar dette fenomenet seg, og vi observerer et mønster. Begge er forårsaket av små endringer i temperatur og fuktighet som slippes ut i atmosfæren."

Stockholms universitetsforsker Lan Wang-Erlandsson, som forsker på samspillet mellom land, vann og klima, sier at det er på tide å bytte fra vann- og undergrunnsbruk innenfor et bestemt elvebasseng til endring av arealbruk utenfor. "Nye internasjonale hydrologiske avtaler er nødvendig for å opprettholde skog i områder der luftmasser dannes," sier hun.

For to år siden, på et møte i FNs forum for skog, hvor regjeringer i alle land deltar, presenterte landforsker fra Universitetet i Bern David Ellison en casestudie. Han demonstrerte at opptil 40 % av den totale nedbøren i det etiopiske høylandet, Nilens hovedkilde, kommer fra fuktighet som kommer tilbake fra skogene i Kongo-bassenget. Egypt, Sudan og Etiopia forhandler om en forlenget avtale om å dele Nilen. Men en slik avtale ville være meningsløs hvis avskoging i Kongo-bassenget, langt fra de tre landene, tørker opp fuktighetskilden, foreslo Ellison. "Forholdet mellom skog og vann i håndteringen av verdens ferskvann blir nesten fullstendig ignorert."

Den biotiske pumpeteorien vil øke innsatsen ytterligere, ettersom skogtapet forventes å påvirke ikke bare fuktkilder, men også vindmønstre. Ellison advarer om at teorien, hvis den bekreftes, vil være "kritisk for planetariske luftsirkulasjonsmodeller" - spesielt de som transporterer fuktig luft innover landet.

Men så langt er tilhengerne av teorien i mindretall. I 2010 sendte Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre og Bai-Liang Li, en økolog ved University of California, Riverside, sin historiske beskrivelse av den biotiske pumpen i Atmospheric Chemistry and Physics, et hovedfagtidsskrift med åpen fagfellevurdering. Men artikkelen "Hvor kommer vindene fra?" ble kritisert på Internett, og det tok magasinet mange måneder å finne bare to forskere til å anmelde det. Isaac Held, en meteorolog ved Geophysical Fluid Dynamics Laboratory ved Princeton University, meldte seg frivillig – og anbefalte at publikasjonen ble avslått. "Dette er ikke en mystisk effekt," sier han. "Det er generelt ubetydelig og er dessuten allerede tatt i betraktning i en rekke atmosfæriske modeller." Kritikere sier at utvidelsen av luft fra varmen som genereres ved kondensering av vanndamp motvirker den romlige effekten av kondensering. Men Makarieva sier at disse to effektene er romlig atskilt: oppvarming skjer i høyden, og fallet i kondensasjonstrykket skjer nærmere overflaten, der biotisk vind skapes.

En annen anmelder var Judith Curry, en atmosfærisk fysiker ved Georgia Institute of Technology. Hun har lenge bekymret seg for atmosfærens tilstand og følt at artikkelen burde publiseres, fordi «konfrontasjonen har en dårlig effekt på klimatologien, og hun trenger blod fra nesen til fysikere». Etter tre år med debatt avviste redaktøren av bladet Helds anbefaling og publiserte artikkelen. Men samtidig bemerket han at publikasjonen ikke kan betraktes som godkjenning, men den vil tjene som en vitenskapelig dialog om en kontroversiell teori – for å bekrefte eller avkrefte den.

Siden den gang har det ikke kommet noen bekreftelse eller tilbakevisning – konfrontasjonen fortsatte. Columbia University klimasimulator Gavin Schmidt sier: "Dette er bare tull." Forfatterne svarer på kritikken slik: "Faktisk, på grunn av matematikk, er de ikke sikre på om det er verdt å fortsette dialogen." Brasiliansk meteorolog og leder av det nasjonale senteret for overvåking og forebygging av naturkatastrofer, Jose Marengo, sier: «Jeg tror pumpen eksisterer, men nå er alt på teorinivå. Eksperter på klimamodeller godtok det ikke, men russerne er de beste teoretikere i verden, så passende felteksperimenter må utføres for å teste alt." Men så langt har ingen, ikke engang Makarieva selv, foreslått slike eksperimenter.

Makarieva på sin side stoler på teori, og argumenterer i en serie nyere arbeider for at den samme mekanismen kan påvirke tropiske sykloner – de drives av varmen som frigjøres når fuktighet kondenserer over havet. I 2017 Atmospheric Research-avisen foreslo hun og hennes kolleger at skogformede biotiske pumper trekker fuktighetsrik luft fra syklonopprinnelse. Dette, sier hun, forklarer hvorfor sykloner sjelden dannes i Sør-Atlanterhavet: regnskogene i Amazonas og Kongo tapper så mye fuktighet at det er for lite igjen for orkaner.

Ledende orkanforsker ved MIT, Kerry Emanuel, sier at de foreslåtte effektene er «betydelige, men ubetydelige». Han foretrekker andre forklaringer til fraværet av orkaner i Sør-Atlanteren, for eksempel frigjør det kjølige vannet i regionen mindre fuktighet til luften, og den sterke vinden hindrer dannelsen av sykloner. Makarieva på sin side er like avvisende til tradisjonalister, og mener at noen av de eksisterende teoriene om intensiteten til orkaner «strider mot termodynamikkens lover». Hun har en annen artikkel i Journal of Atmospheric Sciences – i påvente av vurdering. – Vi er bekymret for at arbeidet vårt, til tross for redaktørens støtte, vil bli avvist igjen, sier hun.

Selv om Makaryevas ideer i Vesten anses som marginale, slår de gradvis rot i Russland. I fjor lanserte regjeringen en offentlig dialog om revisjon av skogbrukslovene. Med unntak av de gamle verneområdene er russiske skoger åpne for kommersiell utnyttelse, men regjeringen og Federal Forestry Agency vurderer en ny kategori - klimabeskyttelsesskoger. "Noen i skogavdelingen vår er imponert over ideen om den biotiske pumpen og ønsker å introdusere en ny kategori," sier hun. Ideen ble også støttet av det russiske vitenskapsakademiet. Makarieva sier at det å være en del av konsensus, og ikke en evig outsider, er nytt og uvanlig.

I sommer ble turen hennes til de nordlige skogene forstyrret av koronavirusepidemien og karantene. Hjemme i St. Petersburg satte hun seg ned for nok en runde med innsigelser fra anonyme anmeldere. Hun er overbevist om at pumpeteorien vil seire før eller siden. "Det er naturlig treghet i vitenskapen," sier hun. Med mørk russisk humor minner hun om ordene til den legendariske tyske fysikeren Max Planck, som ga den berømte beskrivelsen av vitenskapens fremgang: «en serie begravelser».