Skogar reglerar klimatet och producerar vind - Biotic Pump Theory

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Anastasia Makarieva, en kärnfysiker från St. Petersburg Institute of Nuclear Physics, har försvarat teorin om att taigaskogarna i Ryssland reglerar klimatet i norra Asiens regioner i mer än tio år. Många västerländska meteorologer håller inte med henne, men regeringen och forskare i Ryssland är intresserade av denna teori.

Varje sommar, när dagarna blir längre, lämnar Anastasia Makarieva sitt laboratorium i St. Petersburg och åker på semester till de ändlösa skogarna i den ryska norra. En kärnfysiker slår upp ett tält vid Vita havets stränder, bland granar och tallar, simmar i en kajak på regionens ändlösa floder och tar anteckningar om natur och väder. "Skogar är en stor del av mitt personliga liv", säger hon. Under 25 år av årlig pilgrimsfärd norrut har de blivit en viktig del av hennes yrkesliv.

I mer än tio år har Makarieva försvarat teorin, som hon utvecklat tillsammans med Viktor Gorshkov, hennes mentor och kollega från Petersburg Institute of Nuclear Physics (PNPI), om hur de boreala (taiga) skogarna i Ryssland, den största skogen på jorden, reglera klimatet i norra Asien. Denna enkla men långtgående fysikaliska teori beskriver hur vattenångan som andas ut av träd skapar vindar - dessa vindar korsar kontinenten och transporterar fuktig luft från Europa över Sibirien och vidare till Mongoliet och Kina; dessa vindar bär regnet som matar de gigantiska floderna i östra Sibirien; dessa vindar vattnar den norra slätten i Kina, spannmålsmagasinet i det folkrikaste landet på planeten.

På grund av dess förmåga att absorbera koldioxid och andas ut syre, kallas stora skogar ofta som planetens lungor. Men Makarieva och Gorshkov (han dog förra året) är övertygade om att de också är hennes hjärta. "Skogar är komplexa, självförsörjande regnsystem och en viktig faktor i cirkulationen av atmosfären på jorden", säger Makarieva. De återcirkulerar enorma mängder fukt till luften och skapar i processen vindar som pumpar detta vatten runt världen. Den första delen av denna teori - att skogar skapar regn - stämmer överens med forskning av andra forskare och blir alltmer ihågkommen när man hanterar vattenresurser mitt i skenande avskogning. Men den andra delen, teorin som Makarieva kallar den biotiska pumpen, är mycket mer kontroversiell.

Den teoretiska bakgrunden till arbetet publicerades – om än i mindre kända tidskrifter – och Makarieva fick medhåll av en liten grupp kollegor. Men teorin om biotiska pumpar har fått en uppsjö av kritik – särskilt från klimatmodellerare. Vissa anser att pumpens påverkan är obetydlig, medan andra förnekar det helt och hållet. Som ett resultat befann sig Makarieva i rollen som en outsider: en teoretisk fysiker bland modellutvecklare, en ryss bland västerländska forskare och en kvinna i ett område som styrs av män.

Men om hennes teori är korrekt, kommer den att kunna förklara varför det, trots det avsevärda avståndet från haven, i det inre av trädbevuxna kontinenter finns lika mycket nederbörd som vid kusten, och varför det inre av trädlösa kontinenter, på tvärtom, är vanligtvis torr. Det innebär också att skogar - från den ryska taigan till regnskogarna i Amazonas - inte bara växer där vädret är rätt. De gör det själva. "Av det jag läst har jag kommit fram till att den biotiska pumpen fungerar", säger Douglas Sheil, skogsekolog vid Norges biovetenskapliga universitet. Eftersom världens skogars öde är ifrågasatt, säger han, "Även om det finns den minsta chans att denna teori är korrekt, är det absolut nödvändigt att ta reda på det med säkerhet."

Många läroböcker om meteorologi ger fortfarande ett diagram över vattnets kretslopp i naturen, där den främsta orsaken till luftfuktighet, som kondenserar i moln och faller i form av regn, är havets avdunstning. Detta schema ignorerar helt växtlighetens och särskilt trädens roll, som fungerar som gigantiska fontäner. Deras rötter drar vatten från jorden för fotosyntes, och mikroskopiska porer i löven förångar oanvänt vatten i luften. Denna process - en sorts svett, bara i träd - kallas transpiration. Ett moget träd släpper alltså ut hundratals liter vatten per dag. På grund av den stora lövytan släpper skogen ofta ut mer fukt i luften än en vattenförekomst av samma storlek.

Regnparad

De så kallade "flygande floderna" är de rådande vindarna som absorberar vattenånga som släpps ut från skogar och levererar regn till avlägsna vattenkroppar. En kontroversiell teori antyder att skogarna själva styr vindarna.

Enligt teorin om biotiska pumpar orsakar skogar inte bara regn, utan också vind. När vattenånga kondenserar över kustnära skogar minskar lufttrycket och det skapas vindar som suger in fuktig havsluft. Cykler av transpiration och kondens skapar vindar som bär regn tusentals kilometer in i landet.

Så cirka 80% av nederbörden i Kina kommer från väster tack vare den transsibiriska flygande floden. Och den flygande Amazonfloden ger 70 % av nederbörden i den sydöstra delen av Sydamerika.

Rollen för denna sekundära fukt i bildandet av näringsregn förbises till stor del fram till 1979, då den brasilianske meteorologen Eneas Salati undersökte den isotopiska sammansättningen av regnvatten från Amazonasbassängen. Det visade sig att vattnet som återförs genom transpiration innehåller fler molekyler med den tunga isotopen oxygen-18 än vatten som avdunstat från havet. Så Salati visade att hälften av nederbörden över Amazonas föll som ett resultat av skogens avdunstning.

Meteorologer spårade den atmosfäriska strålen över skogen på cirka 1,5 kilometers höjd. Dessa vindar - gemensamt kallade den sydamerikanska lägre jetströmmen - blåser från väst till öst över Amazonas med hastigheten på en racercykel, varefter Anderna drar dem söderut. Salati och andra föreslog att det var de som bar huvuddelen av den släppta fukten och kallade dem "den flygande floden". Enligt klimatolog Antonio Nope vid Brazilian National Space Research Institute, bär den flygande Amazonfloden lika mycket vatten idag som den gigantiska jordens flod under sig.

Under en tid trodde man att de flygande floderna var begränsade till Amazonas. Men på 1990-talet började hydrologen Hubert Savenije vid Deltfe University of Technology studera fuktåterföring i Västafrika. Med hjälp av en hydrologisk modell på väderdata fann han att ju längre in i landet från kusten, desto högre andel nederbörd faller från skog - upp till 90 % i inlandet. Denna upptäckt förklarar varför inre Sahel blir torrare: kustnära skogar har försvunnit under det senaste halvseklet.

En av Saveniers elever, Ruud van der Ent, utvecklade sin idé genom att skapa en global modell av fuktluftflöde. Han sammanförde observationer av nederbörd, luftfuktighet, vindhastighet och temperatur och teoretiska uppskattningar av avdunstning och transpiration, och skapade den första modellen för fukttransport på skalor bortom flodbassänger.

2010 avslöjade Van der Ent och hans kollegor sin upptäckt att globalt sett sker 40 % av all nederbörd på land, inte på havet. Ofta ännu mer. Den flygande Amazonfloden står för 70 % av nederbörden i Rio de la Plata-bassängen, som sträcker sig över sydöstra Sydamerika. Van der Ent var ganska förvånad över att finna att Kina tar emot 80% av sitt vatten från väster - dessutom är det främst atlantisk fukt, som bearbetas av taigaskogarna i Skandinavien och Ryssland. Resan har flera etapper - transpirationscykler med tillhörande regn - och tar sex månader eller mer. "Detta motsäger den tidigare informationen som alla lär sig i gymnasiet", säger han. "Kina ligger nära havet, Stilla havet, men det mesta av dess nederbörd är fukt från land längst i väster."

Om Makarieva har rätt, ger skogarna inte bara fukt, utan skapar också vinden som bär den.

Hon arbetade med Gorshkov i ett kvarts sekel. Hon började som student vid PNPI, en underavdelning till Kurchatov-institutet, det största ryska kärnforskningsinstitutet, både civilt och militärt. Redan från början arbetade de inom fältet och var engagerade i ekologi vid institutet, där fysiker studerar material med hjälp av kärnreaktorer och neutronstrålar. Som teoretiker, minns hon, hade de "exceptionell frihet för forskning och tanke," - de ägnade sig åt atmosfärsfysik, vart det än tog dem. "Victor lärde mig: frukta ingenting", säger hon.

2007 presenterade de för första gången sin teori om den biotiska pumpen i tidskriften Hydrology and Earth Sciences. Det ansågs provocerande från början, eftersom det stred mot en långvarig meteorologiprincip: vindar orsakas huvudsakligen av differentiell uppvärmning av atmosfären. När den varma luften stiger sänker den trycket från lagren under, vilket i huvudsak skapar nytt utrymme för sig själv på ytan. På sommaren värms exempelvis landytan upp snabbare och drar till sig fuktiga vindar från det kallare havet.

Makarieva och Gorshkov hävdar att ibland råder en annan process. När vattenånga från skogen kondenserar till moln blir gasen en vätska – och den tar mindre volym. Detta minskar lufttrycket och drar in luft horisontellt från områden med mindre kondens. I praktiken betyder det att kondens över kustnära skogar skapar en havsbris som trycker in fuktig luft i inlandet, där den så småningom kondenserar och faller som regn. Om skogarna sträcker sig inåt landet fortsätter cykeln och upprätthåller fuktiga vindar i tusentals kilometer.

Denna teori kullkastar den traditionella uppfattningen: det är inte den atmosfäriska cirkulationen som styr den hydrologiska cykeln, utan tvärtom reglerar den hydrologiska cykeln luftens masscirkulation.

Sheel, och han blev en anhängare av teorin för mer än tio år sedan, anser att det är en utveckling av idén om flygande floder. "De utesluter inte varandra", säger han. "Pumpen förklarar flodernas styrka." Han tror att den biotiska pumpen förklarar den "kalla Amazonas paradox". Från januari till juni, när Amazonasbassängen är kallare än havet, blåser starka vindar från Atlanten till Amazonas - även om teorin om differentiell uppvärmning tyder på något annat. Nobre, en annan långvarig förespråkare, förklarar entusiastiskt: "De kommer inte från data, utan från underliggande principer."

Även de som tvivlar på teorin är överens om att förlusten av skog har långtgående konsekvenser för klimatet. Många forskare hävdar att avskogning för tusentals år sedan ledde till ökenspridning av Australiens inre land och Västafrika. Det finns en risk att avskogning i framtiden leder till torka i andra regioner, till exempel kommer en del av Amazonas regnskog att förvandlas till savann. Kinas jordbruksregioner, den afrikanska Sahel och den argentinska pampas är också i riskzonen, säger Patrick Keys, en atmosfärisk kemist vid University of Colorado, Fort Collins.

Under 2018 använde Kees och kollegor en modell som liknar van der Ents för att spåra nederbördskällor för 29 globala storstadsområden. Han fann att det mesta av vattenförsörjningen för 19 av dem beror på avlägsna skogar, inklusive Karachi (Pakistan), Wuhan och Shanghai (Kina), New Delhi och Kolkata (Indien)."Även små förändringar i nederbörd orsakade av förändringar i markanvändning i nedvind kan ha en stor inverkan på bräckligheten i stadsvattenförsörjningen", säger han.

Vissa modeller tyder till och med på att avskogning, genom att förstöra fuktkällan, hotar att förändra väderförhållanden långt bortom de flytande floderna. Som ni vet påverkar El Niño - fluktuationer i vindtemperatur och strömmar i det tropiska Stilla havet - indirekt vädret på avlägsna platser. Likaså kan avskogning i Amazonas minska nederbörden i USA:s mellanvästern och snötäcket i Sierra Nevada, säger klimatologen Roni Avissar vid University of Miami, som modellerar sådana samband. Långsökt? "Inte alls", svarar han. "Vi vet att El Niño är kapabel till detta, för, till skillnad från avskogning, upprepar detta fenomen sig och vi observerar ett mönster. Båda orsakas av små förändringar i temperatur och fukt som släpps ut i atmosfären."

Stockholms universitetsforskare Lan Wang-Erlandsson, som forskar om samspelet mellan mark, vatten och klimat, säger att det är dags att byta från vatten- och underjordsanvändning inom ett visst avrinningsområde till förändring av markanvändningen bortom. "Nya internationella hydrologiska överenskommelser behövs för att behålla skog i områden där luftmassor bildas", säger hon.

För två år sedan, vid ett möte i FN:s forum för skog, där regeringar i alla länder deltar, presenterade markforskaren från universitetet i Bern David Ellison en fallstudie. Han visade att upp till 40 % av den totala nederbörden i det etiopiska höglandet, Nilens huvudsakliga källa, kommer från fukt som kommer tillbaka från skogarna i Kongobäckenet. Egypten, Sudan och Etiopien förhandlar fram ett sedan länge försenat avtal för att dela Nilens vatten. Men ett sådant avtal skulle vara meningslöst om avskogning i Kongobäckenet, långt från de tre länderna, torkar upp fuktkällan, föreslog Ellison. "Förhållandet mellan skog och vatten för att hantera världens sötvatten ignoreras nästan helt."

Den biotiska pumpteorin kommer att höja insatserna ytterligare, eftersom skogsförlust förväntas påverka inte bara fuktkällor utan även vindmönster. Ellison varnar för att teorin, om den bekräftas, kommer att vara "kritisk för planetariska luftcirkulationsmodeller" - särskilt de som transporterar fuktig luft inåt landet.

Men än så länge är anhängarna av teorin i minoritet. År 2010 lämnade Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre och Bai-Liang Li, en ekolog vid University of California, Riverside, in sin historiska beskrivning av den biotiska pumpen i Atmospheric Chemistry and Physics, en stor ämnestidskrift med öppen peer review. Men artikeln "Varifrån kommer vindarna?" kritiserades på Internet, och det tog tidningen många månader att hitta bara två vetenskapsmän att granska den. Isaac Held, en meteorolog vid Geophysical Fluid Dynamics Laboratory vid Princeton University, anmälde sig frivilligt - och rekommenderade att publikationen skulle tackas nej. "Det här är ingen mystisk effekt", säger han. "Det är i allmänhet obetydligt och tas dessutom redan i beaktande i ett antal atmosfäriska modeller." Kritiker säger att luftens expansion från värmen som genereras av kondensering av vattenånga motverkar den rumsliga effekten av kondensation. Men Makarieva säger att dessa två effekter är rumsligt åtskilda: uppvärmningen sker på höjden och minskningen av kondensationstrycket inträffar närmare ytan, där biotisk vind skapas.

En annan recensent var Judith Curry, en atmosfärsfysiker vid Georgia Institute of Technology. Hon har länge oroat sig för tillståndet i atmosfären och ansett att artikeln borde publiceras, eftersom "konfrontationen har en dålig effekt på klimatologin, och hon behöver blod från näsan för fysiker." Efter tre års debatt avvisade tidningens redaktör Helds rekommendation och publicerade artikeln. Men samtidigt noterade han att publikationen inte kan betraktas som godkännande, utan den kommer att fungera som en vetenskaplig dialog om en kontroversiell teori – för att bekräfta eller vederlägga den.

Sedan dess har ingen bekräftelse eller vederläggning kommit ut – konfrontationen fortsatte. Columbia University klimatsimulator Gavin Schmidt säger: "Det här är bara nonsens." Författarna svarar på kritiken så här: "På grund av matematiken är de faktiskt inte säkra på om det är värt att fortsätta dialogen." Den brasilianske meteorologen och chefen för det nationella centret för övervakning och förebyggande av naturkatastrofer, Jose Marengo, säger: "Jag tror att pumpen finns, men nu är allt på teorinivå. Experter på klimatmodeller accepterade det inte, men ryssarna är de bästa teoretiker i världen, så lämpliga fältexperiment måste utföras för att testa allt." Men än så länge har ingen, inte ens Makarieva själv, föreslagit sådana experiment.

Makarieva för sin del förlitar sig på teori och hävdar i en serie nyare verk att samma mekanism kan påverka tropiska cykloner - de drivs av värmen som frigörs när fukt kondenserar över havet. I tidningen Atmospheric Research 2017 föreslog hon och hennes kollegor att skogsformade biotiska pumpar drar fuktrik luft från cyklonursprung. Detta, säger hon, förklarar varför cykloner sällan bildas i södra Atlanten: Amazonas och Kongos regnskogar dränerar så mycket fukt att det finns för lite kvar för orkaner.

Ledande orkanforskare vid MIT, Kerry Emanuel, säger att de föreslagna effekterna är "betydande, men försumbara." Han föredrar andra förklaringar till frånvaron av orkaner i södra Atlanten, till exempel släpper det svala vattnet i regionen ut mindre fukt i luften och dess starka vindar förhindrar bildandet av cykloner. Makarieva, å sin sida, är lika avvisande mot traditionalister, och tror att några av de existerande teorierna om orkanernas intensitet "motsäger termodynamikens lagar". Hon har en annan artikel i Journal of Atmospheric Sciences - i väntan på granskning. "Vi är oroliga att vårt arbete, trots redaktörens stöd, kommer att avvisas igen", säger hon.

Även om Makaryevas idéer i väst anses marginella, slår de gradvis rot i Ryssland. Förra året inledde regeringen en offentlig dialog om översynen av skogsbrukslagarna. Med undantag för de gamla skyddade områdena är ryska skogar öppna för kommersiell exploatering, men regeringen och Federal Forestry Agency överväger en ny kategori - klimatskyddsskogar. "En del i vår skogsavdelning är imponerade av idén med den biotiska pumpen och vill introducera en ny kategori", säger hon. Idén stöddes också av den ryska vetenskapsakademin. Makarieva säger att att vara en del av konsensus, och inte en evig outsider, är nytt och ovanligt.

I somras stördes hennes resa till de norra skogarna av coronavirusepidemin och karantän. Hemma i S:t Petersburg satte hon sig för ännu en omgång av invändningar från anonyma recensenter. Hon är övertygad om att pumpteorin kommer att segra förr eller senare. "Det finns naturlig tröghet i vetenskapen", säger hon. Med mörk rysk humor påminner hon om orden från den legendariske tyske fysikern Max Planck, som gav den berömda beskrivningen av vetenskapens framsteg: "en serie begravningar".