Анастасия Макариева, ядрен физик от Петербургския институт за ядрена физика, защитава теорията, че тайговите гори на Русия регулират климата на северните райони на Азия повече от десет години. Много западни метеоролози не са съгласни с нея, но правителството и учените в Русия се интересуват от тази теория.
Всяко лято, когато дните стават по-дълги, Анастасия Макариева напуска лабораторията си в Санкт Петербург и заминава на почивка в безкрайните гори на руския север. Ядрен физик поставя палатка на брега на Бяло море, сред ели и борове, плува на каяк по безкрайните реки на региона и си прави бележки за природата и времето. „Горите са голяма част от моя личен живот“, казва тя. За 25 години годишно поклонение на север те се превърнаха във важна част от професионалния й живот.
Повече от десет години Макариева защитава теорията, която разработва заедно с Виктор Горшков, нейният ментор и колега от Петербургския институт по ядрена физика (PNPI), за това как бореалните (тайговите) гори на Русия, най-голямата гора на Земята, регулират климата на Северна Азия. Тази проста, но всеобхватна физическа теория описва как издишаната от дърветата водна пара създава ветрове - тези ветрове преминават през континента, носейки влажен въздух от Европа през Сибир и по-нататък до Монголия и Китай; тези ветрове носят дъждовете, които захранват гигантските реки на Източен Сибир; тези ветрове напояват северната равнина на Китай, житницата на най-населената страна на планетата.
Поради способността си да абсорбира въглероден диоксид и да диша кислород, големите гори често се наричат белите дробове на планетата. Но Макариева и Горшков (той почина миналата година) са убедени, че те също са нейното сърце. „Горите са сложни, самоподдържащи се дъждовни системи и основен фактор в циркулацията на атмосферата на Земята“, казва Макариева. Те рециркулират огромни количества влага във въздуха и в процеса създават ветрове, които изпомпват тази вода по целия свят. Първата част от тази теория - че горите правят дъжд - е в съответствие с научните изследвания на други учени и все по-често се помни при управлението на водните ресурси на фона на бурно обезлесяване. Но втората част, теорията, която Макариева нарича биотичната помпа, е много по-противоречива.
Теоретичната основа на работата беше публикувана - макар и в по-малко известни списания - и малка група колеги подкрепиха Макариева. Но теорията за биотичната помпа получи редица критики - особено от климатичните моделисти. Някои смятат, че въздействието на помпата е незначително, докато други напълно отричат. В резултат Макариева се озова в ролята на аутсайдер: теоретичен физик сред разработчиците на модели, рускиня сред западните учени и жена в област, управлявана от мъже.
Ако обаче теорията й е вярна, тя ще може да обясни защо, въпреки значителното разстояние от океаните, във вътрешността на гористите континенти има толкова валежи, колкото на брега, и защо вътрешността на безлесни континенти, напротив, обикновено е суха. Това също предполага, че горите - от руската тайга до тропическите гори на Амазонка - не растат само там, където времето е точно. Те сами го правят. „От това, което прочетох, заключих, че биотичната помпа работи“, казва Дъглас Шейл, горски еколог от Норвежкия университет по природни науки. Със съдбата на въпросните гори по света той казва: „Дори да има и най-малкия шанс тази теория да е правилна, е наложително да разберете със сигурност“.
Много учебници по метеорология все още предоставят диаграма на водния цикъл в природата, където основната причина за атмосферната влага, която се кондензира в облаците и пада като дъжд, е изпаряването на океана. Тази схема напълно игнорира ролята на растителността и особено на дърветата, които действат като гигантски фонтани. Корените им черпят вода от почвата за фотосинтеза, а микроскопичните пори в листата изпаряват неизползваната вода във въздуха. Този процес - вид изпотяване, само при дърветата - се нарича транспирация. Така едно зряло дърво отделя стотици литри вода на ден. Поради голямата площ на листната маса, гората често отделя повече влага във въздуха, отколкото водно тяло със същия размер.
Ролята на тази вторична влага за образуването на дъждовни хранителни дъждове е пренебрегната до 1979 г., когато бразилският метеоролог Енеас Салати изследва изотопния състав на дъждовната вода от Амазонка. Оказа се, че водата, връщана чрез транспирация, съдържа повече молекули с тежкия изотоп кислород-18, отколкото водата се изпарява от океана. Така Салати показа, че половината от валежите над Амазонка падна в резултат на изпаряване на гората.
Метеоролозите проследиха атмосферната струя над гората на височина около 1,5 километра. Тези ветрове - наричани общо южноамериканския долен струен поток - духат от запад на изток през Амазонка със скоростта на състезателен мотор, след което планините на Андите ги носят на юг. Салати и други предположиха, че именно те пренасят по-голямата част от освободената влага и ги нарекоха "летящата река". Според климатолога Антонио Нобре от Бразилския национален институт за космически изследвания, летящата река Амазонка носи толкова вода днес, колкото гигантската река на Земята под нея.
Известно време се смяташе, че летящите реки са ограничени до басейна на Амазонка. Но през 90-те години хидрологът Хуберт Савение от Техническия университет в Делфт започва да изучава рециркулацията на влага в Западна Африка. Използвайки хидрологичен модел на метеорологичните данни, той установява, че колкото по-далече е вътрешността на брега, толкова по-голям е делът на валежите, които падат от горите - до 90% във вътрешността. Това откритие обяснява защо вътрешният Сахел става все по-сух: крайбрежните гори са изчезнали през последните половин век.
Един от учениците на Savenier, Рууд ван дер Ент, разработи идеята си, като създаде глобален модел на въздушния поток от влага. Той събра наблюдения на валежите, влажността, скоростта и температурата на вятъра и теоретичните оценки на изпарението и транспирацията и създаде първия модел за транспортиране на влага в мащаби отвъд речните басейни.
През 2010 г. Ван дер Ент и неговите колеги разкриха констатацията си, че в световен мащаб 40% от всички валежи се наблюдават на сушата, а не на океана. Често дори повече. Летящата река Амазонка осигурява 70% от валежите в басейна на Рио де ла Плата, който се простира в югоизточна Южна Америка. Ван дер Ент беше доста изненадан, когато установи, че Китай получава 80% от водата си от запад - и това е главно атлантическа влага, която се обработва от тайговите гори на Скандинавия и Русия. Пътуването има няколко етапа - транспирационни цикли с асоцииран дъжд - и отнема шест месеца или повече. „Това противоречи на предишната информация, която всички учат в гимназията“, казва той. "Китай е близо до океана, Тихия океан, но по-голямата част от валежите са влагата от сушата в далечния запад."
***
Ако Макариева е права, горите осигуряват не само влага, но и създават вятъра, който я носи.
Тя работи с Горшков от четвърт век. Започва като студентка в PNPI, подразделение на Курчатовския институт, най-големия руски институт за ядрени изследвания, както граждански, така и военни. От самото начало те работеха на полето и се занимаваха с екология в института, където физиците изучават материали, използвайки ядрени реактори и неутронни лъчи. Според теоретиците, тя припомня, те имаха „изключителна свобода на изследване и мисъл“- те се занимаваха с атмосферна физика, където и да ги отнемат. "Виктор ме научи: не се бойте от нищо", казва тя.
През 2007 г. те представят за първи път своята теория за биотичната помпа в списанието Hydrology and Earth Sciences. Той се считаше за провокативен от самото начало, защото противоречи на отдавнашен принцип на метеорологията: ветровете се причиняват главно от диференциално нагряване на атмосферата. Докато се издига, топлият въздух понижава налягането на слоевете отдолу, създавайки по същество ново пространство за себе си на повърхността. През лятото например земната повърхност се загрява по-бързо и привлича влажни бриз от по-хладния океан.
Макариева и Горшков твърдят, че понякога преобладава различен процес. Когато водната пара от гора се кондензира в облаци, газът се превръща в течност - и поема по-малко обем. Това намалява налягането на въздуха и изтегля въздуха хоризонтално от области с по-малко конденз. На практика това означава, че кондензът над крайбрежните гори принуждава морския бриз, изтласквайки влажния въздух във вътрешността, където в крайна сметка той се кондензира и пада като дъжд. Ако горите се простират във вътрешността, цикълът продължава, поддържайки влажни ветрове на хиляди километри.
Тази теория преобръща традиционния възглед: не хидрологичният цикъл контролира атмосферната циркулация, а напротив, хидрологичният цикъл регулира масовата циркулация на въздуха.
Шил и той стана привърженик на теорията преди повече от десет години, смята за развитие на идеята за летящи реки. „Те не са взаимно изключващи се“, казва той. "Помпата обяснява силата на реките." Той смята, че биотичната помпа обяснява „студен парадокс на Амазонка“. От януари до юни, когато басейна на Амазонка е по-студен от океана, силни ветрове духат от Атлантика до Амазонка, въпреки че теорията за диференциалното отопление предполага друго. Нобре, друг дългогодишен поддръжник, с ентусиазъм обяснява: „Те не идват от данни, а от основни принципи“.
Дори тези, които се съмняват в теорията, са съгласни, че загубата на гори има далечни последици за климата. Много учени твърдят, че обезлесяването преди хиляди години е довело до опустяване на вътрешните австралийски земи и Западна Африка. Съществува риск обезлесяването в бъдеще да доведе до засушаване в други региони, например част от тропическите гори на Амазонка ще се превърнат в савани. Китайските селскостопански райони, африканските Сахел и аржентинските пампаси също са застрашени, казва Патрик Кийс, химик по атмосферата в Университета на Колорадо, Форт Колинс.
През 2018 г. Кийс и колегите му използваха модел, подобен на този на ван дер Ент, за да проследят източниците на валежи за 29 глобални столични района. Той откри, че по-голямата част от водоснабдяването на 19 от тях зависи от отдалечени гори, включително Карачи (Пакистан), Ухан и Шанхай (Китай), Ню Делхи и Колката (Индия). „Дори и малките промени в валежите, причинени от промените в използването на земята надолу могат да окажат голямо влияние върху нестабилността на градските водоснабдявания“, казва той.
Някои модели дори предполагат, че обезлесяването чрез унищожаване на източника на влага заплашва да промени климатичните условия далеч отвъд плаващите реки. Както знаете, El Niño - колебанията в температурата на вятъра и теченията в тропическия Тихи океан - влияе косвено на времето в отдалечени места. По същия начин обезлесяването в Амазонка може да намали валежите в Средния Запад на САЩ и снежната покривка в Сиера Невада, казва климатологът от университета в Маями Рони Ависар, който моделира подобни връзки. Пресилено? „Изобщо - отвръща той. „Знаем, че Ел Ниньо е способен на това, защото, за разлика от обезлесяването, това явление се повтаря и ние наблюдаваме модел. И двете са причинени от малки промени в температурата и влагата, които се отделят в атмосферата “.
Изследователят от Университета на Стокхолм Лан Ванг-Ерландсон, който изследва взаимодействието на земята, водата и климата, казва, че е време да се премине от използване на водата и подземните повърхности в определен речен басейн към промяна на използването на земята отвъд. „Необходими са нови международни хидрологични споразумения за поддържане на горите в райони, където се образуват въздушни маси“, казва тя.
Преди две години, по време на среща на Форума на ООН по горите, в която участват правителства на всички страни, изследователят на земята от университета в Берн Дейвид Елисън представи казус. Той демонстрира, че до 40% от общите валежи в Етиопското планинско пространство, основният източник на Нил, идва от влага, която се връща от горите на басейна на Конго. Египет, Судан и Етиопия преговарят за дългосрочна сделка за разделяне на водите на Нил. Но подобно споразумение би било безсмислено, ако обезлесяването в басейна на Конго, далеч от трите страни, изсушава източника на влага, предположи Елисън. „Връзката между горите и водата при управлението на сладките води в света е почти напълно игнорирана“.
Теорията на биотичната помпа ще накара колове още повече, тъй като се очаква загубата на гори да засегне не само източниците на влага, но и моделите на вятъра. Елисън предупреждава, че теорията, ако бъде потвърдена, ще бъде "критична за планетарните модели на циркулация на въздуха" - особено тези, които носят влажен въздух във вътрешността.
***
Но засега привържениците на теорията са в малцинството. През 2010 г. Макариева, Горшков, Шил, Нобре и Бай-Лианг Ли, еколог от Калифорнийския университет в Ривърсайд, представят историческото си описание на биотичната помпа в Атмосферната химия и физика, главно тематично списание с отворена партньорска проверка. Но статията "Откъде идват ветровете?" беше критикуван в Интернет и на списанието бяха необходими много месеца, за да намерят само двама учени, които да го прегледат. Исак Хелд, метеоролог в лабораторията за геофизична флуидна динамика в Принстънския университет, доброволно се включи - и препоръча публикацията да бъде отменена. „Това не е мистериозен ефект“, казва той. "По принцип е незначително и освен това вече е взето предвид в редица атмосферни модели." Критиците казват, че разширяването на въздуха от топлината, т.е.който се отделя по време на кондензацията на водна пара, противодейства на пространствения ефект от кондензацията. Но Макариева казва, че тези два ефекта са пространствено разделени: затоплянето става на височина, а спадът на кондензното налягане се случва по-близо до повърхността, където се създава биотичен вятър.
Друг рецензент беше Джудит Къри, атмосферният физик от Джорджийския технологичен институт. Дълго се тревожи за състоянието на атмосферата и смята, че статията трябва да бъде публикувана, защото „конфронтацията има лош ефект върху климатологията и има нужда от кръв от носа си за физиците“. След три години дебат редакторът на списанието отхвърли препоръката на Хелд и публикува статията. Но в същото време той отбеляза, че публикацията не може да се счита за одобрение, но ще служи като научен диалог по противоречива теория - за да я потвърди или опровергае.
Оттогава не се появиха потвърждение или опровержение - конфронтацията продължи. Климатичният симулатор на университета в Колумбия Гавин Шмид казва: „Това е просто глупост“. Авторите отговарят на критиката така: "Всъщност поради математиката не са сигурни дали да продължат диалога." Бразилският метеоролог и ръководител на Националния център за предотвратяване и наблюдение на бедствия Жозе Маренго казва: „Мисля, че помпата съществува, но сега всичко е теоретично. Експертите по климатичните модели не го приеха, но руснаците са най-добрите теоретици в света, затова трябва да се проведат подходящи полеви експерименти, за да се провери всичко “. Но засега никой, дори и самата Макариева, не е предлагал подобни експерименти.
От своя страна Макариева разчита на теорията, като в поредица от скорошни работи твърди, че същият механизъм може да повлияе на тропическите циклони - те се задвижват от топлината, отделяна, когато влагата кондензира над океана. Във вестник „Атмосферни изследвания“за 2017 г. тя и нейните колеги предложиха биотичните помпи с форма на гора да изтеглят богат на влага въздух от произхода на циклона. Това, каза тя, обяснява защо циклоните рядко се образуват в Южния Атлантически океан: тропическите гори на Амазонка и Конго изтичат толкова влага, че за ураганите е останало твърде малко.
Водещият изследовател на урагани в MIT, Кери Емануел, казва, че предложените ефекти са „значителни, но незначителни“. Той предпочита други обяснения за липсата на урагани в Южния Атлантик, например хладните води на региона отделят по-малко влага във въздуха, а силните му ветрове пречат на образуването на циклони. От своя страна Макариева е еднакво отхвърляща традиционалистите, вярвайки, че някои от съществуващите теории за интензивността на урагана "противоречат на законите на термодинамиката". Тя има още една статия в Journal of Atmospheric Sciences - предстои преглед. „Притесняваме се, че въпреки подкрепата на редактора, работата ни ще бъде отхвърлена отново“, казва тя.
Въпреки че идеите на Макариева се смятат за маргинални на Запад, те постепенно се вкореняват в Русия. Миналата година правителството започна обществен диалог относно преразглеждането на законите за горите. С изключение на старите защитени територии, руските гори са отворени за търговска експлоатация, но правителството и Федералната агенция по горите обмислят нова категория - гори за защита на климата. „Някои от нашия горски отдел са впечатлени от идеята за биотичната помпа и искат да въведат нова категория“, казва тя. Идеята беше подкрепена и от Руската академия на науките. Макариева казва, че да бъдеш част от консенсуса, а не вечен аутсайдер, е ново и необичайно.
Това лято пътуването й до северните гори бе прекъснато от коронавирусната епидемия и карантина. Вкъщи в Санкт Петербург тя седна за още един кръг от възражения от анонимни рецензенти. Тя е убедена, че теорията на помпата ще спечели рано или късно. „В науката има естествена инертност“, казва тя. С тъмен руски хумор тя припомня думите на легендарния немски физик Макс Планк, който даде известното описание на напредъка на науката: "поредица от погребения".