Anastasia Makarieva, jedrska fizika s St. Mnogi zahodni meteorologi se z njo ne strinjajo, vendar je vlada in znanstveniki v Rusiji zainteresirana za to teorijo.
Vsako poletje, ko se dnevi podaljšajo, Anastasia Makarieva zapusti svoj laboratorij v Sankt Peterburgu in se odpravi na dopust v neskončne gozdove ruskega severa. Jedrski fizik postavi šotor na obali Belega morja, med jelkami in borovci, plava na kajaku ob neskončnih rekah regije in si beleži naravo in vreme. "Gozdovi so velik del mojega osebnega življenja," pravi. Za 25 letno romanje na sever so postale pomemben del njenega poklicnega življenja.
Makarieva že več kot deset let zagovarja teorijo, ki jo je razvila skupaj z Viktorjem Gorškovim, njenim mentorjem in kolegom iz Peterburškega inštituta za jedrsko fiziko (PNPI), o tem, kako borealni (tajgijski) gozdovi v Rusiji, največji gozd na Zemlji, urejajo podnebje severne Azije. Ta preprosta, a daljnosežna fizikalna teorija opisuje, kako vodna para, ki jo izdihnejo drevesa, ustvarja vetrove - ti vetrovi prečkajo celino in prenašajo vlažen zrak iz Evrope čez Sibirijo in naprej do Mongolije in Kitajske; ti vetrovi nosijo deževje, ki napaja velikanske reke Vzhodne Sibirije; ti vetrovi zalivajo severno ravnico Kitajske, kašča najbolj naseljene države na planetu.
Zaradi svoje sposobnosti absorpcije ogljikovega dioksida in izdihavanja kisika se veliki gozdovi pogosto imenujejo pljuča planeta. Toda Makarieva in Gorškova (umrl je lani) sta prepričana, da sta tudi njeno srce. "Gozdovi so zapleteni, samooskrbni dežni sistemi in glavni dejavnik kroženja atmosfere na Zemlji," pravi Makarieva. Povzročijo ogromno vlage v zraku in med tem ustvarjajo vetrove, ki to vodo črpajo po vsem svetu. Prvi del te teorije - da v gozdovih pada dež - je skladen z raziskavami drugih znanstvenikov in se vedno bolj spominja pri upravljanju z vodnimi viri sredi nenehnega krčenja gozdov. Toda drugi del, teorija, ki jo Makarieva imenuje biotska črpalka, je veliko bolj kontroverzna.
Teoretično ozadje dela je bilo objavljeno - čeprav v manj znanih revijah - in Makarieva je podprla majhno skupino kolegov. Toda teorija biotske črpalke je bila deležna številnih kritik, zlasti od klimatskih modelov. Nekateri menijo, da je vpliv črpalke neznaten, drugi pa v celoti zanikajo. Kot rezultat tega se je Makarieva znašla v vlogi zunanjega: teoretična fizika med razvijalci modelov, Rusinja med zahodnimi znanstveniki in ženska na območju, ki mu vladajo moški.
Če pa je njena teorija pravilna, bo znala razložiti, zakaj kljub precejšnji oddaljenosti od oceanov celinske regije gozdnih celin prejemajo enako količino padavin kot na obali in zakaj so celinske regije brez drevesnih celin, nasprotno, običajno suhe. Prav tako pomeni, da gozdovi - od ruske tajge do pragozda Amazonije - ne rastejo le tam, kjer je vreme primerno. Sami si jih naredijo. "Iz tega, kar sem prebral, sem ugotovil, da biotska črpalka deluje," pravi Douglas Sheil, gozdni ekolog na Norveški univerzi za življenjske znanosti. Glede na usodo zadevnih svetovnih gozdov pravi: "Tudi če obstaja najmanjša možnost, da je ta teorija pravilna, je vsekakor treba to ugotoviti."
Številni učbeniki o meteorologiji še vedno ponujajo diagram vodnega cikla v naravi, kjer je glavni vzrok atmosferske vlage, ki se kondenzira v oblakih in pada kot dež, izhlapevanje oceanov. Ta shema popolnoma zanemarja vlogo vegetacije in zlasti dreves, ki delujejo kot orjaški vodnjaki. Njihove korenine črpajo vodo iz zemlje za fotosintezo, mikroskopske pore v listih pa izparijo neuporabljeno vodo v zrak. Ta postopek - neke vrste potenje, le pri drevesih - imenujemo transpiracija. Tako eno zrelo drevo na dan sprosti sto litrov vode. Zaradi velike površine listja gozd pogosto sprošča v zrak več vlage kot vodno telo enake velikosti.
Vloga te sekundarne vlage pri nastajanju hranilnih deževja je bila v veliki meri spregledana do leta 1979, ko je brazilski meteorolog Eneas Salati pregledal izotopsko sestavo deževnice iz Amazonije. Izkazalo se je, da voda, ki se vrača s transpiracijo, vsebuje več molekul s težkim izotopom kisika 18, kot voda izhlapeva iz oceana. Tako je Salati pokazal, da je polovica padavin nad Amazonijo padla kot posledica izhlapevanja gozda.
Meteorologi so atmosferski curek nad gozdom izsledili na nadmorski višini približno 1,5 kilometra. Ti vetrovi - skupaj imenovani južnoameriški spodnji curek - pihajo od zahoda proti vzhodu čez Amazon s hitrostjo dirkalnega kolesa, po katerem jih gore Andov vlečejo proti jugu. Salati in drugi so namigovali, da so oni največji del izpuščene vlage nosili pod imenom "leteča reka". Po besedah klimatologa Antonija Nobreja iz brazilskega Nacionalnega inštituta za vesoljske raziskave leteča reka Amazonka danes nosi toliko vode kot velikanska reka Zemlje pod njo.
Nekaj časa je veljalo, da so leteče reke omejene na porečje Amazonije. Toda v 90. letih prejšnjega stoletja je hidrolog Hubert Savenije z Tehniške univerze Delft začel proučevati recirkulacijo vlage v zahodni Afriki. S hidrološkim modelom vremenskih podatkov je ugotovil, da dlje od obale je večji delež padavin, ki padajo iz gozdov - do 90% v notranjosti. To odkritje pojasnjuje, zakaj notranji Sahel postaja vse bolj suh: obalni gozdovi so v zadnjem pol stoletja izginili.
Eden izmed Savenierjevih študentov, Ruud van der Ent, je svojo idejo razvil z ustvarjanjem globalnega modela pretoka vlage. Združil je opažanja padavin, vlažnosti, hitrosti in temperature vetra ter teoretične ocene izhlapevanja in transpiracije ter ustvaril prvi model za transport vlage v lestvicah izven porečja.
Leta 2010 sta Van der Ent in njegovi sodelavci razkrila svojo ugotovitev, da se na svetovni ravni 40% vseh padavin zgodi na kopnem in ne na oceanu. Pogosto celo več. Leteča reka Amazon zagotavlja 70% padavin v porečju Rio de la Plata, ki se razteza po jugovzhodni Južni Ameriki. Van der Ent je bil precej presenečen, ko je ugotovil, da Kitajska 80% vode prejema z zahoda - in to predvsem atlantska vlaga, ki jo predelajo tajgovski gozdovi Skandinavije in Rusije. Potovanje ima več stopenj - transpiracijski cikli s pripadajočim dežjem - in traja šest mesecev ali več. "To je v nasprotju s prejšnjimi informacijami, ki se jih vsi učijo v srednji šoli," pravi. "Kitajska je blizu oceana, Tihega oceana, a večino padavin predstavlja vlaga s kopnega na skrajnem zahodu."
***
Če ima Makarieva prav, gozdovi ne zagotavljajo samo vlage, ampak tudi ustvarjajo veter, ki jo nosi.
Četrt stoletja je sodelovala z Gorškovim. Začela je kot študentka na PNPI, oddelku Inštituta Kurchatov, največjega ruskega inštituta za jedrske raziskave, civilnega in vojaškega. Že od samega začetka so delali na terenu in se na inštitutu ukvarjali z ekologijo, kjer fiziki preučujejo materiale z uporabo jedrskih reaktorjev in nevtronskih žarkov. Kot se spominja teoretikov, so imeli "izjemno svobodo raziskovanja in razmišljanja" - ukvarjali so se z atmosfersko fiziko, kamor koli jih je odneslo. "Victor me je naučil: ničesar se ne boj," pravi.
Leta 2007 so prvič predstavili svojo teorijo o biotski črpalki v reviji Hydrology and Earth Sciences. Že od začetka je veljal za provokativnega, ker je nasprotoval dolgoletnemu načelu meteorologije: vetrovi nastajajo predvsem zaradi diferencialnega segrevanja ozračja. Ko se dvigne, topel zrak zniža tlak plasti spodaj, kar ustvari nov prostor zase na površini. Poleti se na primer kopna površina hitreje segreva in privlači vlažne vetriče iz hladnejšega oceana.
Makarieva in Gorškova trdita, da včasih prevladuje drugačen postopek. Ko se vodna para iz gozda kondenzira v oblake, plin postane tekočina - in porabi manj volumna. S tem se zmanjša zračni tlak in vodo črpa vodoravno iz območij z manj kondenzacije. V praksi to pomeni, da kondenzacija nad obalnimi gozdovi tvori morsko vetrič, ki vlažen zrak potisne v notranjost, kjer se sčasoma kondenzira in pade kot dež. Če se gozdovi raztezajo po celini, se cikel nadaljuje in ohranja vlažen veter več tisoč kilometrov.
Ta teorija prevrne tradicionalno stališče: hidrološki cikel ne nadzoruje kroženje atmosfere, ampak, nasprotno, hidrološki cikel uravnava kroženje zraka.
Sheel in postal podpornik teorije pred več kot desetimi leti, meni, da je to razvoj ideje o letečih rekah. "Med seboj se ne izključujeta," pravi. "Črpalka pojasni moč rek." Verjame, da biotska črpalka razlaga "hladen amazonski paradoks." Od januarja do junija, ko je porečje Amazonije hladnejše od oceana, močni vetrovi pihajo od Atlantika do Amazonije - čeprav bi teorija diferenčnega ogrevanja predlagala drugače. Nobre, še en dolgoletni podpornik, navdušeno razlaga: "Ne izhajajo iz podatkov, ampak iz temeljnih načel."
Tudi tisti, ki dvomijo v teorijo, se strinjajo, da ima izguba gozdov daljnosežne posledice za podnebje. Številni znanstveniki trdijo, da je krčenje gozdov pred tisoč leti privedlo do dezertifikacije celinskih avstralskih dežel in zahodne Afrike. Obstaja tveganje, da bo krčenje gozdov v prihodnosti povzročilo suše v drugih regijah, na primer, del amazonskega deževnega gozda se bo spremenil v savane. Kitajske kmetijske regije, afriški Sahel in argentinske pampe so prav tako ogrožene, pravi Patrick Keys, atmosferski kemik z univerze v državi Colorado, Fort Collins.
V letu 2018 sta Kees in sodelavci uporabili model, podoben modelu van der Ent, za sledenje virov padavin za 29 svetovnih metropolitanskih območij. Ugotovil je, da je večina oskrbe z vodo od njih 19 odvisna od oddaljenih gozdov, vključno s Karačijem (Pakistan), Wuhanom in Šanghajem (Kitajska), New Delhijem in Kalkuto (Indija). "Tudi majhne spremembe padavin, ki jih povzročajo spremembe rabe tal, lahko močno vplivajo na krhkost oskrbe z vodo v mestih," pravi.
Nekateri modeli celo nakazujejo, da krčenje gozdov z uničevanjem vira vlage grozi s spreminjanjem vremenskih razmer daleč preko plavajočih rek. Kot veste, El Niño - nihanje temperature vetra in tokov v tropskem Tihem oceanu - posredno vpliva na vreme v odročnih krajih. Tudi krčenje gozdov v Amazoni bi lahko zmanjšalo količino padavin na srednjem zahodu ZDA in snežno odejo v Sierri Nevadi, pravi klimatolog univerze v Miamiju Roni Avissar, ki modelira takšne povezave. Daleč naokoli? "Sploh ne," odgovori. "Vemo, da je El Niño tega sposoben, saj se za razliko od krčenja gozdov ta pojav ponavlja in opazujemo vzorec. Oboje povzroča majhne spremembe temperature in vlage, ki se sprošča v ozračje."
Raziskovalec univerze v Stockholmu Lan Wang-Erlandsson, ki raziskuje interakcijo zemlje, vode in podnebja, pravi, da je čas, da se z uporabe vode in podzemlja znotraj določenega povodja preusmeri na spremembe v rabi tal. "Za vzdrževanje gozdov na območjih, kjer se oblikujejo zračne mase, so potrebni novi mednarodni hidrološki sporazumi," pravi.
Pred dvema letoma je na sestanku foruma ZN za gozdove, kjer sodelujejo vlade vseh držav, raziskovalec zemljišč na univerzi v Bernu David Ellison predstavil študijo primera. Dokazal je, da do 40% vseh padavin v etiopskem visokogorju, glavnem viru Nila, izvira iz vlage, ki se vrača iz gozdov porečja Konga. Egipt, Sudan in Etiopija se dogovarjajo o dolgoročni pogodbi o delitvi voda Nila. Toda takšen sporazum bi bil nesmiseln, če bi krčenje gozdov v porečju Konga, daleč od treh držav, izsušilo vir vlage, je predlagal Ellison. "Razmerje med gozdovi in vodo pri upravljanju s sladko vodo na svetu je skoraj popolnoma prezrto."
Teorija biotske črpalke bo še bolj spodbudila koščice, saj naj bi izgube gozdov vplivale ne samo na vire vlage, temveč tudi na vzorce vetra. Ellison opozarja, da bo teorija, če bo potrjena, "kritična za planetarne modele kroženja zraka" - zlasti tiste, ki vlagajo vlažen zrak v notranjost.
***
Toda zaenkrat so podporniki teorije v manjšini. Leta 2010 so Makarieva, Gorškova, Shil, Nobre in Bai-Liang Li, ekologinja na kalifornijski univerzi v Riversideu, predstavili svoj zgodovinski opis biotske črpalke v Atmospheric Chemistry and Physics, največji tematski reviji z odprtim strokovnim pregledom. Toda članek "Od kod prihajajo vetrovi?" na internetu so jo kritizirali, revija pa je potrebovala več mesecev, da sta jo pregledala le dva znanstvenika. Isaac Held, meteorolog iz Laboratorija za geofizično dinamiko tekočin na univerzi Princeton, se je prostovoljno prijavil - in priporočil, da se publikacija zavrne. "To ni skrivnostni učinek," pravi. "Na splošno je nepomemben, poleg tega pa je že upoštevan v številnih atmosferskih modelih." Kritiki pravijo, da širjenje zraka zaradi toplote oz.ki se sprošča med kondenzacijo vodne pare, nasprotuje prostorskemu učinku kondenzacije. Toda Makarieva pravi, da sta ta dva učinka prostorsko ločena: segrevanje se pojavi na nadmorski višini, padec kondenzacijskega tlaka pa se pojavi bližje površini, kjer nastaja biotski veter.
Druga recenzentka je bila Judith Curry, atmosferska fizičarka s Georgia Institute of Technology. Dolgo je skrbela za stanje ozračja in menila, da bi članek moral objaviti, saj "soočenje slabo vpliva na klimatologijo in za fizike potrebuje kri iz nosu." Po treh letih razprave je urednik revije Held priporočilo zavrnil in članek objavil. Vendar je hkrati opozoril, da publikacije ni mogoče šteti za odobritev, ampak bo služil kot znanstveni dialog o sporni teoriji - potrditi ali ovržiti.
Od takrat ni prišlo do nobene potrditve ali zavrnitve - soočenje se je nadaljevalo. Gavin Schmidt pravi simulator klime na univerzi Columbia, pravi: "To je samo neumnost." Avtorji na takšno kritiko odgovarjajo takole: "Pravzaprav zaradi matematike niso prepričani, ali bi nadaljevali dialog." Brazilski meteorolog in vodja Nacionalnega centra za preprečevanje in spremljanje nesreč Jose Marengo pravi: "Mislim, da obstaja črpalka, toda zdaj je vse na ravni teorije. Strokovnjaki za podnebne modele tega niso sprejeli, vendar so Rusi najboljši teoretiki na svetu, zato je treba izvesti ustrezne terenske poskuse, da se vse preveri. " Toda doslej nihče, niti sama Makarieva, ni predlagala takšnih poskusov.
Makarieva se zanaša na teorijo in v vrsti nedavnih del trdi, da isti mehanizem lahko vpliva na tropske ciklone - poganja jih toplota, ki se sprošča, ko se vlaga kondenzira nad oceanom. V časopisu Atmospheric Research 2017 je s svojimi sodelavci predlagala, da gozdne biotske črpalke črpajo zrak, ki je bogat z vlago, iz ciklonskega izvora. To pravi, zato pojasnjuje, zakaj se v Južnem Atlantskem oceanu redko tvorijo cikloni: deževni gozdovi Amazonije in Konga odvajajo toliko vlage, da za orkane ostane premalo.
Kerry Emanuel, vodilni raziskovalec orkanov na MIT, pravi, da so predlagani učinki "pomembni, vendar zanemarljivi." Raje ima druga pojasnila o odsotnosti orkanov v južnem Atlantiku, na primer, hladne vode v regiji sproščajo manj vlage v zrak, močni vetrovi pa preprečujejo nastanek ciklonov. Makarieva sicer odvrača tradicionaliste, saj meni, da nekatere obstoječe teorije o intenzivnosti orkana "nasprotujejo zakonom termodinamike". V reviji Atmospheric Sciences ima še en članek - v pripravi na pregled. "Skrbi nas, da bo naše delo kljub podpori urednika znova zavrnjeno," pravi.
Čeprav ideje Makarijeve na Zahodu veljajo za obrobne, se v Rusiji postopoma uveljavljajo. Vlada je lani začela javni dialog o reviziji gozdarskih zakonov. Z izjemo starih zavarovanih območij so ruski gozdovi odprti za komercialno izkoriščanje, vendar vlada in Federalna gozdarska agencija razmišljata o novi kategoriji - gozdovi za zaščito podnebja. "Nekateri iz našega gozdarskega oddelka so navdušeni nad idejo o biotski črpalki in želijo uvesti novo kategorijo," pravi. Idejo je podprla tudi Ruska akademija znanosti. Makarieva pravi, da je del soglasja in ne večni zunanji človek novo in nenavadno.
Letos poleti je njeno potovanje po severnih gozdovih zmotila epidemija koronavirusa in karantena. Doma v Sankt Peterburgu se je usedla za še en krog ugovorov anonimnih recenzentov. Prepričana je, da bo slej ali prej zmagala teorija črpalk. "V znanosti obstaja naravna inercija," pravi. S temnim ruskim humorjem se spominja besed legendarnega nemškega fizika Maksa Plancka, ki je dal znan opis napredka znanosti: "niz pogrebov."