Anastasia Makarieva, jaderná fyzikka z Petrohradského ústavu jaderné fyziky, obhajuje teorii, že ruské tajgy v Rusku regulují klima severních oblastí Asie více než deset let. Mnoho západních meteorologů s ní nesouhlasí, ale vláda a vědci v Rusku se o tuto teorii zajímají.
Každé léto, kdy se dny prodlužují, Anastasia Makarieva opouští svou laboratoř v Petrohradě a odchází na dovolenou do nekonečných lesů na severu Ruska. Jaderný fyzik postaví stan na pobřeží Bílého moře mezi jedle a borovice, plave na kajaku podél nekonečných řek v regionu a pořizuje si poznámky o přírodě a počasí. "Lesy jsou velkou součástí mého osobního života," říká. Po 25 let každoroční pouť na sever se staly důležitou součástí jejího profesního života.
Makarieva více než deset let hájí teorii, kterou vyvinula společně s Viktorem Gorshkovem, jejím mentorem a kolegou z Petrohradského institutu jaderné fyziky (PNPI), o tom, jak boreální (tajgy) lesy Ruska, největší les na Zemi, regulují klima severní Asie. Tato jednoduchá, ale dalekosáhlá fyzikální teorie popisuje, jak vodní pára vydechovaná stromy vytváří větry - tyto větry procházejí kontinentem a přenášejí vlhký vzduch z Evropy přes Sibiř a dále do Mongolska a Číny; tyto větry nesou deště, které živí obří řeky východní Sibiře; tyto větry zalévají severní pláň Číny, sýpku nejlidnatější země na planetě.
Díky své schopnosti absorbovat oxid uhličitý a vydechovat kyslík se velké lesy často nazývají plícemi planety. Ale Makarieva a Gorshkov (zemřel minulý rok) jsou přesvědčeni, že jsou také jejím srdcem. "Lesy jsou komplexní, soběstačné dešťové systémy a hlavní faktor v oběhu atmosféry na Zemi," říká Makarieva. Recirkulují obrovské množství vlhkosti do vzduchu a přitom vytvářejí větry, které čerpají tuto vodu po celém světě. První část této teorie - lesy, které způsobují déšť - je v souladu s výzkumem jiných vědců a stále více se pamatuje při řízení vodních zdrojů uprostřed nekontrolovatelného odlesňování. Ale druhá část, teorie, kterou Makarieva nazývá biotickou pumpou, je mnohem kontroverznější.
Bylo publikováno teoretické pozadí práce - i když v méně známých časopisech - a malá skupina kolegů podporovala Makarieva. Teorie biotických čerpadel však obdržela nával kritiky - zejména od klimatických modelářů. Někteří věří, že dopad čerpadla je zanedbatelný, zatímco jiní to popírají úplně. V důsledku toho se Makarieva ocitla v roli outsidera: teoretické fyziky mezi vývojáři modelů, Rusky mezi západními vědci a ženy v oblasti ovládané muži.
Pokud je však její teorie správná, bude schopna vysvětlit, proč i přes značnou vzdálenost od oceánů je uvnitř zalesněných kontinentů tolik srážek jako na pobřeží, a proč je naopak interiér bez stromů obvykle suchý. Znamená to také, že lesy - od ruské tajgy po deštné pralesy Amazonky - nerostou jen tam, kde je počasí správné. Dělají to sami. "Z toho, co jsem četl, jsem došel k závěru, že biotická pumpa funguje," říká Douglas Sheil, lesní ekolog Norské univerzity věd o životě. S osudem dotyčných lesů světa říká: „I když existuje nejmenší šance, že tato teorie je správná, je nutné to zjistit jistě.“
Mnoho učebnic o meteorologii stále poskytuje schéma vodního cyklu v přírodě, kde hlavní příčinou atmosférické vlhkosti, která kondenzuje v oblacích a padá jako déšť, je vypařování oceánů. Toto schéma zcela ignoruje roli vegetace a zejména stromů, které fungují jako obří fontány. Jejich kořeny čerpají vodu z půdy pro fotosyntézu a mikroskopické póry v listech odpařují nevyužitou vodu do vzduchu. Tento proces - jakýsi pot, jen ve stromech - se nazývá transpirace. Jeden zralý strom tak uvolňuje stovky litrů vody denně. V důsledku velké plochy listů les často uvolňuje více vzduchu do vzduchu než vodní útvar stejné velikosti.
Role této sekundární vlhkosti při tvorbě živinných dešťů byla do značné míry přehlížena až do roku 1979, kdy brazilský meteorolog Eneas Salati zkoumal izotopové složení dešťové vody z Amazonie. Ukázalo se, že voda vrácená transpirací obsahuje více molekul s těžkým izotopovým kyslíkem-18 než voda odpařená z oceánu. Takže Salati ukázal, že polovina srážek nad Amazonkou padla v důsledku odpařování lesů.
Meteorologové sledovali atmosférický paprsek nad lesem v nadmořské výšce asi 1,5 km. Tyto větry - souhrnně označované jako jihoamerický dolní proud - foukají ze západu na východ přes Amazon rychlostí závodního kola, po kterém je Andské hory přetahují na jih. Salati a další navrhli, že to byli oni, kdo nesl většinu uvolněné vlhkosti a nazval je „létající řekou“. Podle klimatologa Antonio Nobre z Brazilského národního kosmického výzkumného ústavu dnes létající řeka Amazonky nese tolik vody jako obří řeka pod ní.
Na nějaký čas to bylo věřil, že létající řeky byly omezeny na amazonské pánve. Ale v 90. letech začal hydrolog Hubert Savenije z Delft University of Technology studovat recirkulaci vlhkosti v západní Africe. Na základě hydrologického modelu údajů o počasí zjistil, že čím dále vnitrozemí od pobřeží, tím vyšší je podíl srážek z lesů - až 90% v interiéru. Tento objev vysvětluje, proč se vnitřní Sahel stává suchším: pobřežní lesy během posledního půlstoletí zmizely.
Jeden ze Savenierových studentů, Ruud van der Ent, vytvořil svůj nápad vytvořením globálního modelu proudění vlhkosti. Shromáždil pozorování srážek, vlhkosti, rychlosti a teploty větru a teoretické odhady odpařování a transpirace a vytvořil první model transportu vlhkosti ve stupních za povodími.
V roce 2010 odhalil Van der Ent a jeho kolegové své zjištění, že na celém světě se 40% všech srážek vyskytuje na pevnině, nikoli na oceánu. Často ještě více. Létající řeka Amazonka poskytuje 70% srážek v povodí Rio de la Plata, které se táhne přes jihovýchodní jižní Ameriku. Van der Ent byl docela překvapen, když zjistil, že Čína přijímá 80% své vody ze západu - a to je hlavně vlhkost Atlantiku, která je zpracována taigskými lesy ve Skandinávii a Rusku. Cesta má několik fází - transpirační cykly s přidruženým deštěm - a trvá šest měsíců nebo déle. "To je v rozporu s předchozími informacemi, které se každý učí na střední škole," říká. "Čína je blízko oceánu, Tichého oceánu, ale většinu srážek má vlhkost ze země na západě."
***
Pokud má Makarieva pravdu, poskytují lesy nejen vlhkost, ale také vytvářejí vítr, který ji nese.
S Gorshkovem pracovala čtvrt století. Začala jako studentka v PNPI, subdivizi Kurchatovova institutu, největšího ruského ústavu pro jaderný výzkum, civilního i vojenského. Od samého začátku pracovali v oboru a zabývali se ekologií v ústavu, kde fyzici studují materiály pomocí jaderných reaktorů a neutronových paprsků. Jako teoretici si vzpomíná, že měli „výjimečnou svobodu výzkumu a myšlení“- věnovali se atmosférické fyzice, ať už je to kdekoli. "Victor mě naučil: nebojte se," říká.
V roce 2007 poprvé představili svou teorii biotické pumpy v časopise Hydrology and Earth Sciences. Od počátku bylo považováno za provokativní, protože bylo v rozporu s dlouhodobým principem meteorologie: vítr je způsoben hlavně rozdílným zahříváním atmosféry. Jak stoupá, teplý vzduch snižuje tlak vrstev pod sebou, což v podstatě vytváří nový prostor pro sebe na povrchu. Například v létě se povrch půdy zahřívá rychleji a přitahuje vlhké vánek z chladnějšího oceánu.
Makarieva a Gorshkov tvrdí, že někdy převládá jiný proces. Když vodní pára z lesa kondenzuje do mraků, plyn se stává kapalinou - a zabírá méně objemu. Tím se snižuje tlak vzduchu a horizontálně se odebírá vzduch z oblastí s menší kondenzací. V praxi to znamená, že kondenzace nad pobřežními lesy nutí mořský vánek, tlačí vlhký vzduch do vnitřku, kde nakonec kondenzuje a padá jako déšť. Pokud se lesy táhnou do vnitrozemí, cyklus pokračuje a udržuje vlhké větry po tisíce kilometrů.
Tato teorie zvrátí tradiční pohled: není to atmosférická cirkulace, která řídí hydrologický cyklus, ale spíše hydrologický cyklus reguluje hromadnou cirkulaci vzduchu.
Sheel a on se stal zastáncem teorie před více než deseti lety, považuje to za rozvoj myšlenky létajících řek. "Nejsou vzájemně vylučující," říká. "Čerpadlo vysvětluje sílu řek." Věří, že biotická pumpa vysvětluje „chladný amazonský paradox“. Od ledna do června, kdy je amazonská pánev chladnější než oceán, fouká silný vítr z Atlantiku do Amazonie - ačkoli teorie diferenčního vytápění by naznačovala něco jiného. Nobre, další dlouhodobý podporovatel, s nadšením vysvětluje: „Nepocházejí z dat, ale ze základních principů.“
I ti, kteří pochybují o teorii, souhlasí s tím, že ztráta lesů má dalekosáhlé důsledky pro klima. Mnoho vědců tvrdí, že odlesňování před tisíci lety vedlo k dezertifikaci vnitrozemských australských zemí a západní Afriky. Existuje riziko, že odlesňování v budoucnu povede k suchu v jiných regionech, například část amazonského deštného pralesa se změní v savanu. Čínské zemědělské oblasti, africký Sahel a argentinské pampy jsou také ohroženy, říká Patrick Keys, atmosférický chemik na Coloradské státní univerzitě ve Fort Collins.
V roce 2018 Kees a kolegové použili model podobný modelu van der Ent ke sledování zdrojů srážek pro 29 globálních metropolitních oblastí. Zjistil, že většina z 19 zásob vody závisí na odlehlých lesích, včetně Karáčí (Pákistán), Wu-chan a Šanghaj (Čína), Nové Dillí a Kalkata (Indie). "I malé změny ve srážkách způsobené změnami ve využívání půdy ve větru mohou mít velký dopad na křehkost městských vodovodů," říká.
Některé modely dokonce naznačují, že odlesňování tím, že ničí zdroj vlhkosti, hrozí změnou povětrnostních podmínek daleko za plovoucí řeky. Jak víte, El Niño - výkyvy teploty větru a proudy v tropickém Tichém oceánu - nepřímo ovlivňují počasí na odlehlých místech. Podobně by odlesňování v Amazonii mohlo snížit srážky na americkém Středozápadě a sněhovou pokrývku v pohoří Sierra Nevada, říká klimatolog University of Miami Roni Avissar, který takové propojení modeluje. Přitažlivé? "Vůbec ne," odpoví. "Víme, že El Niño je toho schopen, protože na rozdíl od odlesňování se tento jev opakuje a pozorujeme vzorec." Oba jsou způsobeny malými změnami teploty a vlhkosti, která se uvolňuje do atmosféry."
Výzkumný pracovník Stockholmské univerzity Lan Wang-Erlandsson, který zkoumá vzájemné působení půdy, vody a klimatu, říká, že je čas přejít od využívání vody a podpovrchových vod v rámci konkrétního povodí k změně využití půdy za hranicemi. "K udržování lesů v oblastech, kde se tvoří vzduchové hmoty, jsou nutné nové mezinárodní hydrologické dohody," říká.
Před dvěma lety, na setkání Fóra OSN o lesích, kterého se účastní vlády všech zemí, předložil vědec z University of Bern David Ellison případovou studii. Prokázal, že až 40% celkových srážek v etiopské vysočině, hlavním zdroji Nilu, pochází z vlhkosti, která se vrací z lesů v povodí Konga. Egypt, Súdán a Etiopie vyjednávají dlouhodobě dohodu o rozdělení nilských vod. Ale taková dohoda by neměla smysl, kdyby odlesňování v Kongo povodí, daleko od tří zemí, vyschlo zdroj vlhkosti, navrhl Ellison. "Vztah mezi lesy a vodou při hospodaření se sladkou vodou na světě je téměř zcela ignorován."
Teorie biotického čerpadla posune sázky ještě dále, protože se očekává, že úbytek lesů ovlivní nejen zdroje vlhkosti, ale také větrné vzorce. Ellison varuje, že pokud bude tato teorie potvrzena, bude „kritická pro modely planetární cirkulace vzduchu“- zejména ty, které přepravují vlhký vzduch do vnitrozemí.
***
Ale příznivci teorie jsou zatím v menšině. V roce 2010 předložili Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre a Bai-Liang Li, ekolog na Kalifornské univerzitě v Riverside, svůj historický popis biotické pumpy v Atmosférické chemii a fyzice, hlavní časopis s otevřeným recenzním řízením. Ale článek „Odkud pochází vítr?“byl na internetu kritizován a časopisu trvalo mnoho měsíců, než jej našli pouze dva vědci. Isaac Held, meteorolog v Geofyzikální laboratoři dynamiky tekutin na Princetonské univerzitě, se dobrovolně přihlásil - a doporučil, aby byla publikace zamítnuta. "Není to záhadný efekt," říká. „Obecně je to zanedbatelné a navíc je již zohledněno v řadě atmosférických modelů.“Kritici říkají, že expanze vzduchu z tepla,který je uvolňován během kondenzace vodní páry, působí proti prostorovému účinku kondenzace. Makarieva však tvrdí, že tyto dva efekty jsou prostorově oddělené: k oteplování dochází v nadmořské výšce a ke snížení kondenzačního tlaku dochází blíže k povrchu, kde se vytváří biotický vítr.
Dalším recenzentem byla Judith Curry, atmosférická fyzikka na Technologickém institutu v Georgii. Dlouho se obávala stavu atmosféry a cítila, že by článek měl být zveřejněn, protože „konfrontace má špatný vliv na klimatologii a pro fyziky potřebuje krev z nosu.“Po třech letech debaty editor časopisu Heldovo doporučení zamítl a článek publikoval. Zároveň však poznamenal, že publikaci nelze považovat za schválení, ale bude sloužit jako vědecký dialog o kontroverzní teorii - potvrdit ji nebo vyvrátit.
Od té doby neproběhlo žádné potvrzení ani vyvrácení - konfrontace pokračovala. Klimatický simulátor Columbia University Gavin Schmidt říká: „To je prostě nesmysl.“Autoři reagují na tuto kritiku takto: „Ve skutečnosti si kvůli matematice nejsou jisti, zda pokračovat v dialogu.“Brazilský meteorolog a vedoucí Národního centra pro prevenci a monitorování katastrof Jose Marengo říká: „Myslím, že čerpadlo existuje, ale nyní je to všechno teoretické. Experti na klimatické modely to nepřijali, ale Rusové jsou nejlepší teoretici na světě, a proto musí být provedeny vhodné terénní experimenty, aby bylo vše zkontrolováno. ““Zatím však nikdo, ani sama Makarieva, takové experimenty nenavrhl.
Makarieva se opírá o teorii, přičemž v řadě nedávných prací tvrdí, že stejný mechanismus může ovlivnit tropické cyklony - jsou poháněny teplem uvolněným při kondenzaci vlhkosti přes oceán. V novinách Atmosférický výzkum 2017 navrhla ona a její kolegové, že biotická čerpadla ve tvaru lesa vytáhnou vzduch bohatý na vlhkost z původů cyklónů. To, vysvětluje, vysvětluje, proč se v jižním Atlantském oceánu vytvářejí cyklóny zřídka: deštné pralesy Amazonky a Konga vypouštějí tolik vlhkosti, že pro hurikány zbývá příliš málo.
Hlavní výzkumník hurikánu na MIT, Kerry Emanuel, říká, že navrhované efekty jsou „významné, ale zanedbatelné“. Upřednostňuje jiná vysvětlení před nepřítomností hurikánů v jižním Atlantiku, například chladné vody v regionu uvolňují do vzduchu méně vlhkosti a jeho silné větry brání vytváření cyklónů. Makarieva naopak odmítá tradicionalisty a věří, že některé z existujících teorií o intenzitě hurikánu „odporují zákonům termodynamiky“. Má další článek v časopise Journal of Atmospheric Sciences - čeká na přezkum. "Bojíme se, že navzdory podpoře editora bude naše práce znovu odmítnuta," říká.
Ačkoli Makaryevovy myšlenky jsou na Západě považovány za okrajové, v Rusku se zakořenily postupně. V loňském roce vláda zahájila veřejný dialog o revizi lesnických zákonů. S výjimkou starých chráněných oblastí jsou ruské lesy otevřeny komerčnímu využívání, ale vláda a Federální lesnická agentura zvažují novou kategorii - lesy na ochranu klimatu. "Někteří z našeho lesnického oddělení jsou ohromeni myšlenkou biotické pumpy a chtějí představit novou kategorii," říká. Tuto myšlenku podpořila také Ruská akademie věd. Makarieva říká, že být součástí konsensu, a ne věčným outsiderem, je nové a neobvyklé.
Letos v létě byla její cesta do severních lesů narušena epidemií koronaviry a karanténou. Doma v Petrohradě se posadila na další kolo námitek od anonymních recenzentů. Je přesvědčena, že teorie pumpy vyhraje dříve či později. "Ve vědě je přirozená setrvačnost," říká. S temným ruským humorem si vzpomíná na slova legendárního německého fyzika Maxe Plancka, který slavně popsal pokrok vědy: „řada pohřbů“.