Lesy regulují klima a produkují vítr – teorie biotické pumpy

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Anastasia Makarieva, jaderná fyzička z Petrohradského institutu jaderné fyziky, již více než deset let obhajuje teorii, že pralesy tajgy v Rusku regulují klima severních oblastí Asie. Mnoho západních meteorologů s ní nesouhlasí, ale vláda a vědci v Rusku se o tuto teorii zajímají.

Každé léto, jak se dny prodlužují, opouští Anastasia Makarieva svou laboratoř v Petrohradu a vydává se na dovolenou do nekonečných lesů ruského severu. Jaderný fyzik si staví stan na břehu Bílého moře mezi jedlemi a borovicemi, plave v kajaku na nekonečných řekách regionu a dělá si poznámky o přírodě a počasí. „Lesy jsou velkou součástí mého osobního života,“říká. Za 25 let každoroční pouti na sever se staly důležitou součástí jejího profesního života.

Makarievová více než deset let obhajuje teorii, kterou vypracovala společně s Viktorem Gorškovem, svým mentorem a kolegou z Petrohradského institutu jaderné fyziky (PNPI), o tom, jak boreální (tajga) lesy Ruska, největší les na Zemi regulovat klima severní Asie. Tato jednoduchá, ale dalekosáhlá fyzikální teorie popisuje, jak vodní pára vydechovaná stromy vytváří větry – tyto větry křižují kontinent a přenášejí vlhký vzduch z Evropy přes Sibiř a dále do Mongolska a Číny; tyto větry nesou deště, které napájejí obří řeky východní Sibiře; tyto větry zavlažují severní rovinu Číny, sýpku nejlidnatější země planety.

Díky své schopnosti absorbovat oxid uhličitý a vydechovat kyslík jsou velké lesy často označovány jako plíce planety. Makarieva a Gorškov (zemřel loni) jsou ale přesvědčeni, že jsou také její srdce. „Lesy jsou složité, soběstačné dešťové systémy a jsou hlavním faktorem cirkulace atmosféry na Zemi,“říká Makarieva. Recirkulují obrovské množství vlhkosti do vzduchu a při tom vytvářejí větry, které tuto vodu pumpují do celého světa. První část této teorie – že lesy vytvářejí déšť – je v souladu s výzkumem jiných vědců a stále více se na ni vzpomíná při hospodaření s vodními zdroji uprostřed nekontrolovatelného odlesňování. Ale druhá část, teorie, kterou Makarieva nazývá biotická pumpa, je mnohem kontroverznější.

Teoretické pozadí práce bylo publikováno - i když v méně známých časopisech - a Makarieva byla podporována malou skupinou kolegů. Ale teorie biotické pumpy se setkala s vlnou kritiky - zejména od klimatických modelářů. Někteří věří, že vliv pumpy je nepatrný, jiní to zcela popírají. V důsledku toho se Makarieva ocitla v roli outsidera: teoretické fyzičky mezi vývojáři modelů, Rusky mezi západními vědci a ženy v oblasti, kde vládnou muži.

Pokud je však její teorie správná, dokáže vysvětlit, proč i přes značnou vzdálenost od oceánů ve vnitrozemí zalesněných kontinentů spadne tolik srážek jako na pobřeží a proč vnitrozemí kontinentů bez stromů na naopak je obvykle vyprahlý. Z toho také vyplývá, že lesy – od ruské tajgy po amazonské deštné pralesy – nerostou jen tam, kde je vhodné počasí. Vyrábějí si to sami. „Z toho, co jsem četl, jsem usoudil, že biotické čerpadlo funguje,“říká Douglas Sheil, lesní ekolog z Norské univerzity přírodních věd. Vzhledem k tomu, že osud světových lesů je zpochybňován, říká: "I když existuje sebemenší šance, že tato teorie je správná, je nutné to s jistotou zjistit."

Mnohé učebnice meteorologie dodnes poskytují schéma koloběhu vody v přírodě, kde hlavní příčinou atmosférické vlhkosti, která kondenzuje v mracích a padá ve formě deště, je vypařování oceánu. Toto schéma zcela ignoruje roli vegetace a především stromů, které působí jako obří fontány. Jejich kořeny čerpají vodu z půdy pro fotosyntézu a mikroskopické póry v listech nevyužitou vodu odpařují do vzduchu. Tento proces - druh pocení, pouze u stromů - se nazývá pocení. Jeden vzrostlý strom tak vydá stovky litrů vody denně. Kvůli velké ploše listů les často uvolňuje do vzduchu více vlhkosti než vodní plocha stejné velikosti.

Dešťový průvod

Takzvané „létající řeky“jsou převládající větry, které absorbují vodní páru vyzařovanou z lesů a přivádějí déšť do vzdálených vodních ploch. Kontroverzní teorie naznačuje, že lesy samy ovládají větry.

Podle teorie biotické pumpy nezpůsobují lesy jen déšť, ale také vítr. Když vodní pára kondenzuje nad pobřežními lesy, tlak vzduchu klesá a vytváří se větry, které nasávají vlhký oceánský vzduch. Cykly transpirace a kondenzace vytvářejí větry, které přenášejí déšť tisíce kilometrů do vnitrozemí.

Takže asi 80 % srážek v Číně pochází ze západu díky transsibiřské létající řece. A létající řeka Amazonka poskytuje 70 % srážek v jihovýchodní části Jižní Ameriky.

Role této sekundární vlhkosti při tvorbě živných dešťů byla až do roku 1979, kdy brazilský meteorolog Eneas Salati zkoumal izotopové složení dešťové vody z povodí Amazonky, značně přehlížena. Ukázalo se, že voda vrácená transpirací obsahuje více molekul s těžkým izotopem kyslíku-18 než voda odpařená z oceánu. Salati tedy ukázal, že polovina srážek nad Amazonkou spadla v důsledku odpařování lesa.

Meteorologové sledovali atmosférický výtrysk nad lesem ve výšce asi 1,5 kilometru. Tyto větry – souhrnně označované jako jihoamerický dolní proudový proud – vanou ze západu na východ přes Amazonku rychlostí závodního kola, načež je pohoří And táhne na jih. Salati a další navrhli, že to byli oni, kdo nesli většinu uvolněné vlhkosti, a nazvali je „létající řekou“. Podle klimatologa Antonia Nopea z Brazilského národního institutu pro výzkum vesmíru unáší dnes létající řeka Amazonka tolik vody jako obří řeka Země pod ní.

Nějakou dobu se věřilo, že létající řeky jsou omezeny na povodí Amazonky. Ale v 90. letech začal hydrolog Hubert Savenije z Deltfe University of Technology studovat recirkulaci vlhkosti v západní Africe. Pomocí hydrologického modelu na datech o počasí zjistil, že čím dále do vnitrozemí od pobřeží, tím vyšší je podíl srážek padajících z lesů – až 90 % ve vnitrozemí. Tento objev vysvětluje, proč se vnitřní Sahel stává sušším: pobřežní lesy za poslední půlstoletí zmizely.

Jeden ze Savenierových studentů, Ruud van der Ent, rozvinul svůj nápad vytvořením globálního modelu proudění vlhkého vzduchu. Shromáždil pozorování srážek, vlhkosti, rychlosti a teploty větru a teoretické odhady výparu a transpirace a vytvořil první model transportu vlhkosti v měřítcích mimo povodí.

V roce 2010 Van der Ent a jeho kolegové odhalili své zjištění, že celosvětově se 40 % všech srážek vyskytuje na souši, nikoli v oceánu. Často i více. Létající řeka Amazonka poskytuje 70 % srážek v povodí Rio de la Plata, které se táhne přes jihovýchod Jižní Ameriky. Van der Enta docela překvapilo zjištění, že Čína přijímá 80 % vody ze západu – navíc jde především o atlantickou vláhu, kterou zpracovávají pralesy tajgy Skandinávie a Ruska. 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 leží blízko oceánu, Tichého oceánu, ale většinu srážek tvoří vlhkost ze země na dalekém západě."

Pokud má Makarieva pravdu, lesy poskytují nejen vlhkost, ale také vytvářejí vítr, který ji nese.

S Gorškovem spolupracovala čtvrt století. Začínala jako studentka na PNPI, poddivizi Kurčatovova institutu, největšího ruského jaderného výzkumného ústavu, civilního i vojenského. Od samého začátku pracovali v oboru a v ústavu se zabývali ekologií, kde fyzici studují materiály pomocí jaderných reaktorů a neutronových paprsků. Vzpomíná, že jako teoretici měli „výjimečnou svobodu bádání a myšlení“– zabývali se fyzikou atmosféry, ať je to vzalo kamkoli. „Victor mě naučil: ničeho se neboj,“říká.

V roce 2007 poprvé představili svou teorii biotické pumpy v časopise Hydrology and Earth Sciences. Od samého počátku to bylo považováno za provokativní, protože odporovalo dlouhodobému principu meteorologie: větry jsou způsobeny hlavně rozdílným ohřevem atmosféry. Jak teplý vzduch stoupá, snižuje tlak ve vrstvách pod sebou, čímž si v podstatě vytváří nový prostor na povrchu. Například v létě se zemský povrch rychleji zahřívá a přitahuje vlhký 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 menší objem. To snižuje tlak vzduchu a horizontálně nasává vzduch z oblastí s menší kondenzací. V praxi to znamená, že kondenzace nad pobřežními lesy vytváří mořský vánek, který tlačí vlhký vzduch do vnitrozemí, kde nakonec kondenzuje a padá jako déšť. Pokud se lesy táhnou do vnitrozemí, cyklus pokračuje a udržuje vlhké větry na tisíce kilometrů.

Tato teorie převrací tradiční pohled: není to atmosférická cirkulace, která řídí hydrologický cyklus, ale naopak hydrologický cyklus reguluje hromadnou cirkulaci vzduchu.

Sheel, který se stal zastáncem této teorie před více než deseti lety, ji považuje za rozvoj myšlenky létání na řekách. "Nevylučují se navzájem," říká. "Pumpa vysvětluje sílu řek." Věří, že biotická pumpa vysvětluje „studený amazonský paradox“. Od ledna do června, kdy je povodí Amazonky chladnější než oceán, vanou silné větry od Atlantiku do Amazonie – ačkoli teorie diferenciálního vytápění by naznačovala opak. Nobre, další dlouholetý zastánce, nadšeně vysvětluje: "Nepocházejí z dat, ale ze základních principů."

I ti, kteří o teorii pochybují, se shodují, 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. Hrozí, že odlesňování v budoucnu povede k suchu v jiných regionech, například část amazonského pralesa se změní v savanu. Čínské zemědělské oblasti, africký Sahel a argentinské pampy jsou také ohroženy, říká Patrick Keys, atmosférický chemik z University of Colorado ve Fort Collins.

V roce 2018 Kees a kolegové použili model podobný van der Entovi ke sledování zdrojů srážek pro 29 globálních metropolitních oblastí. Zjistil, že většina zásob vody 19 z nich závisí na odlehlých lesích, včetně Karáčí (Pákistán), Wuhanu a Šanghaje (Čína), Nového Dillí a Kalkaty (Indie).„Dokonce i malé změny srážek způsobené změnami ve využívání půdy po větru mohou mít velký dopad na křehkost městských zásob vody,“říká.

Některé modely dokonce naznačují, že odlesňování zničením zdroje vlhkosti hrozí změnou povětrnostních podmínek daleko za plovoucími řekami. Jak víte, El Niño – kolísání teploty větru a proudění v tropickém Tichém oceánu – nepřímo ovlivňuje počasí na odlehlých místech. Stejně tak by odlesňování v Amazonii mohlo snížit srážky na středozápadě USA a sněhovou pokrývku v Sierra Nevada, říká klimatolog Roni Avissar z University of Miami, který taková spojení modeluje. Přitažené za vlasy? "Vůbec ne," odpovídá. „Víme, že El Niño je toho schopen, protože na rozdíl od odlesňování se tento jev opakuje a my pozorujeme určitý vzorec. Obojí je způsobeno malými změnami teploty a vlhkosti, která se uvolňuje do atmosféry."

Výzkumník ze Stockholmské univerzity Lan Wang-Erlandsson, který zkoumá interakci země, vody a klimatu, říká, že je čas přejít z využívání vody a podpovrchu v rámci konkrétního povodí ke změnám ve využívání půdy mimo něj. „Pro zachování lesů v oblastech, kde se tvoří vzdušné masy, jsou zapotřebí nové mezinárodní hydrologické dohody,“říká.

Před dvěma lety na setkání Fóra OSN o lesích, kterého se účastní vlády všech zemí, představil výzkumník země z Bernské univerzity David Ellison případovou studii. Prokázal, že až 40 % celkových srážek v Etiopské vysočině, hlavním zdroji Nilu, pochází z vlhkosti, která se vrací z lesů konžské pánve. Egypt, Súdán a Etiopie jednají o dlouho zpožděné dohodě o sdílení vod Nilu. Ale taková dohoda by neměla smysl, pokud by odlesňování v konžské pánvi, daleko od těchto tří zemí, vyschlo zdroj vlhkosti, navrhl Ellison. "Vztah mezi lesy a vodou při hospodaření se světovou sladkou vodou je téměř úplně ignorován."

Teorie biotické pumpy zvýší sázky ještě dále, protože se očekává, že ztráta lesů ovlivní nejen zdroje vlhkosti, ale také vzorce větru. Ellison varuje, že pokud se teorie potvrdí, bude „kritická pro modely planetární cirkulace vzduchu“– zejména pro ty, které do vnitrozemí přepravují vlhký vzduch.

Zastánci teorie jsou ale zatím v menšině. V roce 2010 Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre a Bai-Liang Li, ekolog z University of California, Riverside, předložili svůj historický popis biotické pumpy v Atmospheric Chemistry and Physics, hlavním oborovém časopise s otevřeným odborným hodnocením. Ale článek "Odkud se berou větry?" byla kritizována na internetu a časopisu trvalo mnoho měsíců, než našel pouze dva vědce, kteří by ji zhodnotili. Isaac Held, meteorolog z Geophysical Fluid Dynamics Laboratory na Princetonské univerzitě, se dobrovolně přihlásil – a doporučil publikaci odmítnout. "Toto není záhadný efekt," říká. "Obecně je nevýznamná a navíc je již zohledněna v řadě atmosférických modelů." Kritici tvrdí, že expanze vzduchu z tepla generovaného kondenzací vodní páry působí proti prostorovému efektu kondenzace. Ale Makarieva říká, že tyto dva efekty jsou prostorově odděleny: oteplování nastává ve výšce a pokles kondenzačního tlaku nastává blíže k povrchu, kde se vytváří biotický vítr.

Další recenzentkou byla Judith Curryová, atmosferická fyzika z Georgia Institute of Technology. Dlouho se obávala o stav atmosféry a měla pocit, že by článek měl vyjít, protože „konfrontace má špatný vliv na klimatologii a pro fyziky potřebuje krev z nosu“. Po třech letech debat redaktor časopisu Heldovo doporučení odmítl a článek zveřejnil. Zároveň ale poznamenal, že publikaci nelze považovat za schválení, ale poslouží jako vědecký dialog o kontroverzní teorii – k jejímu potvrzení nebo vyvrácení.

Od té doby nevyšlo žádné potvrzení ani vyvrácení – konfrontace pokračovala. Klimatický simulátor Columbia University Gavin Schmidt říká: "To je prostě nesmysl." Autoři na kritiku reagují takto: "Ve skutečnosti si kvůli matematice nejsou jisti, zda má cenu v dialogu pokračovat." Brazilský meteorolog a šéf Národního centra pro monitorování a prevenci přírodních katastrof Jose Marengo říká: „Myslím, že pumpa existuje, ale nyní je to vše v rovině teorie. Experti na klimatické modely to neakceptovali, ale Rusové jsou nejlepší teoretici na světě, takže je třeba provést vhodné terénní experimenty, aby se vše otestovalo. Ale zatím nikdo, dokonce ani Makarieva sama, takové experimenty nenavrhla.

Makarieva se ze své strany opírá o teorii a v sérii nedávných prací tvrdí, že stejný mechanismus může ovlivnit tropické cyklóny – jsou poháněny teplem uvolněným při kondenzaci vlhkosti nad oceánem. V novinách Atmospheric Research z roku 2017 ona a její kolegové navrhli, že biotická čerpadla ve tvaru lesa čerpají vzduch bohatý na vlhkost z cyklónových původů. To, jak říká, vysvětluje, proč se cyklóny v jižním Atlantském oceánu tvoří jen zřídka: deštné pralesy Amazonie a Konga odčerpávají tolik vlhkosti, že na hurikány zbývá příliš málo.

Vedoucí výzkumník hurikánů na MIT, Kerry Emanuel, říká, že navrhované účinky jsou „významné, ale zanedbatelné“. Dává přednost jiným vysvětlením absence hurikánů v jižním Atlantiku, například chladné vody této oblasti uvolňují do vzduchu méně vlhkosti a její silné větry brání vzniku cyklónů. Makarieva je stejně odmítavá vůči tradicionalistům, protože věří, že některé ze stávajících teorií o intenzitě hurikánů jsou „v rozporu se zákony termodynamiky“. Má další článek v Journal of Atmospheric Sciences - čeká na recenzi. „Obáváme se, že i přes podporu redaktora bude naše práce opět zamítnuta,“říká.

Přestože na Západě jsou nápady Makarjevové považovány za okrajové, v Rusku postupně zapouštějí kořeny. Loni vláda zahájila veřejný dialog o revizi lesnických zákonů. S výjimkou starých chráněných oblastí jsou ruské lesy otevřené pro komerční využití, ale vláda a Federální lesnická agentura zvažují novou kategorii – lesy na ochranu klimatu. „Někteří v našem lesním oddělení jsou ohromeni myšlenkou biotického čerpadla a chtějí zavést novou kategorii,“říká. Nápad podpořila i Ruská akademie věd. Makarieva říká, že být součástí konsensu, a nikoli věčným outsiderem, je nové a neobvyklé.

Letos v létě její výlet do severních lesů narušila epidemie koronaviru a karanténa. Doma v Petrohradu zasedla k dalšímu kolu námitek od anonymních recenzentů. Je přesvědčena, že pumpová teorie dříve nebo později zvítězí. "Ve vědě existuje přirozená setrvačnost," říká. S černým ruským humorem vzpomíná na slova legendárního německého fyzika Maxe Plancka, který podal slavný popis pokroku vědy: „řada pohřbů“.