Skove regulerer klimaet og producerer vind - Biotisk pumpeteori

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Anastasia Makarieva, en kernefysiker fra St. Petersburg Institute of Nuclear Physics, har forsvaret teorien om, at taigaskovene i Rusland regulerer klimaet i nordlige regioner i Asien i mere end ti år. Mange vestlige meteorologer er uenige med hende, men regeringen og videnskabsmænd i Rusland er interesserede i denne teori.

Hver sommer, når dagene bliver længere, forlader Anastasia Makarieva sit laboratorium i St. Petersborg og tager på ferie til de endeløse skove i det russiske nord. En atomfysiker slår et telt op ved Hvidehavets kyster, blandt graner og fyrretræer, svømmer i kajak på regionens endeløse floder og tager noter om natur og vejr. "Skove er en stor del af mit personlige liv," siger hun. For 25 års årlig pilgrimsvandring mod nord er de blevet en vigtig del af hendes professionelle liv.

I mere end ti år har Makarieva forsvaret teorien, som hun udviklede sammen med Viktor Gorshkov, hendes mentor og kollega fra Petersburg Institute of Nuclear Physics (PNPI), om hvordan de boreale (taiga) skove i Rusland, den største skov på Jorden, regulere klimaet i det nordlige Asien. Denne enkle, men vidtrækkende fysiske teori beskriver, hvordan vanddampen udåndet af træer skaber vinde – disse vinde krydser kontinentet og fører fugtig luft fra Europa over Sibirien og videre til Mongoliet og Kina; disse vinde bærer regnen, der fodrer de gigantiske floder i det østlige Sibirien; disse vinde vander den nordlige slette i Kina, kornmagasinet i det mest folkerige land på planeten.

På grund af dens evne til at absorbere kuldioxid og udånde ilt, omtales store skove ofte som planetens lunger. Men Makarieva og Gorshkov (han døde sidste år) er overbevist om, at de også er hendes hjerte. "Skove er komplekse, selvbærende regnsystemer og en vigtig faktor i atmosfærens cirkulation på Jorden," siger Makarieva. De recirkulerer enorme mængder fugt til luften og skaber i processen vinde, der pumper dette vand rundt i verden. Den første del af denne teori - at skove laver regn - stemmer overens med forskning fra andre videnskabsmænd og bliver i stigende grad husket, når man forvalter vandressourcer midt i en voldsom skovrydning. Men den anden del, teorien som Makarieva kalder den biotiske pumpe, er meget mere kontroversiel.

Den teoretiske baggrund for arbejdet blev publiceret - dog i mindre kendte tidsskrifter - og Makarieva blev støttet af en lille gruppe kolleger. Men teorien om biotiske pumper har fået en byge af kritik – især fra klimamodelbyggere. Nogle mener, at pumpens påvirkning er ubetydelig, mens andre benægter det helt. Som et resultat befandt Makarieva sig selv i rollen som en outsider: en teoretisk fysiker blandt modeludviklere, en russer blandt vestlige videnskabsmænd og en kvinde i et område styret af mænd.

Men hvis hendes teori er korrekt, vil den være i stand til at forklare, hvorfor der, på trods af den betydelige afstand fra havene, i det indre af skovklædte kontinenter falder lige så meget nedbør som på kysten, og hvorfor det indre af træløse kontinenter, på tværtimod, er normalt tør. Det indebærer også, at skove - fra den russiske taiga til regnskovene i Amazonas - ikke bare vokser, hvor vejret er til det. De laver det selv. "Ud fra det, jeg læste, har jeg konkluderet, at den biotiske pumpe virker," siger Douglas Sheil, skovøkolog ved Norges Biovidenskabelige Universitet. Da verdens skoves skæbne er i tvivl, siger han: "Selvom der er den mindste chance for, at denne teori er korrekt, er det bydende nødvendigt at finde ud af det med sikkerhed."

Mange lærebøger om meteorologi giver stadig et diagram over vandets kredsløb i naturen, hvor hovedårsagen til atmosfærisk fugt, som kondenserer i skyer og falder i form af regn, er havets fordampning. Denne ordning ignorerer fuldstændig vegetationens og især træernes rolle, der fungerer som gigantiske springvand. Deres rødder trækker vand fra jorden til fotosyntese, og mikroskopiske porer i bladene fordamper ubrugt vand til luften. Denne proces - en slags sved, kun i træer - kaldes transpiration. Således frigiver ét modent træ hundredvis af liter vand om dagen. På grund af det store løvareal afgiver skoven ofte mere fugt til luften end en vandmasse af samme størrelse.

Regn parade

De såkaldte "flyvende floder" er de fremherskende vinde, der absorberer vanddamp udsendt fra skove og leverer regn til fjerne vandområder. En kontroversiel teori antyder, at skovene selv styrer vindene.

Ifølge den biotiske pumpeteori forårsager skove ikke kun regn, men også vind. Når vanddamp kondenserer over kystnære skove, falder lufttrykket, og der skabes vinde, der suger fugtig havluft ind. Cykler af transpiration og kondens skaber vinde, der fører regn tusindvis af kilometer ind i landet.

Så omkring 80% af nedbøren i Kina kommer fra vest takket være den transsibiriske flyvende flod. Og den flyvende Amazonflod giver 70 % af nedbøren i den sydøstlige del af Sydamerika.

Denne sekundære fugts rolle i dannelsen af næringsregn blev stort set overset indtil 1979, hvor den brasilianske meteorolog Eneas Salati undersøgte den isotopiske sammensætning af regnvand fra Amazonasbassinet. Det viste sig, at vandet, der returneres ved transpiration, indeholder flere molekyler med den tunge isotop oxygen-18, end vand fordampet fra havet. Så Salati viste, at halvdelen af nedbøren over Amazonas faldt som følge af skovfordampning.

Meteorologer sporede den atmosfæriske jet over skoven i en højde af omkring 1,5 kilometer. Disse vinde - samlet omtalt som den sydamerikanske lavere jetstrøm - blæser fra vest til øst over Amazonas med en racercykels hastighed, hvorefter Andesbjergene trækker dem sydpå. Salati og andre foreslog, at det var dem, der bar hovedparten af den frigivne fugt, og kaldte dem "den flyvende flod." Ifølge klimatolog Antonio Nope ved Brazilian National Space Research Institute, fører den flyvende Amazonflod lige så meget vand i dag som den gigantiske Jords flod under sig.

I en periode troede man, at de flyvende floder var begrænset til Amazonas-bassinet. Men i 1990'erne begyndte hydrolog Hubert Savenije ved Deltfe University of Technology at studere fugt recirkulation i Vestafrika. Ved hjælp af en hydrologisk model på vejrdata fandt han ud af, at jo længere inde i landet fra kysten, jo højere andel af nedbør falder fra skove - op til 90 % i det indre. Denne opdagelse forklarer, hvorfor det indre Sahel bliver mere tørt: kystskove er forsvundet i løbet af det sidste halve århundrede.

En af Saveniers elever, Ruud van der Ent, udviklede sin idé ved at skabe en global model for fugtluftstrøm. Han samlede observationer af nedbør, fugtighed, vindhastighed og temperatur og teoretiske estimater af fordampning og transpiration og skabte den første model for fugttransport på skalaer ud over flodbassiner.

I 2010 afslørede Van der Ent og hans kolleger deres konstatering af, at globalt set sker 40% af al nedbør på land, ikke på havet. Ofte endnu mere. Den flyvende Amazonflod giver 70 % af nedbøren i Rio de la Plata-bassinet, som strækker sig over det sydøstlige Sydamerika. Van der Ent var ret overrasket over at opdage, at Kina modtager 80% af sit vand fra vest - desuden er det hovedsageligt atlantisk fugt, som behandles af taiga-skovene i Skandinavien og Rusland. Rejsen har flere etaper - transpirationscyklusser med tilhørende regn - og tager seks måneder eller mere. "Dette modsiger den tidligere information, som alle lærer i gymnasiet," siger han. "Kina ligger tæt på havet, Stillehavet, men det meste af dets nedbør er fugt fra land i det fjerne vest."

Hvis Makarieva har ret, giver skovene ikke kun fugt, men skaber også vinden, der bærer den.

Hun arbejdede med Gorshkov i et kvart århundrede. Hun startede som studerende på PNPI, en underafdeling af Kurchatov Institute, det største russiske nukleare forskningsinstitut, både civilt og militært. Helt fra begyndelsen arbejdede de i marken og var engageret i økologi på instituttet, hvor fysikere studerer materialer ved hjælp af atomreaktorer og neutronstråler. Som teoretikere, husker hun, havde de "exceptionel frihed til forskning og tankegang," - de var engageret i atmosfærisk fysik, hvor end det tog dem. "Victor lærte mig: frygt ingenting," siger hun.

I 2007 præsenterede de første gang deres teori om den biotiske pumpe i tidsskriftet Hydrology and Earth Sciences. Det blev betragtet som provokerende fra begyndelsen, fordi det var i modstrid med et mangeårigt meteorologiprincip: vinde skyldes hovedsageligt differentiel opvarmning af atmosfæren. Når den varme luft stiger, sænker den trykket af lagene under, hvilket i det væsentlige skaber ny plads til sig selv på overfladen. Om sommeren opvarmes jordoverfladen for eksempel hurtigere og tiltrækker fugtige brise fra det køligere hav.

Makarieva og Gorshkov hævder, at nogle gange hersker en anden proces. Når vanddamp fra skoven kondenserer til skyer, bliver gassen til en væske – og den fylder mindre. Dette reducerer lufttrykket og suger luft vandret ind fra områder med mindre kondens. I praksis betyder det, at kondens over kystnære skove skaber en havbrise, der presser fugtig luft ind i det indre, hvor den til sidst kondenserer og falder som regn. Hvis skovene strækker sig ind i landet, fortsætter cyklussen og opretholder fugtige vinde i tusindvis af kilometer.

Denne teori vælter den traditionelle opfattelse: det er ikke den atmosfæriske cirkulation, der styrer den hydrologiske cyklus, men tværtimod regulerer den hydrologiske cyklus luftens massecirkulation.

Sheel, og han blev tilhænger af teorien for mere end ti år siden, anser det for at være en udvikling af ideen om flyvende floder. "De udelukker ikke hinanden," siger han. "Pumpen forklarer styrken af floderne." Han mener, at den biotiske pumpe forklarer det "kolde Amazonas paradoks." Fra januar til juni, hvor Amazonasbassinet er koldere end havet, blæser der kraftige vinde fra Atlanterhavet til Amazonas - selvom teorien om differentiel opvarmning antyder noget andet. Nobre, en anden mangeårig fortaler, forklarer entusiastisk: "De kommer ikke fra data, men fra underliggende principper."

Selv de, der tvivler på teorien, er enige om, at tabet af skove har vidtrækkende konsekvenser for klimaet. Mange videnskabsmænd hævder, at skovrydning for tusinder af år siden førte til ørkendannelse af det indre australske land og Vestafrika. Der er en risiko for, at skovrydning i fremtiden vil føre til tørke i andre regioner, for eksempel vil en del af Amazonas regnskoven blive til savanne. Kinas landbrugsregioner, den afrikanske Sahel og de argentinske pampas er også i fare, siger Patrick Keys, en atmosfærisk kemiker ved University of Colorado, Fort Collins.

I 2018 brugte Kees og kolleger en model svarende til van der Ents til at spore nedbørskilder for 29 globale storbyområder. Han fandt ud af, at det meste af vandforsyningen til 19 af dem afhænger af fjerntliggende skove, herunder Karachi (Pakistan), Wuhan og Shanghai (Kina), New Delhi og Kolkata (Indien)."Selv små ændringer i nedbør forårsaget af ændringer i arealanvendelsen i modvind kan have stor indflydelse på byernes vandforsynings skrøbelighed," siger han.

Nogle modeller tyder endda på, at skovrydning ved at ødelægge fugtkilden truer med at ændre vejrforholdene langt ud over de flydende floder. El Niño – udsving i vindtemperatur og strømme i det tropiske Stillehav – påvirker som bekendt indirekte vejret på fjerntliggende steder. Ligeledes kan skovrydning i Amazonas reducere nedbør i det amerikanske midtvest og snedække i Sierra Nevada, siger klimatolog Roni Avissar ved University of Miami, som modellerer sådanne forbindelser. Langt ude? "Slet ikke," svarer han. "Vi ved, at El Niño er i stand til dette, for i modsætning til skovrydning gentager dette fænomen sig selv, og vi observerer et mønster. Begge er forårsaget af små ændringer i temperatur og fugt, der frigives til atmosfæren."

Stockholm University-forsker Lan Wang-Erlandsson, der forsker i samspillet mellem jord, vand og klima, siger, at det er på tide at skifte fra brug af vand og undergrunden i et bestemt flodbassin til ændring af arealanvendelse udenfor. "Nye internationale hydrologiske aftaler er nødvendige for at opretholde skove i områder, hvor der dannes luftmasser," siger hun.

For to år siden, på et møde i FN's Forum for Skove, hvor regeringer i alle lande deltager, præsenterede jordforsker fra University of Bern David Ellison et casestudie. Han demonstrerede, at op til 40 % af den samlede nedbør i det etiopiske højland, Nilens hovedkilde, kommer fra fugt, der vender tilbage fra skovene i Congo-bassinet. Egypten, Sudan og Etiopien forhandler om en for længst forsinket aftale om at dele Nilens farvande. Men en sådan aftale ville være meningsløs, hvis skovrydning i Congo-bassinet, langt fra de tre lande, udtørrer fugtkilden, foreslog Ellison. "Forholdet mellem skove og vand i forvaltningen af verdens ferskvand ignoreres næsten fuldstændigt."

Den biotiske pumpeteori vil øge indsatsen endnu mere, da skovtab forventes at påvirke ikke kun fugtkilder, men også vindmønstre. Ellison advarer om, at teorien, hvis den bekræftes, vil være "kritisk for planetariske luftcirkulationsmodeller" - især dem, der transporterer fugtig luft ind i landet.

Men indtil videre er tilhængerne af teorien i mindretal. I 2010 indsendte Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre og Bai-Liang Li, en økolog ved University of California, Riverside, deres historiske beskrivelse af den biotiske pumpe i Atmospheric Chemistry and Physics, et stort fagtidsskrift med åben peer review. Men artiklen "Hvor kommer vindene fra?" blev kritiseret på internettet, og det tog magasinet mange måneder at finde kun to videnskabsmænd til at anmelde det. Isaac Held, en meteorolog ved Geophysical Fluid Dynamics Laboratory ved Princeton University, meldte sig frivilligt - og anbefalede, at publikationen blev afvist. "Dette er ikke en mystisk effekt," siger han. "Det er generelt ubetydeligt og er desuden allerede taget i betragtning i en række atmosfæriske modeller." Kritikere siger, at udvidelsen af luft fra den varme, der genereres ved kondensering af vanddamp, modvirker den rumlige virkning af kondens. Men Makarieva siger, at disse to effekter er rumligt adskilt: Opvarmning sker i højden, og faldet i kondenseringstrykket sker tættere på overfladen, hvor der skabes biotisk vind.

En anden anmelder var Judith Curry, en atmosfærisk fysiker ved Georgia Institute of Technology. Hun har længe bekymret sig om atmosfærens tilstand og følt, at artiklen burde offentliggøres, fordi "konfrontationen har en dårlig effekt på klimatologien, og hun har brug for blod fra næsen til fysikere." Efter tre års debat afviste redaktøren af bladet Helds anbefaling og offentliggjorde artiklen. Men samtidig bemærkede han, at publikationen ikke kan betragtes som en godkendelse, men den vil tjene som en videnskabelig dialog om en kontroversiel teori – for at bekræfte eller afkræfte den.

Siden da er der ikke kommet nogen bekræftelse eller afkræftelse ud – konfrontationen fortsatte. Columbia University klimasimulator Gavin Schmidt siger: "Dette er bare nonsens." Forfatterne reagerer på kritik sådan her: "Faktisk er de på grund af matematikken ikke sikre på, om det er værd at fortsætte dialogen." Den brasilianske meteorolog og leder af det nationale center for overvågning og forebyggelse af naturkatastrofer, Jose Marengo, siger: "Jeg tror, pumpen eksisterer, men nu er det hele på teoriniveau. Eksperter i klimamodeller accepterede det ikke, men russerne er de bedste teoretikere i verden, så passende felteksperimenter skal udføres for at teste alt." Men indtil videre har ingen, ikke engang Makarieva selv, foreslået sådanne eksperimenter.

Makarieva er for sin del afhængig af teori og argumenterer i en række nyere værker for, at den samme mekanisme kan påvirke tropiske cykloner – de drives af den varme, der frigives, når fugt kondenserer over havet. I avisen Atmospheric Research fra 2017 foreslog hun og hendes kolleger, at skovformede biotiske pumper trækker fugtrig luft fra cyklonoprindelse. Dette, siger hun, forklarer, hvorfor cykloner sjældent dannes i det sydlige Atlanterhav: Amazonas og Congos regnskov dræner så meget fugt, at der er for lidt tilbage til orkaner.

Ledende orkanforsker ved MIT, Kerry Emanuel, siger, at de foreslåede effekter er "betydelige, men ubetydelige." Han foretrækker andre forklaringer frem for fraværet af orkaner i det sydlige Atlanterhav, for eksempel frigiver det kølige vand i regionen mindre fugt til luften, og dets stærke vinde forhindrer dannelsen af cykloner. Makarieva på sin side er lige så afvisende over for traditionalister og mener, at nogle af de eksisterende teorier om orkanernes intensitet "strider mod termodynamikkens love." Hun har en anden artikel i Journal of Atmospheric Sciences - afventer anmeldelse. "Vi er bekymrede for, at vores arbejde trods redaktørens opbakning vil blive afvist igen," siger hun.

Selvom Makaryevas ideer i Vesten betragtes som marginale, slår de gradvist rod i Rusland. Sidste år indledte regeringen en offentlig dialog om revision af skovbrugslovene. Med undtagelse af de gamle beskyttede områder er russiske skove åbne for kommerciel udnyttelse, men regeringen og det føderale skovbrugsagentur overvejer en ny kategori - klimabeskyttelsesskove. "Nogle i vores skovafdeling er imponerede over ideen om den biotiske pumpe og ønsker at introducere en ny kategori," siger hun. Idéen blev også støttet af det russiske videnskabsakademi. Makarieva siger, at det er nyt og usædvanligt at være en del af konsensus og ikke en evig outsider.

Denne sommer blev hendes tur til de nordlige skove forstyrret af coronavirus-epidemien og karantæne. Hjemme i Sankt Petersborg satte hun sig til endnu en omgang indsigelser fra anonyme anmeldere. Hun er overbevist om, at pumpeteorien vil sejre før eller siden. "Der er naturlig inerti i videnskaben," siger hun. Med mørk russisk humor minder hun om ordene fra den legendariske tyske fysiker Max Planck, der gav den berømte beskrivelse af videnskabens fremskridt: "en række begravelser."