Sisällysluettelo:

Metsät säätelevät ilmastoa ja tuottavat tuulta - Bioottisen pumpun teoria
Metsät säätelevät ilmastoa ja tuottavat tuulta - Bioottisen pumpun teoria

Video: Metsät säätelevät ilmastoa ja tuottavat tuulta - Bioottisen pumpun teoria

Video: Metsät säätelevät ilmastoa ja tuottavat tuulta - Bioottisen pumpun teoria
Video: Camille Saint-Saëns - Danse Macabre 2024, Maaliskuu
Anonim

Anastasia Makarieva, ydinfyysikko Pietarin ydinfysiikan instituutista, on puolustanut teoriaa, jonka mukaan Venäjän taigametsät säätelevät Aasian pohjoisten alueiden ilmastoa yli kymmenen vuoden ajan. Monet länsimaiset meteorologit ovat eri mieltä hänen kanssaan, mutta Venäjän hallitus ja tiedemiehet ovat kiinnostuneita tästä teoriasta.

Joka kesä päivien pidentyessä Anastasia Makarieva jättää laboratorionsa Pietarissa ja lähtee lomalle Venäjän pohjoisen loputtomiin metsiin. Ydinfyysikko pystyttää teltan Valkoisenmeren rannoille kuusien ja mäntyjen sekaan, ui kajakilla alueen loputtomilla joilla ja tekee muistiinpanoja luonnosta ja säästä. "Metsät ovat suuri osa henkilökohtaista elämääni", hän sanoo. 25 vuotta kestäneen vuotuisen pyhiinvaelluksen aikana pohjoiseen heistä on tullut tärkeä osa hänen työelämäänsä.

Makarieva on yli kymmenen vuoden ajan puolustanut teoriaa, jonka hän kehitti yhdessä mentorinsa ja kollegansa Viktor Gorshkovin kanssa Pietarin ydinfysiikan instituutista (PNPI) siitä, miten Venäjän boreaaliset (taiga-)metsät, suurin metsä, ovat. maan päällä säätelee Pohjois-Aasian ilmastoa. Tämä yksinkertainen mutta kauaskantoinen fysikaalinen teoria kuvaa, kuinka puiden uloshengittämä vesihöyry saa aikaan tuulia – nämä tuulet ylittävät mantereen kuljettaen kosteaa ilmaa Euroopasta Siperian halki ja edelleen Mongoliaan ja Kiinaan; nämä tuulet kantavat sateet, jotka ruokkivat Itä-Siperian jättiläisiä jokia; nämä tuulet kastelevat Kiinan pohjoistasankoa, planeetan väkirikkaimman maan viljamakasiinia.

Suuria metsiä kutsutaan usein planeetan keuhkoksi, koska ne pystyvät imemään hiilidioksidia ja hengittämään happea. Mutta Makarieva ja Gorshkov (hän kuoli viime vuonna) ovat vakuuttuneita siitä, että he ovat myös hänen sydämensä. "Metsät ovat monimutkaisia, itseään ylläpitäviä sadejärjestelmiä ja tärkeä tekijä maapallon ilmakehän kiertokulussa", Makarieva sanoo. Ne kierrättävät valtavia määriä kosteutta ilmaan ja synnyttävät samalla tuulia, jotka pumppaavat tätä vettä ympäri maailmaa. Tämän teorian ensimmäinen osa - että metsät tuottavat sadetta - on yhdenmukainen muiden tutkijoiden tutkimusten kanssa, ja se muistetaan yhä enemmän vesivaroja hoidettaessa vallitsevan metsäkadon keskellä. Mutta toinen osa, teoria, jota Makarieva kutsuu bioottiseksi pumpuksi, on paljon kiistanalaisempi.

Työn teoreettinen tausta julkaistiin - tosin vähemmän tunnetuissa aikakauslehdissä - ja Makarievaa tuki pieni ryhmä kollegoita. Mutta bioottisen pumpun teoria on saanut paljon kritiikkiä - erityisesti ilmastomallintekijöiltä. Jotkut uskovat, että pumpun vaikutus on merkityksetön, kun taas toiset kiistävät sen kokonaan. Tämän seurauksena Makarieva joutui ulkopuolisen rooliin: mallinkehittäjien joukossa teoreettinen fyysikko, länsimaisten tiedemiesten joukossa venäläinen ja miesten hallitsemalla alueella nainen.

Kuitenkin, jos hänen teoriansa pitää paikkansa, se pystyy selittämään, miksi huomattavasta etäisyydestä valtameristä huolimatta metsäisten maanosien sisäosissa sataa yhtä paljon kuin rannikolla ja miksi puuttomien maanosien sisäosissa, päinvastoin, on yleensä kuiva. Se tarkoittaa myös sitä, että metsät - Venäjän taigasta Amazonin sademetsiin - eivät kasva vain siellä, missä sää on oikea. He tekevät sen itse. "Lukemani perusteella olen päätellyt, että bioottinen pumppu toimii", sanoo Douglas Sheil, metsäekologi Norjan biotieteiden yliopistosta. Koska maailman metsien kohtalo on kyseenalainen, hän sanoo: "Vaikka olisi pienintäkään todennäköisyyttä, että tämä teoria on oikea, se on ehdottomasti otettava selvää."

Monissa meteorologian oppikirjoissa on edelleen kaavio veden kiertokulkusta luonnossa, jossa pilviin tiivistyvän ja sateen muodossa putoavan ilmakehän kosteuden pääasiallinen syy on valtameren haihtuminen. Tämä järjestelmä jättää täysin huomiotta kasvillisuuden ja erityisesti puiden roolin, jotka toimivat jättiläislähteinä. Niiden juuret imevät vettä maaperästä fotosynteesiä varten, ja lehtien mikroskooppiset huokoset haihduttavat käyttämätöntä vettä ilmaan. Tätä prosessia - eräänlaista hikoilua, vain puissa - kutsutaan transpiraatioksi. Siten yksi kypsä puu vapauttaa satoja litroja vettä päivässä. Suuren lehtien pinta-alan vuoksi metsä vapauttaa usein enemmän kosteutta ilmaan kuin samankokoinen vesistö.

Sadeparaati

Niin sanotut "lentävät joet" ovat vallitsevia tuulia, jotka imevät metsistä vapautuvaa vesihöyryä ja kuljettavat sateita kaukaisiin vesistöihin. Kiistanalainen teoria ehdottaa, että metsät itse hallitsevat tuulia.

Bioottisen pumpputeorian mukaan metsät eivät aiheuta vain sadetta, vaan myös tuulta. Kun vesihöyry tiivistyy rannikkometsien päälle, ilmanpaine laskee ja syntyy tuulia, jotka imevät kosteaa meriilmaa. Haihtumis- ja kondensaatiokierrot synnyttävät tuulia, jotka kantavat sadetta tuhansia kilometrejä sisämaahan.

Joten noin 80% Kiinan sateista tulee lännestä Trans-Siperian lentävän joen ansiosta. Ja lentävä Amazonjoki tarjoaa 70 prosenttia Etelä-Amerikan kaakkoisosan sateista.

Tämän sekundäärisen kosteuden rooli ravinnesateiden muodostumisessa jäi suurelta osin huomiotta vuoteen 1979 asti, jolloin brasilialainen meteorologi Eneas Salati tutki Amazonin altaan sadeveden isotooppikoostumusta. Kävi ilmi, että haihtumalla palautettava vesi sisältää enemmän molekyylejä, joissa on raskas isotooppi happi-18, kuin merestä haihtunut vesi. Joten Salati osoitti, että puolet Amazonin sateista putosi metsien haihtumisen seurauksena.

Meteorologit seurasivat ilmasuihkua metsän yllä noin 1,5 kilometrin korkeudessa. Nämä tuulet - joita kutsutaan yhteisesti Etelä-Amerikan alemmaksi suihkuvirtaukseksi - puhaltavat lännestä itään Amazonin yli kilpapyörän nopeudella, minkä jälkeen Andien vuoret vetävät ne etelään. Salati ja muut ehdottivat, että he kantoivat suurimman osan vapautuneesta kosteudesta ja kutsuivat heitä "lentäväksi joeksi". Brasilian kansallisen avaruustutkimusinstituutin ilmastotieteilijä Antonio Nopen mukaan lentävä Amazonjoki kuljettaa nykyään yhtä paljon vettä kuin maan alla oleva jättiläinen joki.

Jonkin aikaa uskottiin, että lentävät joet rajoittuivat Amazonin altaaseen. Mutta 1990-luvulla Deltfen teknillisen yliopiston hydrologi Hubert Savenije alkoi tutkia kosteuden kierrätystä Länsi-Afrikassa. Hän havaitsi säätietojen hydrologisen mallin avulla, että mitä kauempana rannikosta sisämaahan on, sitä suurempi osuus metsistä putoaa – jopa 90 % sisämaassa. Tämä löytö selittää, miksi sisä-Sahel on kuivumassa: rannikkometsät ovat kadonneet viimeisen puolen vuosisadan aikana.

Yksi Savenierin oppilaista, Ruud van der Ent, kehitti ideaansa luomalla globaalin mallin kosteusilmavirtauksesta. Hän yhdisti havainnot sateesta, kosteudesta, tuulen nopeudesta ja lämpötilasta sekä teoreettiset arviot haihtumista ja haihtumisesta ja loi ensimmäisen mallin kosteuden kulkeutumisesta vesistöalueiden ulkopuolella.

Vuonna 2010 Van der Ent ja hänen kollegansa julkistivat havaintonsa, että maailmanlaajuisesti 40 % kaikista sateista tulee maalla, ei valtamerissä. Usein jopa enemmän. Lentävä Amazon-joki tuottaa 70 prosenttia sateista Rio de la Platan altaan alueella, joka ulottuu Etelä-Amerikan kaakkoisosaan. Van der Ent oli melko yllättynyt huomatessaan, että Kiina saa 80% vedestään lännestä - lisäksi se on pääasiassa Atlantin kosteutta, jota prosessoivat Skandinavian ja Venäjän taigametsät. Matkassa on useita vaiheita - haihtumisjaksoja ja niihin liittyviä sateita - ja se kestää kuusi kuukautta tai enemmän. "Tämä on ristiriidassa aiemman tiedon kanssa, jonka kaikki oppivat lukiossa", hän sanoo. "Kiina on lähellä merta, Tyyntä valtamerta, mutta suurin osa sen sateista on kosteutta maalta kaukaa lännessä."

Jos Makarieva on oikeassa, metsät eivät tarjoa vain kosteutta, vaan luovat myös tuulen, joka kuljettaa sitä.

Hän työskenteli Gorshkovin kanssa neljännesvuosisadan ajan. Hän aloitti opiskelijana PNPI:ssä, joka on Venäjän suurimman siviili- ja sotilasalan ydintutkimuslaitoksen Kurchatov-instituutin alaosasto. He työskentelivät alusta alkaen kentällä ja harjoittivat ekologiaa instituutissa, jossa fyysikot tutkivat materiaaleja ydinreaktoreilla ja neutronisäteillä. Teoreetikoina hän muistelee, että heillä oli "poikkeuksellinen tutkimuksen ja ajattelun vapaus" - he harjoittivat ilmakehän fysiikkaa, minne se veikin. "Victor opetti minulle: älä pelkää mitään", hän sanoo.

Vuonna 2007 he esittelivät ensimmäisen kerran teoriansa bioottisesta pumpusta Hydrology and Earth Sciences -lehdessä. Sitä pidettiin alun alkaen provokatiivisena, koska se oli ristiriidassa meteorologian pitkäaikaisen periaatteen kanssa: tuulet johtuvat pääasiassa ilmakehän erilaisesta lämpenemisestä. Lämpimän ilman noustessa se alentaa alla olevien kerrosten painetta ja luo itselleen uutta tilaa pintaan. Esimerkiksi kesällä maan pinta lämpenee nopeammin ja houkuttelee kosteat tuulet viileämmistä valtameristä.

Makarieva ja Gorshkov väittävät, että toisinaan vallitsee erilainen prosessi. Kun metsän vesihöyry tiivistyy pilviksi, kaasu muuttuu nesteeksi - ja se vie vähemmän tilaa. Tämä alentaa ilmanpainetta ja imee ilmaa vaakasuunnassa alueilta, joilla on vähemmän kondensaatiota. Käytännössä tämä tarkoittaa, että rannikkometsien yli tiivistynyt vesi muodostaa merituulen, joka työntää kosteaa ilmaa sisätiloihin, jossa se lopulta tiivistyy ja putoaa sateena. Jos metsät ulottuvat sisämaahan, kiertokulku jatkuu pitäen kosteat tuulet tuhansia kilometrejä.

Tämä teoria kumoaa perinteisen näkemyksen: hydrologista kiertoa ei ohjaa ilmakehän kiertokulku, vaan päinvastoin, hydrologinen kierto säätelee ilman massakiertoa.

Sheel, ja hänestä tuli teorian kannattaja yli kymmenen vuotta sitten, pitää sitä lentävien jokien idean kehityksenä. "Ne eivät ole toisiaan poissulkevia", hän sanoo. "Pumppu selittää jokien voimakkuuden." Hän uskoo, että bioottinen pumppu selittää "kylmän Amazonin paradoksin". Tammikuusta kesäkuuhun, jolloin Amazonin altaat ovat kylmempiä kuin valtameri, voimakkaat tuulet puhaltavat Atlantilta Amazonille - vaikka differentiaalilämmitysteoria ehdottaisi muuta. Nobre, toinen pitkäaikainen kannattaja, selittää innostuneesti: "Ne eivät ole peräisin tiedoista, vaan niiden taustalla olevista periaatteista."

Jopa ne, jotka epäilevät teoriaa, ovat yhtä mieltä siitä, että metsien häviämisellä on kauaskantoisia seurauksia ilmastolle. Monet tutkijat väittävät, että tuhansia vuosia sitten tapahtunut metsien hävittäminen johti Australian sisämaan ja Länsi-Afrikan aavikoimiseen. On olemassa riski, että metsien hävittäminen johtaa tulevaisuudessa kuivuuteen muilla alueilla, esimerkiksi osa Amazonin sademetsistä muuttuu savanniksi. Myös Kiinan maatalousalueet, Afrikan Sahel ja Argentiinan pampat ovat vaarassa, sanoo Patrick Keys, ilmakehäkemisti Coloradon yliopistosta Fort Collinsista.

Vuonna 2018 Kees ja kollegat käyttivät van der Entin mallin kaltaista mallia sadelähteiden seuraamiseen 29 globaalilla suurkaupunkialueella. Hän havaitsi, että suurin osa 19:n vesihuollosta riippuu syrjäisistä metsistä, mukaan lukien Karachista (Pakistan), Wuhanista ja Shanghaista (Kiina), New Delhistä ja Kolkatasta (Intia)."Pienetkin muutokset sademäärässä, jotka johtuvat maankäytön muutoksista myötätuulen suunnassa, voivat vaikuttaa suuresti kaupunkien vesivarantojen haurauteen", hän sanoo.

Jotkut mallit jopa viittaavat siihen, että metsien hävittäminen tuhoamalla kosteuslähteen uhkaa muuttaa sääolosuhteita kauas kelluvien jokien ulkopuolella. Kuten tiedätte, El Niño - tuulen lämpötilan ja virtausten vaihtelut trooppisella Tyynellämerellä - vaikuttaa epäsuorasti syrjäisten paikkojen säähän. Samoin Amazonin metsien hävittäminen voisi vähentää sademäärää Yhdysvaltain Keskilännen alueella ja lumipeitettä Sierra Nevadassa, sanoo Miamin yliopiston ilmastotieteilijä Roni Avissar, joka mallintaa tällaisia yhteyksiä. Kaukaa haettu? "Ei ollenkaan", hän vastaa. "Tiedämme, että El Niño pystyy tähän, koska toisin kuin metsien hävittäminen, tämä ilmiö toistaa itseään ja havaitsemme kaavan. Molemmat johtuvat pienistä lämpötilan muutoksista ja kosteudesta, joka vapautuu ilmakehään."

Tukholman yliopiston tutkija Lan Wang-Erlandsson, joka tutkii maan, veden ja ilmaston vuorovaikutusta, sanoo, että on aika siirtyä veden ja maanalaisen veden käytöstä tietyssä vesistöalueessa maankäytön muutoksiin sen jälkeen. "Tarvitaan uusia kansainvälisiä hydrologisia sopimuksia metsien ylläpitämiseksi alueilla, joilla ilmamassoja muodostuu", hän sanoo.

Kaksi vuotta sitten YK:n metsäfoorumin kokouksessa, johon osallistuvat kaikkien maiden hallitukset, Bernin yliopiston maantutkija David Ellison esitteli tapaustutkimuksen. Hän osoitti, että jopa 40 % kokonaissateesta Etiopian ylängöllä, Niilin päälähteellä, tulee kosteudesta, joka palaa Kongon altaan metsistä. Egypti, Sudan ja Etiopia neuvottelevat pitkään odotetusta sopimuksesta Niilin vesien jakamisesta. Mutta tällainen sopimus olisi merkityksetön, jos metsäkadot Kongon altaalla, kaukana näistä kolmesta maasta, kuivattavat kosteuden lähteen, Ellison ehdotti. "Metsien ja veden välinen suhde maailman makean veden hallinnassa jätetään lähes kokonaan huomiotta."

Bioottisen pumpun teoria nostaa panoksia entisestään, sillä metsien häviämisen odotetaan vaikuttavan kosteuslähteiden lisäksi myös tuuliin. Ellison varoittaa, että jos teoria vahvistetaan, se on "kriittinen planeettojen ilmankiertomalleille" - erityisesti niille, jotka kuljettavat kosteaa ilmaa sisämaahan.

Mutta toistaiseksi teorian kannattajat ovat vähemmistössä. Vuonna 2010 Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre ja Bai-Liang Li, ekologi Kalifornian yliopistosta Riversidesta, toimittivat historiallisen kuvauksensa bioottisesta pumpusta Atmospheric Chemistry and Physics -julkaisussa, joka on tärkeä aihelehti, jossa on avoin vertaisarviointi. Mutta artikkeli "Mistä tuulet tulevat?" sitä kritisoitiin Internetissä, ja lehdestä kesti useita kuukausia löytää vain kaksi tiedemiestä arvioimaan sitä. Isaac Held, meteorologi Princetonin yliopiston Geophysical Fluid Dynamics Laboratorysta, tarjoutui vapaaehtoiseksi - ja suositteli julkaisun hylkäämistä. "Tämä ei ole mystinen vaikutus", hän sanoo. "Se on yleensä merkityksetöntä, ja lisäksi se on jo otettu huomioon useissa ilmakehän malleissa." Kriitikot sanovat, että ilman laajeneminen vesihöyryn tiivistymisestä syntyvästä lämmöstä vastustaa tiivistymisen avaruudellista vaikutusta. Mutta Makarieva sanoo, että nämä kaksi vaikutusta eroavat toisistaan: lämpeneminen tapahtuu korkeudessa ja kondensaatiopaineen lasku tapahtuu lähempänä pintaa, jossa syntyy bioottista tuulta.

Toinen arvioija oli Judith Curry, Georgia Institute of Technologyn ilmakehän fyysikko. Hän on pitkään huolissaan ilmakehän tilasta ja katsonut, että artikkeli pitäisi julkaista, koska "vastakkainasettelulla on huono vaikutus ilmastoon ja hän tarvitsee verta nenästä fyysikoille". Kolmen vuoden keskustelun jälkeen lehden toimittaja hylkäsi Heldin suosituksen ja julkaisi artikkelin. Mutta samalla hän totesi, että julkaisua ei voida pitää hyväksyntänä, vaan se toimii tieteellisenä vuoropuheluna kiistanalaisesta teoriasta - sen vahvistamiseksi tai kumoamiseksi.

Sen jälkeen vahvistusta tai kumoamista ei ole tullut - vastakkainasettelu jatkui. Columbian yliopiston ilmastosimulaattori Gavin Schmidt sanoo: "Tämä on vain hölynpölyä." Kirjoittajat vastaavat kritiikkiin näin: "Itse asiassa matematiikan takia he eivät ole varmoja, kannattaako dialogia jatkaa." Brasilialainen meteorologi ja luonnonkatastrofien seuranta- ja ehkäisykeskuksen johtaja Jose Marengo sanoo: "Luulen, että pumppu on olemassa, mutta nyt se on teorian tasolla. Ilmastomallien asiantuntijat eivät hyväksyneet sitä, mutta venäläiset ovat maailman parhaita teoreetikoita, joten asianmukaisia kenttäkokeita on tehtävä kaiken testaamiseksi." Mutta toistaiseksi kukaan, ei edes Makarieva itse, ei ole ehdottanut tällaisia kokeita.

Makarieva puolestaan luottaa teoriaan ja väittää useissa viimeaikaisissa töissä, että sama mekanismi voi vaikuttaa trooppisiin sykloniin - niitä ohjaa lämpö, joka vapautuu kosteuden tiivistyessä valtameren yli. Vuoden 2017 Atmospheric Research -sanomalehdessä hän ja hänen kollegansa ehdottivat, että metsänmuotoiset bioottiset pumput imevät kosteutta runsaasti ilmaa syklonin alkuperästä. Tämä selittää hänen mukaansa sen, miksi hirmumyrskyjä syntyy harvoin Etelä-Atlantin valtamerellä: Amazonin ja Kongon sademetsät valuttavat niin paljon kosteutta, että hurrikaaneille jää liian vähän jäljelle.

MIT:n johtava hurrikaanitutkija Kerry Emanuel sanoo, että ehdotetut vaikutukset ovat "merkittäviä, mutta merkityksettömiä". Hän pitää Etelä-Atlantin hurrikaanien puuttumisesta parempana muita selityksiä, esimerkiksi alueen viileät vedet vapauttavat vähemmän kosteutta ilmaan ja sen voimakkaat tuulet estävät syklonien muodostumisen. Makarieva puolestaan on yhtä halveksivainen tradicionalisteja kohtaan, koska hän uskoo, että jotkut olemassa olevista hurrikaanien voimakkuutta koskevista teorioista "ovat ristiriidassa termodynamiikan lakien kanssa". Hänellä on toinen artikkeli Journal of Atmospheric Sciences -lehdessä - odottaa tarkistusta. "Olemme huolissamme siitä, että toimittajan tuesta huolimatta työmme hylätään jälleen", hän sanoo.

Vaikka lännessä Makaryevan ajatuksia pidetään marginaalisina, Venäjällä ne juurtuvat vähitellen. Hallitus käynnisti viime vuonna julkisen vuoropuhelun metsälainsäädännön uudistamisesta. Venäjän metsät ovat vanhoja suojelualueita lukuun ottamatta avoinna kaupalliseen hyödyntämiseen, mutta hallitus ja liittovaltion metsävirasto harkitsevat uutta luokkaa - ilmastonsuojelumetsiä. "Jotkut metsäosastollamme ovat vaikuttuneita ideasta bioottisesta pumpusta ja haluavat ottaa käyttöön uuden kategorian", hän sanoo. Ajatusta tuki myös Venäjän tiedeakatemia. Makarieva sanoo, että konsensuksen osana oleminen, ei ikuisena ulkopuolisena, on uutta ja epätavallista.

Tänä kesänä hänen matkaansa pohjoisiin metsiin häiritsi koronavirusepidemia ja karanteeni. Kotona Pietarissa hän istuutui jälleen vastalauseeseen nimettömiltä arvioijilta. Hän on vakuuttunut siitä, että pumpputeoria voittaa ennemmin tai myöhemmin. "Tieteessä on luonnollinen inertia", hän sanoo. Tummalla venäläisellä huumorilla hän muistuttaa legendaarisen saksalaisen fyysikon Max Planckin sanat, joka antoi kuuluisan kuvauksen tieteen edistymisestä: "hautajaisten sarja".

Suositeltava: