Woude reguleer klimaat en produseer wind - biotiese pompteorie

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Anastasia Makarieva, 'n kernfisikus van die St. Petersburg Instituut vir Kernfisika, verdedig al vir meer as tien jaar die teorie dat die taiga-woude van Rusland die klimaat van noordelike streke van Asië reguleer. Baie Westerse meteoroloë stem nie met haar saam nie, maar die regering en wetenskaplikes in Rusland stel in hierdie teorie belang.

Elke somer, soos die dae langer word, verlaat Anastasia Makarieva haar laboratorium in St. Petersburg en gaan met vakansie na die eindelose woude van die Russiese Noorde.’n Kernfisikus slaan’n tent op aan die kus van die Witsee, tussen denne en denne, swem in’n kajak op die eindelose riviere van die streek en neem aantekeninge oor die natuur en weer. "Woude is 'n groot deel van my persoonlike lewe," sê sy. Vir 25 jaar se jaarlikse pelgrimstog na die noorde het hulle 'n belangrike deel van haar professionele lewe geword.

Makarieva verdedig al meer as tien jaar die teorie, wat sy saam met Viktor Gorshkov, haar mentor en kollega van die Petersburg Institute of Nuclear Physics (PNPI) ontwikkel het, oor hoe die boreale (taiga) woude van Rusland, die grootste woud, op Aarde, reguleer die klimaat van Noord-Asië. Hierdie eenvoudige maar verreikende fisiese teorie beskryf hoe die waterdamp wat deur bome uitgeasem word winde skep – hierdie winde steek die vasteland oor en dra vogtige lug van Europa oor Siberië en verder na Mongolië en China; hierdie winde dra die reën wat die reuseriviere van Oos-Siberië voed; hierdie winde water die noordelike vlakte van China, die graanskuur van die mees bevolkte land op die planeet.

As gevolg van sy vermoë om koolstofdioksied te absorbeer en suurstof uit te asem, word daar dikwels na groot woude verwys as die longe van die planeet. Maar Makarieva en Gorshkov (hy is verlede jaar dood) is oortuig dat hulle ook haar hart is. "Woude is komplekse, selfonderhoudende reënstelsels en 'n belangrike faktor in die sirkulasie van die atmosfeer op Aarde," sê Makarieva. Hulle hersirkuleer groot hoeveelhede vog in die lug en skep in die proses winde wat hierdie water oor die wêreld pomp. Die eerste deel van hierdie teorie - dat woude reën maak - stem ooreen met navorsing deur ander wetenskaplikes en word toenemend onthou wanneer waterbronne bestuur word te midde van woelige ontbossing. Maar die tweede deel, die teorie wat Makarieva die biotiese pomp noem, is baie meer omstrede.

Die teoretiese agtergrond van die werk is gepubliseer – al is dit in minder bekende joernale – en Makarieva is deur 'n klein groepie kollegas ondersteun. Maar die biotiese pompteorie het 'n vlaag van kritiek ontvang - veral van klimaatmodelleerders. Sommige glo dat die impak van die pomp onbeduidend is, terwyl ander dit heeltemal ontken. Gevolglik het Makarieva haarself in die rol van 'n buitestaander bevind: 'n teoretiese fisikus onder modelontwikkelaars, 'n Rus onder Westerse wetenskaplikes en 'n vrou in 'n gebied wat deur mans regeer word.

As haar teorie egter korrek is, sal dit kan verduidelik waarom, ten spyte van die aansienlike afstand vanaf die oseane, daar in die binneland van beboste vastelande soveel reënval as aan die kus is, en waarom die binneland van boomlose kontinente, op die inteendeel, is gewoonlik droog. Dit impliseer ook dat woude – van die Russiese taiga tot die reënwoude van die Amasone – nie net groei waar die weer reg is nie. Hulle maak dit self. "Uit wat ek gelees het, het ek tot die gevolgtrekking gekom dat die biotiese pomp werk," sê Douglas Sheil, 'n bosekoloog by die Noorse Universiteit van Lewenswetenskappe. Aangesien die lot van die wêreld se woude ter sprake is, sê hy: "Selfs al is daar die geringste kans dat hierdie teorie korrek is, is dit noodsaaklik om vir seker uit te vind."

Baie handboeke oor meteorologie verskaf steeds 'n diagram van die watersiklus in die natuur, waar die hoofoorsaak van atmosferiese vog, wat in wolke kondenseer en in die vorm van reën val, die verdamping van die see is. Hierdie skema ignoreer heeltemal die rol van plantegroei en veral bome, wat soos reuse-fonteine optree. Hulle wortels trek water uit die grond vir fotosintese, en mikroskopiese porieë in die blare verdamp ongebruikte water in die lug. Hierdie proses - 'n soort sweet, slegs in bome - word transpirasie genoem. Een volwasse boom stel dus honderde liters water per dag vry. As gevolg van die groot oppervlakte van blare, stel die woud dikwels meer vog in die lug vry as 'n watermassa van dieselfde grootte.

Reënparade

Die sogenaamde "vlieënde riviere" is die heersende winde wat waterdamp wat uit woude vrygestel word absorbeer en reën aan verafgeleë waterliggame lewer.’n Omstrede teorie dui daarop dat die woude self die winde beheer.

Volgens die biotiese pompteorie veroorsaak woude nie net reën nie, maar ook wind. Wanneer waterdamp oor kuswoude kondenseer, neem lugdruk af en word winde geskep wat klam seelug insuig. Siklusse van transpirasie en kondensasie skep winde wat duisende kilometers die binneland in laat reën.

So, sowat 80% van die neerslag in China kom uit die weste danksy die Trans-Siberiese vlieënde rivier. En die vlieënde Amasonerivier verskaf 70% van die reënval in die suidoostelike deel van Suid-Amerika.

Die rol van hierdie sekondêre vog in die vorming van voedingstofreën is grootliks oor die hoof gesien tot 1979, toe die Brasiliaanse meteoroloog Eneas Salati die isotopiese samestelling van reënwater uit die Amasonebekken ondersoek het. Dit het geblyk dat die water wat deur transpirasie teruggekeer word meer molekules met die swaar isotoop suurstof-18 bevat as water wat uit die see verdamp het. Salati het dus gewys dat die helfte van die reënval oor die Amasone geval het as gevolg van woudverdamping.

Meteoroloë het die atmosferiese straal op 'n hoogte van sowat 1,5 kilometer oor die woud gevolg. Hierdie winde - wat gesamentlik na verwys word as die Suid-Amerikaanse laer straalstroom - waai van wes na oos oor die Amasone teen die spoed van 'n resiesfiets, waarna die Andes-berge hulle suid sleep. Salati en ander het voorgestel dat dit hulle was wat die grootste deel van die vrygestelde vog gedra het, en hulle “die vlieënde rivier” genoem. Volgens klimatoloog Antonio Nope by die Brasiliaanse Nasionale Ruimte-navorsingsinstituut, dra die vlieënde Amasonerivier vandag soveel water as die reusagtige Aarde se rivier daaronder.

Vir 'n tyd is geglo dat die vlieënde riviere beperk is tot die Amasone-bekken. Maar in die 1990's het die hidroloog Hubert Savenije aan die Deltfe Universiteit van Tegnologie begin om voghersirkulasie in Wes-Afrika te bestudeer. Deur’n hidrologiese model op weerdata te gebruik, het hy gevind hoe verder die binneland van die kus af, hoe groter is die proporsie reënval wat uit woude val – tot 90% in die binneland. Hierdie ontdekking verduidelik hoekom die binneste Sahel droër word: kuswoude het oor die afgelope halfeeu verdwyn.

Een van Savenier se studente, Ruud van der Ent, het sy idee ontwikkel deur 'n globale model van voglugvloei te skep. Hy het waarnemings van neerslag, humiditeit, windspoed en temperatuur en teoretiese skattings van verdamping en transpirasie bymekaar gebring en die eerste model van vogvervoer op skale buite rivierbekkens geskep.

In 2010 het Van der Ent en sy kollegas hul bevinding bekend gemaak dat wêreldwyd 40% van alle reënval op land voorkom, nie op die see nie. Dikwels selfs meer. Die vlieënde Amasonerivier verskaf 70% van die reënval in die Rio de la Plata-kom, wat oor suidoostelike Suid-Amerika strek. Van der Ent was nogal verbaas om te vind dat China 80% van sy water uit die weste ontvang – boonop is dit hoofsaaklik Atlantiese vog, wat deur die taiga-woude van Skandinawië en Rusland verwerk word. Die reis het verskeie fases - transpirasie-siklusse met gepaardgaande reën - en neem ses maande of meer. "Dit weerspreek die vorige inligting wat almal op hoërskool leer," sê hy. "China is naby die see, die Stille Oseaan, maar die meeste van sy reënval is vog van land in die verre weste."

As Makarieva reg is, verskaf woude nie net vog nie, maar skep ook die wind wat dit dra.

Sy het vir 'n kwarteeu saam met Gorshkov gewerk. Sy het begin as 'n student by PNPI, 'n onderafdeling van die Kurchatov-instituut, die grootste Russiese kernnavorsingsinstituut, beide siviel en militêre. Van die begin af het hulle in die veld gewerk en was hulle besig met ekologie by die instituut, waar fisici materiaal bestudeer met behulp van kernreaktors en neutronstrale. As teoretici, onthou sy, het hulle "uitsonderlike vryheid van navorsing en denke" gehad - hulle was besig met atmosferiese fisika, waar dit hulle ook al geneem het. "Victor het my geleer: vrees niks," sê sy.

In 2007 het hulle die eerste keer hul teorie van die biotiese pomp in die joernaal Hydrology and Earth Sciences aangebied. Dit is uit die staanspoor as uitlokkend beskou, omdat dit 'n jarelange beginsel van meteorologie weerspreek het: winde word hoofsaaklik deur differensiële verhitting van die atmosfeer veroorsaak. Soos die warm lug styg, verlaag dit die druk van die lae hieronder, wat in wese nuwe ruimte vir homself op die oppervlak skep. In die somer, byvoorbeeld, verhit die landoppervlak vinniger en lok klam bries van die koeler see af.

Makarieva en Gorshkov voer aan dat soms 'n ander proses heers. Wanneer waterdamp uit die woud in wolke kondenseer, word die gas’n vloeistof – en dit neem minder volume op. Dit verminder lugdruk en trek lug horisontaal in vanaf areas met minder kondensasie. In die praktyk beteken dit dat kondensasie oor kuswoude 'n seebriesie bewerk, wat vogtige lug in die binneland instoot, waar dit uiteindelik kondenseer en as reën val. As woude na die binneland strek, gaan die siklus voort en hou vogtige winde vir duisende kilometers in stand.

Hierdie teorie keer die tradisionele siening omver: dit is nie die atmosferiese sirkulasie wat die hidrologiese siklus beheer nie, maar inteendeel, die hidrologiese siklus reguleer die massasirkulasie van lug.

Sheel, en hy het meer as tien jaar gelede 'n ondersteuner van die teorie geword, beskou dit as 'n ontwikkeling van die idee van vlieënde riviere. "Hulle sluit mekaar nie uit nie," sê hy. "Die pomp verduidelik die sterkte van die riviere." Hy glo dat die biotiese pomp die "koue Amasone-paradoks" verklaar. Van Januarie tot Junie, wanneer die Amasone-bekken kouer as die see is, waai sterk winde van die Atlantiese Oseaan na die Amasone – hoewel differensiële verhittingsteorie anders sou voorstel. Nobre, nog 'n jarelange voorstander, verduidelik entoesiasties: "Hulle kom nie van data nie, maar van onderliggende beginsels."

Selfs diegene wat die teorie twyfel, stem saam dat die verlies aan woude verreikende gevolge vir die klimaat het. Baie wetenskaplikes voer aan dat ontbossing duisende jare gelede gelei het tot die verwoestyning van die binnelandse Australiese lande en Wes-Afrika. Daar is 'n risiko dat ontbossing in die toekoms tot droogtes in ander streke sal lei, byvoorbeeld 'n deel van die Amasone-reënwoud sal in savanne verander. China se landboustreke, die Afrika-Sahel en die Argentynse pampas is ook in gevaar, sê Patrick Keys, 'n atmosferiese chemikus aan die Universiteit van Colorado, Fort Collins.

In 2018 het Kees en kollegas 'n model soortgelyk aan Van der Ent s'n gebruik om neerslagbronne vir 29 globale metropolitaanse gebiede op te spoor. Hy het gevind dat die meeste van die watertoevoer van 19 van hulle afhanklik is van afgeleë woude, insluitend Karachi (Pakistan), Wuhan en Sjanghai (China), Nieu-Delhi en Kolkata (Indië)."Selfs klein veranderinge in neerslag wat veroorsaak word deur veranderinge in grondgebruik windafwaarts kan 'n groot impak hê op die broosheid van stedelike watervoorrade," sê hy.

Sommige modelle dui selfs daarop dat ontbossing, deur die vogbron te vernietig, dreig om weerstoestande ver buite die drywende riviere te verander. Soos jy weet, beïnvloed El Niño – fluktuasies in windtemperatuur en strome in die tropiese Stille Oseaan – indirek die weer op afgeleë plekke. Net so kan ontbossing in die Amasone reënval in die Amerikaanse Midde-Weste en sneeubedekking in die Sierra Nevada verminder, sê Roni Avissar, klimatoloog van die Universiteit van Miami, wat sulke verbindings modelleer. Vergesog? "Glad nie," antwoord hy. “Ons weet dat El Niño daartoe in staat is, want anders as ontbossing, herhaal hierdie verskynsel homself, en ons neem 'n patroon waar. Albei word veroorsaak deur klein veranderinge in temperatuur en vog wat in die atmosfeer vrygestel word."

Lan Wang-Erlandsson, navorser van die Universiteit van Stockholm, wat die interaksie van grond, water en klimaat navors, sê dit is tyd om oor te skakel van water- en ondergrondse gebruik binne 'n spesifieke rivierkom na grondgebruikverandering daarbuite. "Nuwe internasionale hidrologiese ooreenkomste is nodig om woude in stand te hou in gebiede waar lugmassas vorm," sê sy.

Twee jaar gelede, by 'n vergadering van die VN-forum oor woude, waar regerings van alle lande deelneem, het grondnavorser van die Universiteit van Bern David Ellison 'n gevallestudie aangebied. Hy het gedemonstreer dat tot 40% van die totale reënval in die Ethiopiese Hoogland, die hoofbron van die Nyl, afkomstig is van vog wat terugkeer uit die woude van die Kongo-kom. Egipte, Soedan en Ethiopië is besig om 'n lang-verwagte ooreenkoms te onderhandel om Nylwater te deel. Maar so 'n ooreenkoms sal betekenisloos wees as ontbossing in die Kongo-kom, ver van die drie lande, die vogbron opdroog, het Ellison voorgestel. "Die verhouding tussen woude en water in die bestuur van die wêreld se varswater word amper heeltemal geïgnoreer."

Die biotiese pompteorie sal die spel selfs verder verhoog, aangesien bosverlies na verwagting nie net vogbronne nie, maar ook windpatrone sal beïnvloed. Ellison waarsku dat die teorie, indien dit bevestig word, “kritiek vir planetêre lugsirkulasiemodelle” sal wees – veral dié wat vogtige lug na die binneland vervoer.

Maar tot dusver is die ondersteuners van die teorie in die minderheid. In 2010 het Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre en Bai-Liang Li, 'n ekoloog aan die Universiteit van Kalifornië, Riverside, hul historiese beskrywing van die biotiese pomp in Atmospheric Chemistry and Physics, 'n hoofvakjoernaal met oop portuurbeoordeling, ingedien. Maar die artikel "Waar kom die winde vandaan?" is op die internet gekritiseer, en dit het die tydskrif baie maande geneem om net twee wetenskaplikes te vind om dit te hersien. Isaac Held,’n weerkundige by die Geofisiese Vloeistofdinamika-laboratorium aan die Princeton-universiteit, het vrywillig aangebied – en aanbeveel dat die publikasie van die hand gewys word. "Dit is nie 'n geheimsinnige effek nie," sê hy. "Dit is oor die algemeen onbeduidend en word boonop reeds in 'n aantal atmosferiese modelle in ag geneem." Kritici sê die uitbreiding van lug uit die hitte wat deur kondensasie van waterdamp gegenereer word, werk die ruimtelike effek van kondensasie teë. Maar Makarieva sê dat hierdie twee effekte ruimtelik geskei is: verwarming vind op hoogte plaas, en die daling in kondensasiedruk vind nader aan die oppervlak plaas, waar biotiese wind geskep word.

Nog 'n resensent was Judith Curry, 'n atmosferiese fisikus by die Georgia Institute of Technology. Sy is lankal bekommerd oor die toestand van die atmosfeer en voel dat die artikel gepubliseer moet word, want "die konfrontasie het 'n slegte uitwerking op klimatologie, en sy benodig bloed uit haar neus vir fisici." Ná drie jaar se debat het die redakteur van die tydskrif Held se aanbeveling verwerp en die artikel gepubliseer. Maar terselfdertyd het hy opgemerk dat die publikasie nie as goedkeuring beskou kan word nie, maar dit sal dien as’n wetenskaplike dialoog oor’n omstrede teorie – om dit te bevestig of te weerlê.

Sedertdien het geen bevestiging of weerlegging uitgekom nie – die konfrontasie het voortgeduur. Columbia Universiteit se klimaatsimulator Gavin Schmidt sê: "Dit is net nonsens." Die skrywers reageer só op kritiek: "Om die waarheid te sê, as gevolg van wiskunde is hulle nie seker of dit die moeite werd is om die dialoog voort te sit nie." Brasiliaanse meteoroloog en hoof van die Nasionale Sentrum vir Monitering en Voorkoming van Natuurrampe, Jose Marengo, sê: “Ek dink die pomp bestaan, maar nou is dit alles op die vlak van teorie. Kenners van klimaatmodelle het dit nie aanvaar nie, maar die Russe is die beste teoretici ter wêreld, so toepaslike veldeksperimente moet uitgevoer word om alles te toets.” Maar tot dusver het niemand, nie eers Makarieva self, sulke eksperimente voorgestel nie.

Van haar kant maak Makarieva staat op teorie, en voer in 'n reeks onlangse werke aan dat dieselfde meganisme tropiese siklone kan beïnvloed - hulle word aangedryf deur die hitte wat vrygestel word wanneer vog oor die see kondenseer. In die 2017 Atmospheric Research-koerant het sy en haar kollegas voorgestel dat woudvormige biotiese pompe vogryke lug van sikloonoorsprong onttrek. Dit, sê sy, verklaar hoekom siklone selde in die Suid-Atlantiese Oseaan vorm: die reënwoude van die Amasone en Kongo dreineer soveel vog dat daar te min oor is vir orkane.

Hoof orkaannavorser by MIT, Kerry Emanuel, sê die voorgestelde effekte is "beduidend, maar weglaatbaar." Hy verkies ander verklarings bo die afwesigheid van orkane in die Suid-Atlantiese Oseaan, byvoorbeeld, die koel water van die streek stel minder vog in die lug vry, en sy sterk wind verhoed die vorming van siklone. Makarieva, op haar beurt, is ewe afwysend teenoor tradisionaliste, en glo dat sommige van die bestaande teorieë oor die intensiteit van orkane "die wette van termodinamika weerspreek." Sy het nog 'n artikel in die Journal of Atmospheric Sciences - hangende hersiening. “Ons is bekommerd dat, ten spyte van die redakteur se ondersteuning, ons werk weer afgekeur sal word,” sê sy.

Alhoewel Makaryeva se idees in die Weste as marginaal beskou word, skiet dit in Rusland geleidelik wortel. Verlede jaar het die regering 'n openbare dialoog oor die hersiening van bosbouwette van stapel gestuur. Met die uitsondering van die ou beskermde gebiede, is Russiese woude oop vir kommersiële ontginning, maar die regering en die Federale Bosbou-agentskap oorweeg 'n nuwe kategorie - klimaatbeskermingswoude. "Sommige in ons bosbou-afdeling is beïndruk met die idee van die biotiese pomp en wil 'n nuwe kategorie bekendstel," sê sy. Die idee is ook deur die Russiese Akademie van Wetenskappe ondersteun. Makarieva sê dat dit nuut en ongewoon is om deel van die konsensus te wees, en nie 'n ewige buitestander nie.

Hierdie somer is haar reis na die noordelike woude ontwrig deur die koronavirus-epidemie en kwarantyn. Tuis in St. Petersburg het sy aangesit vir nog 'n rondte besware van anonieme resensente. Sy is oortuig daarvan dat die pompteorie vroeër of later sal seëvier. "Daar is natuurlike traagheid in die wetenskap," sê sy. Met donker Russiese humor herroep sy die woorde van die legendariese Duitse fisikus Max Planck, wat die beroemde beskrywing van die vooruitgang van die wetenskap gegee het: "'n reeks begrafnisse."