Satura rādītājs:

Meži regulē klimatu un rada vēju - biotiskā sūkņa teorija
Meži regulē klimatu un rada vēju - biotiskā sūkņa teorija

Video: Meži regulē klimatu un rada vēju - biotiskā sūkņa teorija

Video: Meži regulē klimatu un rada vēju - biotiskā sūkņa teorija
Video: Святые про Сатья Саи Бабу - Садхгуру, Рамана Махарши 2024, Marts
Anonim

Sanktpēterburgas Kodolfizikas institūta kodolfiziķe Anastasija Makarijeva jau vairāk nekā desmit gadus aizstāv teoriju, ka Krievijas taigas meži regulē Āzijas ziemeļu reģionu klimatu. Daudzi Rietumu meteorologi viņai nepiekrīt, bet valdība un zinātnieki Krievijā ir ieinteresēti šajā teorijā.

Katru vasaru, dienām kļūstot garākai, Anastasija Makarijeva pamet savu laboratoriju Sanktpēterburgā un dodas atvaļinājumā uz nebeidzamajiem Krievijas ziemeļu mežiem. Kodolfiziķis uzceļ telti Baltās jūras krastā, starp eglēm un priedēm, peld ar kajaku pa nebeidzamajām reģiona upēm un pieraksta dabu un laikapstākļus. "Meži ir liela manas personīgās dzīves sastāvdaļa," viņa saka. 25 gadus ilgajā ikgadējā svētceļojumā uz ziemeļiem viņi ir kļuvuši par svarīgu viņas profesionālās dzīves sastāvdaļu.

Vairāk nekā desmit gadus Makarijeva aizstāv teoriju, ko viņa izstrādāja kopā ar savu mentoru un kolēģi no Pēterburgas Kodolfizikas institūta (PNPI) Viktoru Gorškovu, par to, kā Krievijas boreālie (taigas) meži ir lielākais mežs. uz Zemes, regulē Āzijas ziemeļu klimatu. Šī vienkāršā, bet tālejošā fizikālā teorija apraksta, kā koku izelpotie ūdens tvaiki rada vējus – šie vēji šķērso kontinentu, nesot mitru gaisu no Eiropas pāri Sibīrijai un tālāk uz Mongoliju un Ķīnu; šie vēji nes lietusgāzes, kas baro Austrumsibīrijas milzu upes; šie vēji dzirdina Ķīnas ziemeļu līdzenumu, planētas visvairāk apdzīvotās valsts klēti.

Tā kā lielie meži spēj absorbēt oglekļa dioksīdu un izelpot skābekli, tos bieži sauc par planētas plaušām. Bet Makarijeva un Gorškovs (viņš nomira pagājušajā gadā) ir pārliecināti, ka viņi ir arī viņas sirds. "Meži ir sarežģītas, pašpietiekamas lietus sistēmas un galvenais atmosfēras cirkulācijas faktors uz Zemes," saka Makarieva. Viņi recirkulē milzīgu daudzumu mitruma gaisā un šajā procesā rada vējus, kas sūknē šo ūdeni visā pasaulē. Šīs teorijas pirmā daļa – ka meži rada lietus – saskan ar citu zinātnieku pētījumiem un arvien vairāk tiek atcerēties, apsaimniekojot ūdens resursus niknās mežu izciršanas apstākļos. Bet otrā daļa, teorija, ko Makarieva sauc par biotisko sūkni, ir daudz pretrunīgāka.

Darba teorētiskais pamatojums tika publicēts - lai arī mazāk zināmos žurnālos -, un Makarijevu atbalstīja neliela kolēģu grupa. Taču biotiskā sūkņa teorija ir saņēmusi daudz kritikas, īpaši no klimata modelētājiem. Daži uzskata, ka sūkņa ietekme ir niecīga, bet citi to noliedz vispār. Rezultātā Makarijeva nokļuva autsaideras lomā: teorētiskā fiziķe modeļu izstrādātāju vidū, krieviete Rietumu zinātnieku vidū un sieviete vīriešu pārvaldītā apgabalā.

Taču, ja viņas teorija būs pareiza, tā spēs izskaidrot, kāpēc, neskatoties uz ievērojamo attālumu no okeāniem, mežaino kontinentu iekšienē ir tikpat daudz nokrišņu kā piekrastē un kāpēc bezkokiem kontinentu iekšienē, pretēji, parasti ir sauss. Tas arī nozīmē, ka meži - no Krievijas taigas līdz Amazones lietus mežiem - neaug tikai tur, kur ir piemēroti laikapstākļi. Viņi to gatavo paši. "No tā, ko es izlasīju, esmu secinājis, ka biotiskais sūknis darbojas," saka Duglass Šeils, Norvēģijas Dzīvības zinātņu universitātes meža ekologs. Tā kā pasaules mežu liktenis ir apšaubāms, viņš saka: "Pat tad, ja ir kaut mazākā iespēja, ka šī teorija ir pareiza, tas noteikti ir jānoskaidro."

Daudzās meteoroloģijas mācību grāmatās joprojām ir sniegta diagramma par ūdens ciklu dabā, kur galvenais atmosfēras mitruma cēlonis, kas kondensējas mākoņos un nokrīt lietus veidā, ir okeāna iztvaikošana. Šī shēma pilnībā ignorē veģetācijas un jo īpaši koku lomu, kas darbojas kā milzu strūklakas. To saknes izvelk ūdeni no augsnes fotosintēzei, un mikroskopiskās poras lapās iztvaiko neizmantoto ūdeni gaisā. Šo procesu - sava veida svīšanu, tikai kokos - sauc par transpirāciju. Tādējādi viens nobriedis koks dienā izdala simtiem litru ūdens. Lielā lapotnes platības dēļ mežs nereti gaisā izdala vairāk mitruma nekā tāda paša izmēra ūdenstilpne.

Lietus parāde

Tā sauktās "lidojošās upes" ir valdošie vēji, kas absorbē no mežiem izplūstošos ūdens tvaikus un nogādā lietus tālās ūdenstilpēs. Pretrunīga teorija liecina, ka meži paši pārvalda vējus.

Saskaņā ar biotiskā sūkņa teoriju meži rada ne tikai lietus, bet arī vēju. Kad ūdens tvaiki kondensējas virs piekrastes mežiem, gaisa spiediens samazinās un rodas vēji, kas iesūc mitru okeāna gaisu. Transpirācijas un kondensācijas cikli rada vējus, kas nes lietus tūkstošiem kilometru iekšzemē.

Tātad aptuveni 80% nokrišņu Ķīnā nāk no rietumiem, pateicoties Transsibīrijas lidojošajai upei. Un lidojošā Amazones upe nodrošina 70% nokrišņu Dienvidamerikas dienvidaustrumu daļā.

Šī sekundārā mitruma nozīme barības vielu lietus veidošanā lielā mērā tika ignorēta līdz 1979. gadam, kad Brazīlijas meteorologs Eneas Salati pētīja Amazones baseina lietus ūdens izotopu sastāvu. Izrādījās, ka transpirācijas ceļā atgrieztajā ūdenī ir vairāk molekulu ar smago izotopu skābekli-18 nekā ūdenī, kas iztvaikojis no okeāna. Tātad Salati parādīja, ka puse no nokrišņu daudzuma virs Amazones nokrita mežu iztvaikošanas rezultātā.

Meteorologi atmosfēras strūklu izsekoja virs meža aptuveni 1,5 kilometru augstumā. Šie vēji – kopā saukti par Dienvidamerikas zemāko strūklu plūsmu – pūš no rietumiem uz austrumiem pāri Amazonei ar sacīkšu velosipēda ātrumu, pēc tam Andu kalni tos vilka uz dienvidiem. Salati un citi norādīja, ka tieši viņi nesa lielāko daļu izdalītā mitruma, un nosauca tos par "lidojošo upi". Saskaņā ar Brazīlijas Nacionālā kosmosa pētniecības institūta klimatologa Antonio Nope teikto, lidojošā Amazones upe mūsdienās nes tikpat daudz ūdens, cik milzu Zemes upe zem tās.

Kādu laiku tika uzskatīts, ka lidojošās upes aprobežojas ar Amazones baseinu. Bet deviņdesmitajos gados hidrologs Huberts Savenije Deltfes Tehnoloģiju universitātē sāka pētīt mitruma recirkulāciju Rietumāfrikā. Izmantojot laikapstākļu datu hidroloģisko modeli, viņš atklāja, ka jo tālāk iekšzemē no krasta, jo lielāks nokrišņu īpatsvars no mežiem - līdz pat 90% iekšzemē. Šis atklājums izskaidro, kāpēc iekšējā Sāhela kļūst sausāka: pēdējā pusgadsimta laikā piekrastes meži ir izzuduši.

Viens no Savenjē studentiem Rūds van der Ents attīstīja savu ideju, izveidojot globālu mitruma gaisa plūsmas modeli. Viņš apkopoja nokrišņu, mitruma, vēja ātruma un temperatūras novērojumus un iztvaikošanas un transpirācijas teorētiskos aprēķinus un izveidoja pirmo mitruma transportēšanas modeli mērogos ārpus upju baseiniem.

2010. gadā Van der Ents un viņa kolēģi atklāja, ka pasaulē 40% no visiem nokrišņiem notiek uz sauszemes, nevis okeānā. Bieži vien pat vairāk. Lidojošā Amazones upe nodrošina 70% no nokrišņu daudzuma Riode la Platas baseinā, kas stiepjas pāri Dienvidamerikas dienvidaustrumiem. Van der Ents bija diezgan pārsteigts, atklājot, ka Ķīna 80% ūdens saņem no rietumiem – turklāt galvenokārt tas ir Atlantijas mitrums, ko apstrādā Skandināvijas un Krievijas taigas meži. Ceļojumam ir vairāki posmi - transpirācijas cikli ar saistīto lietu - un ilgst sešus mēnešus vai vairāk. "Tas ir pretrunā ar iepriekšējo informāciju, ko visi mācās vidusskolā," viņš saka. "Ķīna atrodas tuvu okeānam, Klusajam okeānam, bet lielākā daļa nokrišņu ir mitrums no sauszemes galējos rietumos."

Ja Makarijevai ir taisnība, meži nodrošina ne tikai mitrumu, bet arī rada vēju, kas to nes.

Viņa strādāja kopā ar Gorškovu ceturtdaļu gadsimta. Viņa sāka kā studente PNPI, Kurčatova institūta, lielākā Krievijas kodolpētniecības institūta, gan civilā, gan militārā, apakšnodaļā. Jau no paša sākuma viņi strādāja laukā un nodarbojās ar ekoloģiju institūtā, kur fiziķi pēta materiālus, izmantojot kodolreaktorus un neitronu starus. Kā teorētiķi, viņa atceras, viņiem bija "izņēmuma izpētes un domāšanas brīvība" - viņi nodarbojās ar atmosfēras fiziku, lai kur tas viņus aizvestu. "Viktors man mācīja: nebaidieties no nekā," viņa saka.

2007. gadā viņi pirmo reizi prezentēja savu teoriju par biotisko sūkni žurnālā Hidroloģija un Zemes zinātnes. Tas jau no paša sākuma tika uzskatīts par provokatīvu, jo tas bija pretrunā ar sen pastāvējušu meteoroloģijas principu: vējus galvenokārt izraisa atšķirīga atmosfēras uzkaršana. Kad siltais gaiss paceļas, tas pazemina spiedienu zemāk esošajos slāņos, būtībā radot sev jaunu vietu uz virsmas. Piemēram, vasarā zemes virsma uzsilst ātrāk un piesaista mitras vēsmas no vēsāka okeāna.

Makarijeva un Gorškovs apgalvo, ka dažkārt dominē cits process. Kad ūdens tvaiki no meža kondensējas mākoņos, gāze kļūst par šķidrumu – un tā aizņem mazāku tilpumu. Tas samazina gaisa spiedienu un horizontāli ievelk gaisu no vietām, kur ir mazāks kondensāts. Praksē tas nozīmē, ka kondensāts virs piekrastes mežiem rada jūras brīzes, iespiežot mitru gaisu iekšā, kur tas galu galā kondensējas un nokrīt lietus veidā. Ja meži stiepjas iekšzemē, cikls turpinās, saglabājot mitru vēju tūkstošiem kilometru.

Šī teorija apgāž tradicionālo uzskatu: hidroloģisko ciklu nekontrolē atmosfēras cirkulācija, bet, gluži pretēji, hidroloģiskā cikls regulē gaisa masu cirkulāciju.

Šīls, un viņš kļuva par teorijas atbalstītāju vairāk nekā pirms desmit gadiem, uzskata, ka tā ir idejas par lidojošām upēm attīstību. "Tie nav viens otru izslēdzoši," viņš saka. "Sūknis izskaidro upju stiprumu." Viņš uzskata, ka biotiskais sūknis izskaidro "auksto Amazones paradoksu". No janvāra līdz jūnijam, kad Amazones baseins ir vēsāks par okeānu, spēcīgi vēji pūš no Atlantijas okeāna līdz Amazonei – lai gan diferenciālās apkures teorija liecina par pretējo. Nobre, vēl viens ilggadējs atbalstītājs, entuziastiski skaidro: "Tie nav iegūti no datiem, bet no pamatā esošajiem principiem."

Pat tie, kas šaubās par teoriju, piekrīt, ka mežu zudumam ir tālejošas sekas klimatam. Daudzi zinātnieki apgalvo, ka mežu izciršana pirms tūkstošiem gadu izraisīja Austrālijas iekšējo zemju un Rietumāfrikas pārtuksnešošanos. Pastāv risks, ka mežu izciršana nākotnē izraisīs sausumu citos reģionos, piemēram, daļa Amazones lietus mežu pārvērtīsies savannā. Arī Ķīnas lauksaimniecības reģioni, Āfrikas Sāhela un Argentīnas pampas ir apdraudēti, saka Patriks Kīss, Kolorādo universitātes Fortkolinsas atmosfēras ķīmiķis.

2018. gadā Kīss un kolēģi izmantoja van der Enta modelim līdzīgu modeli, lai izsekotu nokrišņu avotus 29 pasaules lielpilsētu teritorijās. Viņš atklāja, ka lielākā daļa ūdens piegādes 19 no tām ir atkarīga no attāliem mežiem, tostarp Karači (Pakistāna), Uhaņa un Šanhaja (Ķīna), Ņūdeli un Kolkata (Indija)."Pat nelielas nokrišņu izmaiņas, ko izraisa zemes izmantošanas izmaiņas pa vējam, var būtiski ietekmēt pilsētu ūdensapgādes trauslumu," viņš saka.

Daži modeļi pat liecina, ka mežu izciršana, iznīcinot mitruma avotu, draud mainīt laika apstākļus tālu aiz peldošajām upēm. Kā zināms, El Niño – vēja temperatūras svārstības un straumes tropiskajā Klusajā okeānā – netieši ietekmē laikapstākļus nomaļās vietās. Tāpat Amazones mežu izciršana varētu samazināt nokrišņu daudzumu ASV Vidusrietumos un sniega segu Sjerranevadā, saka Maiami Universitātes klimatologs Roni Avisārs, kurš modelē šādus savienojumus. Tālu izdomāts? "Nemaz," viņš atbild. "Mēs zinām, ka El Niño to spēj, jo atšķirībā no mežu izciršanas šī parādība atkārtojas, un mēs novērojam modeli. Abus izraisa nelielas temperatūras izmaiņas un mitrums, kas nonāk atmosfērā.

Stokholmas universitātes pētnieks Lans Vans-Erlandsons, kurš pēta zemes, ūdens un klimata mijiedarbību, saka, ka ir pienācis laiks pāriet no ūdens un zemūdens izmantošanas konkrētā upes baseinā uz zemes izmantošanas izmaiņām ārpus tās. "Ir nepieciešami jauni starptautiski hidroloģijas līgumi, lai uzturētu mežus apgabalos, kur veidojas gaisa masas," viņa saka.

Pirms diviem gadiem ANO Mežu foruma sanāksmē, kurā piedalās visu valstu valdības, Bernes Universitātes zemes pētnieks Deivids Elisons iepazīstināja ar gadījuma izpēti. Viņš pierādīja, ka līdz 40% no kopējā nokrišņu daudzuma Etiopijas augstienē, kas ir galvenais Nīlas avots, nāk no mitruma, kas atgriežas no Kongo baseina mežiem. Ēģipte, Sudāna un Etiopija risina sarunas par sen nokavēto vienošanos par Nīlas ūdeņu dalīšanu. Taču šāda vienošanās būtu bezjēdzīga, ja mežu izciršana Kongo baseinā, kas atrodas tālu no trim valstīm, izžāvē mitruma avotu, ierosināja Elisons. "Attiecības starp mežiem un ūdeni pasaules saldūdens apsaimniekošanā tiek gandrīz pilnībā ignorētas."

Biotiskā sūkņa teorija vēl vairāk paaugstinās likmes, jo sagaidāms, ka meža zudums ietekmēs ne tikai mitruma avotus, bet arī vēja modeļus. Elisons brīdina, ka teorija, ja tā tiks apstiprināta, būs "kritiska planētu gaisa cirkulācijas modeļiem" - īpaši tiem, kas transportē mitru gaisu iekšzemē.

Taču pagaidām teorijas piekritēji ir mazākumā. 2010. gadā Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre un Bai-Liang Li, ekologs Kalifornijas Universitātē Riversaidā, iesniedza savu vēsturisko biotiskā sūkņa aprakstu Atmosfēras ķīmijas un fizikas galvenajā žurnālā ar atklātu salīdzinošo pārskatīšanu. Bet raksts "No kurienes nāk vēji?" tika kritizēts internetā, un žurnālam bija vajadzīgi daudzi mēneši, lai atrastu tikai divus zinātniekus, kas to pārskatītu. Īzaks Helds, Prinstonas universitātes Ģeofizikālo šķidrumu dinamikas laboratorijas meteorologs, brīvprātīgi pieteicās un ieteica publikāciju noraidīt. "Tas nav noslēpumains efekts," viņš saka. "Tas kopumā ir nenozīmīgs, un turklāt tas jau ir ņemts vērā vairākos atmosfēras modeļos." Kritiķi saka, ka gaisa izplešanās no siltuma, ko rada ūdens tvaiku kondensācija, neitralizē kondensācijas telpisko efektu. Taču Makarijeva saka, ka šie divi efekti ir telpiski atdalīti: sasilšana notiek augstumā, un kondensācijas spiediena kritums notiek tuvāk virsmai, kur rodas biotiskais vējš.

Vēl viena recenzente bija Džūdita Karija, Džordžijas Tehnoloģiju institūta atmosfēras fiziķe. Viņa jau sen uztraucas par atmosfēras stāvokli un uzskatījusi, ka raksts ir jāpublicē, jo "konfrontācija slikti ietekmē klimatoloģiju, un viņai vajag asinis no deguna fiziķiem". Pēc trīs gadu debatēm žurnāla redaktors Helda ieteikumu noraidīja un publicēja rakstu. Taču vienlaikus viņš norādīja, ka publikāciju nevar uzskatīt par apstiprinājumu, bet tā kalpos kā zinātnisks dialogs par strīdīgu teoriju – lai to apstiprinātu vai atspēkotu.

Kopš tā laika nekāds apstiprinājums vai atspēkojums nav nācis klajā – konfrontācija turpinājās. Kolumbijas universitātes klimata simulators Gevins Šmits saka: "Tas ir tikai muļķības." Autori uz kritiku atbild šādi: "Patiesībā matemātikas dēļ viņi nav pārliecināti, vai ir vērts turpināt dialogu." Brazīlijas meteorologs un Nacionālā dabas katastrofu uzraudzības un novēršanas centra vadītājs Hosē Marengo saka: “Es domāju, ka sūknis pastāv, bet tagad tas viss ir teorijas līmenī. Klimata modeļu eksperti to nepieņēma, bet krievi ir labākie teorētiķi pasaulē, tāpēc ir jāveic atbilstoši lauka eksperimenti, lai visu pārbaudītu. Taču līdz šim neviens, pat pati Makarijeva, nav ierosinājis šādus eksperimentus.

Savukārt Makarijeva paļaujas uz teoriju, virknē jaunāko darbu apgalvojot, ka viens un tas pats mehānisms var ietekmēt tropiskos ciklonus – tos virza siltums, kas izdalās, mitrumam kondensējoties virs okeāna. 2017. gada laikrakstā Atmospheric Research viņa un viņas kolēģi ierosināja, ka meža formas biotiskie sūkņi ievelk mitrumu bagātu gaisu no ciklona izcelsmes. Tas, viņa saka, izskaidro, kāpēc Atlantijas okeāna dienvidos reti veidojas cikloni: Amazones un Kongo lietus meži izsūc tik daudz mitruma, ka viesuļvētrām atliek pārāk maz.

MIT vadošais viesuļvētru pētnieks Kerijs Emanuels saka, ka ierosinātās sekas ir "nozīmīgas, bet nenozīmīgas". Viņš dod priekšroku citiem skaidrojumiem, nevis viesuļvētru neesamībai Atlantijas okeāna dienvidos, piemēram, reģiona vēsajos ūdeņos gaisā izdalās mazāk mitruma, un tā spēcīgais vējš neļauj veidoties cikloniem. Savukārt Makarijeva vienlīdz noraidoši izturas pret tradicionālistiem, uzskatot, ka dažas no esošajām teorijām par viesuļvētru intensitāti "ir pretrunā ar termodinamikas likumiem". Viņai ir vēl viens raksts Atmosfēras zinātņu žurnālā - gaida pārskatīšanu. "Mēs esam noraizējušies, ka, neskatoties uz redaktora atbalstu, mūsu darbs atkal tiks noraidīts," viņa saka.

Lai arī Rietumos Makarjevas idejas tiek uzskatītas par marginālām, Krievijā tās pamazām iesakņojas. Pērn valdība uzsāka publisku dialogu par mežsaimniecības likumu pārskatīšanu. Izņemot vecās aizsargājamās teritorijas, Krievijas meži ir atvērti komerciālai izmantošanai, bet valdība un Federālā mežsaimniecības aģentūra apsver jaunu kategoriju - klimata aizsardzības mežus. "Daži mūsu mežsaimniecības departamenta darbinieki ir pārsteigti par biotiskā sūkņa ideju un vēlas ieviest jaunu kategoriju," viņa saka. Ideju atbalstīja arī Krievijas Zinātņu akadēmija. Makarijeva saka, ka būt daļai no vienprātības, nevis mūžīgai svešai personai, ir jauns un neparasts.

Šovasar viņas braucienu uz ziemeļu mežiem izjauca koronavīrusa epidēmija un karantīna. Mājās Sanktpēterburgā viņa apsēdās uz kārtējo anonīmo recenzentu iebildumu kārtu. Viņa ir pārliecināta, ka sūkņa teorija agri vai vēlu ņems virsroku. "Zinātnē ir dabiska inerce," viņa saka. Ar tumšu krievu humoru viņa atgādina leģendārā vācu fiziķa Maksa Planka vārdus, kurš sniedza slaveno zinātnes progresa aprakstu: "bēru sērija".

Ieteicams: