Sisukord:

Metsad reguleerivad kliimat ja toodavad tuult – biootilise pumba teooria
Metsad reguleerivad kliimat ja toodavad tuult – biootilise pumba teooria

Video: Metsad reguleerivad kliimat ja toodavad tuult – biootilise pumba teooria

Video: Metsad reguleerivad kliimat ja toodavad tuult – biootilise pumba teooria
Video: Trail Baltic. Väljasõit rohelisse. 2024, Märts
Anonim

Peterburi tuumafüüsika instituudi tuumafüüsik Anastasia Makarieva on juba üle kümne aasta kaitsnud teooriat, et Venemaa taigametsad reguleerivad Aasia põhjapiirkondade kliimat. Paljud lääne meteoroloogid ei nõustu temaga, kuid Venemaa valitsus ja teadlased on sellest teooriast huvitatud.

Igal suvel, kui päevad lähevad pikemaks, lahkub Anastasia Makarieva oma laborist Peterburis ja läheb puhkama Venemaa põhjaosa lõpututesse metsadesse. Tuumafüüsik lööb telgi Valge mere kaldale kuuskede ja mändide vahele, ujub süstaga piirkonna lõpututel jõgedel ning teeb märkmeid looduse ja ilma kohta. "Metsad on suur osa minu isiklikust elust," ütleb ta. 25-aastase iga-aastase palverännaku jooksul põhja poole on neist saanud tema tööelu oluline osa.

Makarijeva on juba üle kümne aasta kaitsnud teooriat, mille ta koos oma mentori ja kolleegi Peterburi tuumafüüsika instituudist (PNPI) Viktor Gorškoviga välja töötas, selle kohta, kuidas Venemaa, suurima metsa, boreaalsed (taiga) metsad. Maal reguleerida Põhja-Aasia kliimat. See lihtne, kuid kaugeleulatuv füüsikateooria kirjeldab, kuidas puude poolt väljahingatav veeaur tekitab tuuli – need tuuled läbivad kontinendi, kandes niisket õhku Euroopast üle Siberi ja edasi Mongooliasse ja Hiinasse; need tuuled kannavad sadu, mis toidavad Ida-Siberi hiiglaslikke jõgesid; need tuuled kastavad Hiina põhjatasandikku, planeedi kõige suurema rahvaarvuga riigi aita.

Süsinikdioksiidi neelamise ja hapniku väljahingamise võime tõttu nimetatakse suuri metsi sageli planeedi kopsudeks. Kuid Makarieva ja Gorškov (ta suri eelmisel aastal) on veendunud, et nemad on ka tema süda. "Metsad on keerulised, isemajandavad vihmasüsteemid ja peamised tegurid atmosfääri ringluses Maal, " ütleb Makarieva. Nad tsirkuleerivad tohutul hulgal niiskust õhku ja tekitavad selle käigus tuuled, mis pumpavad seda vett üle maailma. Selle teooria esimene osa – et metsad tekitavad vihma – on kooskõlas teiste teadlaste uurimustega ja seda mäletatakse üha enam veevarude majandamisel keset ohjeldamatut metsaraadamist. Kuid teine osa, teooria, mida Makarieva nimetab biootiliseks pumbaks, on palju vastuolulisem.

Töö teoreetiline taust avaldati – küll vähemtuntud ajakirjades – ja Makarijevat toetas väike seltskond kolleege. Kuid biootilise pumba teooria on pälvinud palju kriitikat – eriti kliimamodelleerijatelt. Mõned usuvad, et pumba mõju on tähtsusetu, teised aga eitavad seda täielikult. Selle tulemusena sattus Makarieva autsaideri rolli: mudeliarendajate seas teoreetiline füüsik, lääne teadlaste seas venelane ja meeste valitsetud alal naine.

Kui aga tema teooria on õige, suudab see selgitada, miks vaatamata märkimisväärsele kaugusele ookeanidest sajab metsaga kaetud mandrite sisemaal sama palju sademeid kui rannikul ja miks puudeta mandrite sisemaal, vastupidi, on tavaliselt kuiv. See viitab ka sellele, et metsad – Vene taigast Amazonase vihmametsadeni – ei kasva ainult seal, kus on õige ilm. Nad teevad seda ise. "Lugetu põhjal jõudsin järeldusele, et biootiline pump töötab," ütleb Norra maaülikooli metsaökoloog Douglas Sheil. Kuna maailma metsade saatus on küsimärgi all, ütleb ta: "Isegi kui on vähimgi võimalus, et see teooria on õige, on hädavajalik see kindlasti välja selgitada."

Paljudes meteoroloogiaõpikutes on siiani välja toodud veeringe diagramm looduses, kus pilvedesse kondenseeruva ja vihmana maha sadava atmosfääriniiskuse peamiseks põhjuseks on ookeani aurustumine. See skeem ignoreerib täielikult taimestiku ja eriti puude rolli, mis toimivad nagu hiiglaslikud purskkaevud. Nende juured ammutavad fotosünteesiks pinnasest vett ja lehtede mikroskoopilised poorid aurustavad kasutamata vee õhku. Seda protsessi – teatud tüüpi higistamist, ainult puude puhul – nimetatakse transpiratsiooniks. Seega eraldab üks täiskasvanud puu sadu liitreid vett päevas. Suure lehestiku tõttu paiskab mets sageli õhku rohkem niiskust kui sama suur veekogu.

Vihmaparaad

Niinimetatud "lendavad jõed" on valitsevad tuuled, mis neelavad endasse metsadest eralduva veeauru ja viivad vihma kaugematesse veekogudesse. Vastuoluline teooria viitab sellele, et metsad ise juhivad tuuli.

Biootilise pumba teooria kohaselt ei põhjusta metsad mitte ainult vihma, vaid ka tuult. Kui veeaur kondenseerub rannikumetsade kohal, siis õhurõhk langeb ja tekivad tuuled, mis imevad endasse niisket ookeaniõhku. Transpiratsiooni ja kondenseerumise tsüklid tekitavad tuuli, mis kannavad vihma tuhandeid kilomeetreid sisemaal.

Seega tuleb umbes 80% Hiina sademetest läänest tänu Trans-Siberi lendavale jõele. Ja lendav Amazonase jõgi annab 70% Lõuna-Ameerika kaguosa sademetest.

Selle sekundaarse niiskuse roll toitainevihmade tekkes jäi suuresti tähelepanuta kuni 1979. aastani, mil Brasiilia meteoroloog Eneas Salati uuris Amazonase basseini vihmavee isotoopkoostist. Selgus, et transpiratsiooni teel tagastatud vesi sisaldab rohkem molekule, milles on raske isotoop hapnik-18, kui ookeanist aurustunud vesi. Nii näitas Salati, et pool Amazonase sademetest langes metsa aurustumise tagajärjel.

Meteoroloogid jälgisid õhujoa metsa kohal umbes 1,5 kilomeetri kõrgusel. Need tuuled, mida ühiselt nimetatakse Lõuna-Ameerika madalamaks reaktiivvooluks, puhuvad läänest itta üle Amazonase võidusõiduratta kiirusel, misjärel Andide mäed tõmbavad nad lõunasse. Salati ja teised väitsid, et just nemad kandsid suurema osa vabanenud niiskusest, ja nimetasid neid "lendavaks jõeks". Brasiilia riikliku kosmoseuuringute instituudi klimatoloog Antonio Nope sõnul kannab lendav Amazonase jõgi tänapäeval sama palju vett kui selle all olev hiiglaslik Maa jõgi.

Mõnda aega usuti, et lendavad jõed piirduvad Amazonase jõgikonnaga. Kuid 1990. aastatel alustas Deltfe Tehnikaülikooli hüdroloog Hubert Savenije Lääne-Aafrikas niiskuse retsirkulatsiooni uurimist. Ilmaandmete hüdroloogilist mudelit kasutades leidis ta, et mida rohkem rannikust sisemaale, seda suurem on metsadest sademete osakaal – kuni 90% sisemaal. See avastus selgitab, miks sise-Sahel muutub kuivemaks: rannikumetsad on viimase poole sajandi jooksul kadunud.

Üks Savenieri õpilastest, Ruud van der Ent, arendas oma ideed, luues niiskuse õhuvoolu globaalse mudeli. Ta koondas sademete, niiskuse, tuule kiiruse ja temperatuuri vaatlused ning aurustumise ja transpiratsiooni teoreetilised hinnangud ning lõi esimese niiskuse transpordi mudeli vesikondadest kaugemal.

2010. aastal avalikustasid Van der Ent ja tema kolleegid oma järelduse, et kogu maailmas sajab 40% kogu sademetest maismaal, mitte ookeanis. Sageli isegi rohkem. Lendav Amazonase jõgi annab 70% sademetest Rio de la Plata vesikonnas, mis ulatub üle Lõuna-Ameerika kaguosa. Van der Ent oli üsna üllatunud, kui avastas, et Hiina saab 80% oma veest läänest – pealegi on see peamiselt Atlandi ookeani niiskus, mida töötlevad Skandinaavia ja Venemaa taigametsad. Teekonnal on mitu etappi - transpiratsioonitsüklid koos vihmaga - ja see kestab kuus kuud või rohkem. "See on vastuolus varasema teabega, mida kõik keskkoolis õpivad," ütleb ta. "Hiina asub ookeani ja Vaikse ookeani lähedal, kuid suurem osa sademetest moodustab kauge lääne maa niiskus."

Kui Makarieval on õigus, ei anna metsad mitte ainult niiskust, vaid loovad ka tuule, mis seda kannab.

Ta töötas Gorshkoviga veerand sajandit. Ta alustas üliõpilasena Venemaa suurima tsiviil- ja sõjalise tuumauuringute instituudi Kurtšatovi Instituudi allüksuses PNPI. Algusest peale töötasid nad valdkonnaga ja tegelesid ökoloogiaga instituudis, kus füüsikud uurivad materjale tuumareaktorite ja neutronkiirte abil. Ta meenutab, et teoreetikutena oli neil "erakordne uurimis- ja mõttevabadus" – nad tegelesid atmosfäärifüüsikaga, kuhu iganes see viis. "Victor õpetas mulle: ärge kartke midagi," ütleb ta.

2007. aastal tutvustasid nad esmakordselt oma biootilise pumba teooriat ajakirjas Hydrology and Earth Sciences. Seda peeti algusest peale provokatiivseks, sest see läks vastuollu pikaajalise meteoroloogia põhimõttega: tuuli põhjustab peamiselt atmosfääri erinev kuumenemine. Kui soe õhk tõuseb ülespoole, alandab see all olevate kihtide rõhku, luues sisuliselt enda jaoks pinnale uue ruumi. Näiteks suvel soojeneb maapind kiiremini ja tõmbab jahedamast ookeanist ligi niisked tuuled.

Makarieva ja Gorshkov väidavad, et mõnikord valitseb erinev protsess. Kui metsa veeaur kondenseerub pilvedeks, muutub gaas vedelaks – ja see võtab vähem mahtu. See vähendab õhurõhku ja tõmbab õhku horisontaalselt sisse piirkondadest, kus on vähem kondensatsiooni. Praktikas tähendab see, et rannikumetsade kohal tekkinud kondenseerumine tekitab meretuule, surudes niiske õhu sisemusse, kus see lõpuks kondenseerub ja sajab vihmana. Kui metsad ulatuvad sisemaale, jätkub tsükkel, säilitades niisked tuuled tuhandeid kilomeetreid.

See teooria lükkab ümber traditsioonilise seisukoha: hüdroloogilist tsüklit ei kontrolli mitte atmosfääri tsirkulatsioon, vaid vastupidi, hüdroloogiline tsükkel reguleerib õhu massilist ringlust.

Sheel, kellest sai teooria pooldaja enam kui kümme aastat tagasi, peab seda lendavate jõgede idee edasiarenduseks. "Need ei välista üksteist," ütleb ta. "Pump seletab jõgede tugevust." Ta usub, et biootiline pump selgitab "külma Amazonase paradoksi". Jaanuarist juunini, kui Amazonase vesikond on ookeanist külmem, puhuvad Atlandilt Amazonase tugevad tuuled – kuigi kütte diferentsiaalteooria viitab vastupidisele. Nobre, teine kauaaegne pooldaja, selgitab entusiastlikult: "Need ei tulene andmetest, vaid aluspõhimõtetest."

Isegi need, kes teoorias kahtlevad, nõustuvad, et metsade kadumisel on kliimale kaugeleulatuvad tagajärjed. Paljud teadlased väidavad, et tuhandete aastate tagune metsade hävitamine viis Austraalia sisemaa maade ja Lääne-Aafrika kõrbestumiseni. On oht, et metsade hävitamine toob tulevikus kaasa põua ka teistes piirkondades, näiteks muutub osa Amazonase vihmametsast savanniks. Ohus on ka Hiina põllumajanduspiirkonnad, Aafrika Sahel ja Argentina pampad, ütleb Fort Collinsi Colorado ülikooli atmosfäärikeemik Patrick Keys.

2018. aastal kasutasid Kees ja kolleegid van der Enti mudeliga sarnast mudelit, et jälgida 29 ülemaailmse suurlinnapiirkonna sademeteallikaid. Ta leidis, et enamik neist 19 veevarustusest sõltub kaugetest metsadest, sealhulgas Karachist (Pakistan), Wuhanist ja Shanghaist (Hiina), New Delhist ja Kolkatast (India)."Isegi väikesed muutused sademete hulgas, mis on põhjustatud maakasutuse muutustest allatuult, võivad avaldada suurt mõju linna veevarustuse haprusele," ütleb ta.

Mõned mudelid viitavad isegi sellele, et metsade hävitamine, hävitades niiskuseallika, ähvardab muuta ilmastikutingimusi ujuvatest jõgedest kaugel. Nagu teate, mõjutab El Niño – tuule temperatuuri ja hoovuste kõikumine Vaikse ookeani troopilises piirkonnas – kaudselt ilmastikuolusid kaugemates paikades. Samamoodi võib Amazonase metsade raadamine vähendada sademete hulka USA Kesk-Läänes ja lumikatet Sierra Nevadas, ütleb selliseid ühendusi modelleeriv Miami ülikooli klimatoloog Roni Avissar. Kaugele toodud? "Üldse mitte," vastab ta. "Me teame, et El Niño on selleks võimeline, sest erinevalt metsade hävitamisest kordub see nähtus ja me jälgime mustrit. Mõlemad on põhjustatud väikestest temperatuurimuutustest ja niiskusest, mis atmosfääri paiskub.

Stockholmi ülikooli teadlane Lan Wang-Erlandsson, kes uurib maa, vee ja kliima koostoimet, ütleb, et on aeg minna üle vee ja maa-aluse kasutuselt konkreetses vesikonnas maakasutuse muutustele väljaspool. "Metsade säilitamiseks piirkondades, kus tekib õhumass, on vaja uusi rahvusvahelisi hüdroloogilisi kokkuleppeid," ütleb ta.

Kaks aastat tagasi, ÜRO metsafoorumi koosolekul, kus osalevad kõigi riikide valitsused, tutvustas Berni ülikooli maa-uurija David Ellison juhtumiuuringut. Ta näitas, et kuni 40% Niiluse peamise allika Etioopia mägismaa sademete koguhulgast pärineb Kongo basseini metsadest naasvast niiskusest. Egiptus, Sudaan ja Etioopia peavad läbirääkimisi niiluse vete jagamise lepingu üle. Kuid selline kokkulepe oleks mõttetu, kui kolmest riigist kaugel asuva Kongo basseini metsade hävitamine kuivaks niiskuse allika, soovitas Ellison. "Metsade ja vee suhe maailma magevee majandamisel jäetakse peaaegu täielikult tähelepanuta."

Biootilise pumba teooria tõstab panuseid veelgi, sest eeldatavasti mõjutab metsade kadu mitte ainult niiskuse allikaid, vaid ka tuulemustreid. Ellison hoiatab, et kui teooria kinnitust leiab, on see "kriitilise tähtsusega planeetide õhuringluse mudelite jaoks" - eriti nende jaoks, mis transpordivad niisket õhku sisemaale.

Kuid seni on teooria pooldajad vähemuses. 2010. aastal esitasid Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre ja Riverside'i California ülikooli ökoloog Bai-Liang Li oma ajaloolise kirjelduse biootilise pumba kohta Atmospheric Chemistry and Physics, mis on avatud eksperdihinnanguga suur teemaajakiri. Aga artikkel "Kust tulevad tuuled?" sai Internetis kriitikat ja ajakirjal kulus mitu kuud, enne kui leidis ainult kaks teadlast, kes seda arvustavad. Princetoni ülikooli geofüüsikalise vedeliku dünaamika labori meteoroloog Isaac Held andis end vabatahtlikult ja soovitas väljaanne tagasi lükata. "See ei ole müstiline efekt," ütleb ta. "See on üldiselt ebaoluline ja pealegi on sellega juba arvestatud paljudes atmosfäärimudelites." Kriitikud ütlevad, et õhu paisumine veeauru kondenseerumisel tekkivast soojusest neutraliseerib kondenseerumise ruumilise mõju. Kuid Makarieva sõnul on need kaks mõju ruumiliselt eraldatud: soojenemine toimub kõrgusel ja kondensatsioonirõhu langus toimub maapinnale lähemal, kus tekib biootiline tuul.

Teine arvustaja oli Judith Curry, Georgia Tehnoloogiainstituudi atmosfäärifüüsik. Ta on pikka aega mures atmosfääri seisukorra pärast ja arvanud, et artikkel tuleks avaldada, sest "vastasseisul on halb mõju klimatoloogiale ja ta vajab füüsikutele ninast verd." Pärast kolm aastat kestnud arutelu lükkas ajakirja toimetaja Heldi soovituse tagasi ja avaldas artikli. Kuid samas märkis ta, et väljaannet ei saa pidada heakskiitmiseks, vaid see toimib teadusliku dialoogina vastuolulise teooria üle - selle kinnitamiseks või ümberlükkamiseks.

Sellest ajast peale pole kinnitust ega ümberlükkamist välja tulnud – vastasseis jätkus. Columbia ülikooli kliimasimulaator Gavin Schmidt ütleb: "See on lihtsalt jama." Autorid vastavad kriitikale nii: "Tegelikult pole nad matemaatika tõttu kindlad, kas tasub dialoogi jätkata." Brasiilia meteoroloog ja loodusõnnetuste seire ja ennetamise riikliku keskuse juht Jose Marengo ütleb: "Ma arvan, et pump on olemas, kuid nüüd on see kõik teooria tasemel. Kliimamudelite eksperdid seda ei aktsepteerinud, kuid venelased on maailma parimad teoreetikud, nii et kõige kontrollimiseks tuleb teha vastavad välikatsed. Kuid siiani pole keegi, isegi mitte Makarieva ise, selliseid katseid välja pakkunud.

Makarieva omalt poolt tugineb teooriale, väites mitmes hiljutises töös, et sama mehhanism võib mõjutada troopilisi tsükloneid – neid juhib niiskuse kondenseerumisel ookeani kohal eralduv soojus. 2017. aasta ajalehes Atmospheric Research soovitas ta ja ta kolleegid, et metsakujulised biootilised pumbad tõmbavad tsüklonist pärit niiskuserikast õhku. See selgitab tema sõnul, miks Atlandi ookeani lõunaosas tekivad harva tsüklonid: Amazonase ja Kongo vihmametsad tühjendavad nii palju niiskust, et orkaanide jaoks jääb liiga vähe järele.

MIT-i juhtiv orkaaniuurija Kerry Emanuel ütleb, et kavandatavad mõjud on "olulised, kuid tühised". Orkaanide puudumisele Atlandi ookeani lõunaosas eelistab ta muid selgitusi, näiteks laseb piirkonna jahedas vees õhku vähem niiskust ning selle tugevad tuuled takistavad tsüklonite teket. Makarieva on omalt poolt traditsionalistide suhtes sama tõrjuv, arvates, et mõned olemasolevad orkaanide intensiivsuse teooriad "on vastuolus termodünaamika seadustega". Tal on ajakirjas Journal of Atmospheric Sciences veel üks artikkel – ülevaatuse ootel. "Oleme mures, et hoolimata toimetaja toetusest lükatakse meie töö uuesti tagasi," ütleb ta.

Kuigi läänes peetakse Makarjeva ideid marginaalseteks, on Venemaal need tasapisi juurdumas. Eelmisel aastal algatas valitsus avaliku dialoogi metsandusseaduste läbivaatamise teemal. Kui vanad kaitsealad välja arvata, on Venemaa metsad avatud äriliseks kasutamiseks, kuid valitsus ja Föderaalne Metsaamet kaaluvad uut kategooriat – kliimakaitsemetsad. "Mõned meie metsaosakonna töötajad on biootilise pumba ideest muljet avaldanud ja soovivad tutvustada uut kategooriat," ütleb ta. Ideed toetas ka Venemaa Teaduste Akadeemia. Makarieva ütleb, et konsensuse osaliseks saamine, mitte igavene kõrvalseisja, on uus ja ebatavaline.

Sel suvel segasid tema reisi põhjapoolsetesse metsadesse koroonaviiruse epideemia ja karantiin. Kodus Peterburis istus ta anonüümsete arvustajate järjekordsete vastulausete jaoks. Ta on veendunud, et pumbateooria jääb varem või hiljem võidule. "Teaduses on loomulik inerts," ütleb ta. Tumeda vene huumoriga meenutab ta legendaarse saksa füüsiku Max Plancki sõnu, kes kirjeldas kuulsat teaduse edenemist: "matuste seeria".

Soovitan: