Isi kandungan:

Hutan Mengawal Iklim dan Menghasilkan Angin - Teori Pam Biotik
Hutan Mengawal Iklim dan Menghasilkan Angin - Teori Pam Biotik

Video: Hutan Mengawal Iklim dan Menghasilkan Angin - Teori Pam Biotik

Video: Hutan Mengawal Iklim dan Menghasilkan Angin - Teori Pam Biotik
Video: Cop-turned-killer Executed for hiring Thug to Kill Wife 2024, Mac
Anonim

Anastasia Makarieva, seorang ahli fizik nuklear dari Institut Fizik Nuklear St. Petersburg, telah mempertahankan teori bahawa hutan taiga Rusia mengawal iklim kawasan utara Asia selama lebih daripada sepuluh tahun. Ramai ahli meteorologi Barat tidak bersetuju dengannya, tetapi kerajaan dan saintis di Rusia berminat dengan teori ini.

Setiap musim panas, apabila hari semakin panjang, Anastasia Makarieva meninggalkan makmalnya di St. Petersburg dan pergi bercuti ke hutan yang tidak berkesudahan di Utara Rusia. Seorang ahli fizik nuklear memasang khemah di pantai Laut Putih, di antara cemara dan pain, berenang di dalam kayak di sungai yang tidak berkesudahan di rantau ini dan mengambil nota tentang alam semula jadi dan cuaca. "Hutan adalah sebahagian besar daripada kehidupan peribadi saya," katanya. Selama 25 tahun ziarah tahunan ke utara, mereka telah menjadi bahagian penting dalam kehidupan profesionalnya.

Selama lebih dari sepuluh tahun, Makarieva telah mempertahankan teori itu, yang dikembangkannya bersama Viktor Gorshkov, mentor dan rakan sekerjanya dari Institut Fizik Nuklear Petersburg (PNPI), tentang bagaimana hutan boreal (taiga) Rusia, hutan terbesar. di Bumi, mengawal iklim Asia utara. Teori fizikal yang ringkas tetapi meluas ini menerangkan bagaimana wap air yang dihembus oleh pokok menghasilkan angin - angin ini merentasi benua, membawa udara lembap dari Eropah merentasi Siberia dan seterusnya ke Mongolia dan China; angin ini membawa hujan yang memberi makan kepada sungai-sungai gergasi Siberia Timur; angin ini membanjiri dataran utara China, jelapang negara paling ramai penduduk di planet ini.

Kerana keupayaannya untuk menyerap karbon dioksida dan menghembus oksigen, hutan besar sering dirujuk sebagai paru-paru planet ini. Tetapi Makarieva dan Gorshkov (dia meninggal tahun lalu) yakin bahawa mereka juga hatinya. "Hutan adalah sistem hujan yang kompleks dan mampu bertahan sendiri dan faktor utama dalam peredaran atmosfera di Bumi," kata Makarieva. Mereka mengedarkan semula sejumlah besar lembapan ke udara dan dalam proses menghasilkan angin yang mengepam air ini ke seluruh dunia. Bahagian pertama teori ini - bahawa hutan menghasilkan hujan - konsisten dengan penyelidikan saintis lain dan semakin diingati apabila menguruskan sumber air di tengah-tengah penebangan hutan yang berleluasa. Tetapi bahagian kedua, teori yang disebut Makarieva sebagai pam biotik, adalah lebih kontroversial.

Latar belakang teori kerja itu diterbitkan - walaupun dalam jurnal yang kurang dikenali - dan Makarieva disokong oleh sekumpulan kecil rakan sekerja. Tetapi teori pam biotik telah menerima pelbagai kritikan - terutamanya daripada pemodel iklim. Ada yang percaya bahawa kesan pam itu tidak penting, sementara yang lain menafikannya sama sekali. Akibatnya, Makarieva mendapati dirinya dalam peranan orang luar: seorang ahli fizik teori di kalangan pemaju model, seorang Rusia dalam kalangan saintis Barat, dan seorang wanita di kawasan yang diperintah oleh lelaki.

Walau bagaimanapun, jika teorinya betul, ia akan dapat menjelaskan mengapa, walaupun jarak yang agak jauh dari lautan, di pedalaman benua berhutan terdapat banyak hujan seperti di pantai, dan mengapa pedalaman benua tanpa pokok, di sebaliknya, biasanya gersang. Ia juga membayangkan bahawa hutan - dari taiga Rusia hingga hutan hujan Amazon - tidak hanya tumbuh di tempat cuaca yang sesuai. Mereka buat sendiri. "Daripada apa yang saya baca, saya telah membuat kesimpulan bahawa pam biotik berfungsi," kata Douglas Sheil, ahli ekologi hutan di Universiti Sains Hayat Norway. Memandangkan nasib hutan dunia dipersoalkan, dia berkata, "Walaupun terdapat sedikit peluang bahawa teori ini betul, adalah penting untuk mengetahui dengan pasti."

Banyak buku teks meteorologi masih menyediakan gambar rajah kitaran air di alam semula jadi, di mana punca utama kelembapan atmosfera, yang terkondensasi dalam awan dan jatuh dalam bentuk hujan, adalah penyejatan lautan. Skim ini sama sekali mengabaikan peranan tumbuh-tumbuhan dan terutamanya pokok, yang bertindak seperti air pancut gergasi. Akar mereka menarik air dari tanah untuk fotosintesis, dan liang mikroskopik dalam daun menyejat air yang tidak digunakan ke udara. Proses ini - sejenis peluh, hanya dalam pokok - dipanggil transpirasi. Oleh itu, satu pokok matang mengeluarkan ratusan liter air setiap hari. Oleh kerana kawasan dedaunan yang luas, hutan sering mengeluarkan lebih banyak lembapan ke udara daripada badan air dengan saiz yang sama.

Perarakan hujan

Apa yang dipanggil "sungai terbang" adalah angin lazim yang menyerap wap air yang dikeluarkan dari hutan dan menghantar hujan ke badan air yang jauh. Teori kontroversi mencadangkan bahawa hutan sendiri mengawal angin.

Menurut teori pam biotik, hutan bukan sahaja menyebabkan hujan, tetapi juga angin. Apabila wap air terpeluwap di atas hutan pantai, tekanan udara berkurangan dan angin tercipta yang menyedut udara laut yang lembap. Kitaran transpirasi dan pemeluwapan menghasilkan angin yang membawa hujan beribu-ribu kilometer ke pedalaman.

Jadi, kira-kira 80% hujan di China datang dari barat berkat sungai terbang Trans-Siberia. Dan Sungai Amazon yang terbang menyediakan 70% hujan di bahagian tenggara Amerika Selatan.

Peranan kelembapan sekunder ini dalam pembentukan hujan nutrien sebahagian besarnya diabaikan sehingga 1979, apabila ahli meteorologi Brazil Eneas Salati meneliti komposisi isotop air hujan dari Lembangan Amazon. Ternyata air yang dikembalikan melalui transpirasi mengandungi lebih banyak molekul dengan isotop oksigen-18 berat daripada air yang disejat dari lautan. Jadi Salati menunjukkan bahawa separuh daripada hujan di Amazon jatuh akibat penyejatan hutan.

Pakar meteorologi mengesan jet atmosfera di atas hutan pada ketinggian kira-kira 1.5 kilometer. Angin ini - secara kolektif dirujuk sebagai aliran jet rendah Amerika Selatan - bertiup dari barat ke timur merentasi Amazon dengan kelajuan basikal lumba, selepas itu pergunungan Andes mengheretnya ke selatan. Salati dan lain-lain mencadangkan bahawa merekalah yang membawa sebahagian besar kelembapan yang dikeluarkan, dan menggelarkan mereka "sungai yang terbang." Menurut pakar klimatologi Antonio Nope di Institut Penyelidikan Angkasa Negara Brazil, Sungai Amazon yang terbang membawa air sebanyak hari ini seperti sungai gergasi Bumi di bawahnya.

Untuk sementara waktu dipercayai bahawa sungai-sungai yang berterbangan terhad kepada lembangan Amazon. Tetapi pada tahun 1990-an, ahli hidrologi Hubert Savenije di Universiti Teknologi Deltfe mula mengkaji peredaran semula kelembapan di Afrika Barat. Menggunakan model hidrologi pada data cuaca, beliau mendapati bahawa semakin jauh ke pedalaman dari pantai, semakin tinggi kadar hujan yang turun dari hutan - sehingga 90% di pedalaman. Penemuan ini menjelaskan mengapa bahagian dalam Sahel menjadi lebih kering: hutan pantai telah hilang sejak setengah abad yang lalu.

Salah seorang pelajar Savenier, Ruud van der Ent, mengembangkan ideanya dengan mencipta model aliran udara lembapan global. Beliau membawa bersama-sama pemerhatian kerpasan, kelembapan, kelajuan angin dan suhu serta anggaran teori penyejatan dan transpirasi, dan mencipta model pertama pengangkutan lembapan pada skala di luar lembangan sungai.

Pada tahun 2010, Van der Ent dan rakan-rakannya mendedahkan penemuan mereka bahawa secara global, 40% daripada semua hujan berlaku di darat, bukan di lautan. Selalunya lebih. Sungai Amazon yang terbang menyediakan 70% daripada taburan hujan di Lembangan Rio de la Plata, yang merentasi tenggara Amerika Selatan. Van der Ent agak terkejut apabila mendapati China menerima 80% airnya dari barat - lebih-lebih lagi, ia adalah terutamanya kelembapan Atlantik, yang diproses oleh hutan taiga Scandinavia dan Rusia. Perjalanan mempunyai beberapa peringkat - kitaran transpirasi dengan hujan yang berkaitan - dan mengambil masa enam bulan atau lebih. "Ini bercanggah dengan maklumat sebelumnya yang semua orang pelajari di sekolah menengah," katanya. "China dekat dengan lautan, Lautan Pasifik, tetapi kebanyakan hujannya adalah lembapan dari daratan di barat jauh."

Jika Makarieva betul, hutan menyediakan bukan sahaja kelembapan, tetapi juga mencipta angin yang membawanya.

Dia bekerja dengan Gorshkov selama seperempat abad. Beliau bermula sebagai pelajar di PNPI, subbahagian Institut Kurchatov, institut penyelidikan nuklear terbesar Rusia, kedua-dua awam dan tentera. Sejak awal lagi, mereka bekerja di lapangan dan terlibat dalam ekologi di institut itu, di mana ahli fizik mengkaji bahan menggunakan reaktor nuklear dan rasuk neutron. Sebagai ahli teori, dia ingat, mereka mempunyai "kebebasan penyelidikan dan pemikiran yang luar biasa," - mereka terlibat dalam fizik atmosfera, ke mana sahaja ia membawa mereka. "Victor mengajar saya: jangan takut apa-apa," katanya.

Pada tahun 2007, mereka pertama kali membentangkan teori pam biotik mereka dalam jurnal Hydrology and Earth Sciences. Ia dianggap provokatif dari awal, kerana ia bercanggah dengan prinsip meteorologi yang telah lama wujud: angin disebabkan terutamanya oleh pemanasan berbeza atmosfera. Apabila udara hangat meningkat, ia merendahkan tekanan lapisan di bawah, pada asasnya mewujudkan ruang baharu untuk dirinya sendiri di permukaan. Pada musim panas, sebagai contoh, permukaan tanah menjadi lebih cepat panas dan menarik bayu lembap dari lautan yang lebih sejuk.

Makarieva dan Gorshkov berpendapat bahawa kadangkala proses yang berbeza berlaku. Apabila wap air dari hutan terkondensasi menjadi awan, gas menjadi cecair - dan ia mengambil sedikit isipadu. Ini mengurangkan tekanan udara dan menarik udara secara mendatar dari kawasan yang kurang pemeluwapan. Dalam amalan, ini bermakna bahawa pemeluwapan di atas hutan pantai memalsukan angin laut, menolak udara lembap ke kawasan pedalaman, di mana ia akhirnya terpeluwap dan jatuh sebagai hujan. Jika hutan merentang ke pedalaman, kitaran berterusan, mengekalkan angin lembap sejauh beribu-ribu kilometer.

Teori ini menterbalikkan pandangan tradisional: bukan peredaran atmosfera yang mengawal kitaran hidrologi, tetapi, sebaliknya, kitaran hidrologi mengawal peredaran jisim udara.

Sheel, dan dia menjadi penyokong teori itu lebih daripada sepuluh tahun yang lalu, menganggapnya sebagai perkembangan idea sungai terbang. "Mereka tidak saling eksklusif," katanya. "Pam menerangkan kekuatan sungai." Dia percaya bahawa pam biotik menerangkan "paradoks Amazon sejuk." Dari Januari hingga Jun, apabila lembangan Amazon lebih sejuk daripada lautan, angin kencang bertiup dari Atlantik ke Amazon - walaupun teori pemanasan pembezaan akan mencadangkan sebaliknya. Nobre, seorang lagi penyokong lama, dengan penuh semangat menerangkan, "Mereka tidak datang daripada data, tetapi daripada prinsip asas."

Malah mereka yang meragui teori itu bersetuju bahawa kehilangan hutan mempunyai akibat yang meluas untuk iklim. Ramai saintis berpendapat bahawa penebangan hutan beribu-ribu tahun dahulu menyebabkan penggurunan tanah pedalaman Australia dan Afrika Barat. Terdapat risiko penebangan hutan pada masa hadapan akan menyebabkan kemarau di kawasan lain, contohnya, sebahagian daripada hutan hujan Amazon akan bertukar menjadi sabana. Kawasan pertanian China, Sahel Afrika dan pampas Argentina juga berisiko, kata Patrick Keys, ahli kimia atmosfera di Universiti Colorado, Fort Collins.

Pada 2018, Kees dan rakan sekerja menggunakan model yang serupa dengan van der Ent untuk menjejak sumber kerpasan bagi 29 kawasan metropolitan global. Beliau mendapati kebanyakan bekalan air 19 daripada mereka bergantung kepada hutan terpencil, termasuk Karachi (Pakistan), Wuhan dan Shanghai (China), New Delhi dan Kolkata (India)."Walaupun perubahan kecil dalam kerpasan yang disebabkan oleh perubahan penggunaan tanah mengikut arah angin boleh memberi impak besar kepada kerapuhan bekalan air bandar," katanya.

Sesetengah model juga mencadangkan bahawa penebangan hutan, dengan memusnahkan sumber lembapan, mengancam untuk mengubah keadaan cuaca jauh di luar sungai terapung. Seperti yang anda ketahui, El Niño - turun naik suhu angin dan arus di Lautan Pasifik tropika - secara tidak langsung mempengaruhi cuaca di tempat terpencil. Begitu juga, penebangan hutan di Amazon boleh mengurangkan hujan di Midwest AS dan litupan salji di Sierra Nevada, kata pakar klimatologi Universiti Miami Roni Avissar, yang memodelkan sambungan sedemikian. Mengarut? "Tidak sama sekali," dia menjawab. "Kami tahu bahawa El Niño mampu melakukan ini, kerana, tidak seperti penebangan hutan, fenomena ini berulang, dan kami melihat satu corak. Kedua-duanya disebabkan oleh perubahan kecil dalam suhu dan kelembapan yang dilepaskan ke atmosfera."

Penyelidik Universiti Stockholm, Lan Wang-Erlandsson, yang sedang menyelidik interaksi tanah, air dan iklim, berkata sudah tiba masanya untuk beralih daripada penggunaan air dan bawah permukaan dalam lembangan sungai tertentu kepada perubahan guna tanah di luar. "Perjanjian hidrologi antarabangsa baharu diperlukan untuk mengekalkan hutan di kawasan di mana jisim udara terbentuk," katanya.

Dua tahun lalu, pada mesyuarat Forum PBB mengenai Hutan, di mana kerajaan semua negara mengambil bahagian, penyelidik tanah dari Universiti Bern David Ellison membentangkan kajian kes. Beliau menunjukkan bahawa sehingga 40% daripada jumlah hujan di Dataran Tinggi Ethiopia, sumber utama Sungai Nil, berasal daripada kelembapan yang kembali dari hutan Lembangan Congo. Mesir, Sudan dan Ethiopia sedang merundingkan perjanjian yang telah lama tertunggak untuk berkongsi perairan Nil. Tetapi perjanjian sedemikian tidak akan bermakna jika penebangan hutan di Lembangan Congo, jauh dari tiga negara, mengeringkan sumber lembapan, Ellison mencadangkan. "Hubungan antara hutan dan air dalam menguruskan air tawar dunia hampir diabaikan sama sekali."

Teori pam biotik akan meningkatkan kepentingan lebih jauh, kerana kehilangan hutan dijangka menjejaskan bukan sahaja sumber kelembapan, tetapi juga corak angin. Ellison memberi amaran bahawa teori itu, jika disahkan, akan menjadi "kritikal kepada model peredaran udara planet" - terutamanya yang mengangkut udara lembap ke pedalaman.

Tetapi setakat ini, penyokong teori itu adalah minoriti. Pada tahun 2010, Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre, dan Bai-Liang Li, ahli ekologi di University of California, Riverside, menyerahkan penerangan sejarah mereka tentang pam biotik dalam Kimia dan Fizik Atmosfera, jurnal subjek utama dengan semakan rakan sebaya terbuka. Tetapi artikel "Dari Mana Datangnya Angin?" telah dikritik di Internet, dan majalah itu mengambil masa berbulan-bulan untuk mencari hanya dua saintis untuk menyemaknya. Isaac Held, ahli meteorologi di Makmal Dinamik Bendalir Geofizik di Universiti Princeton, menawarkan diri - dan mengesyorkan penerbitan itu ditolak. "Ini bukan kesan misteri," katanya. "Ia secara amnya tidak penting dan, lebih-lebih lagi, sudah diambil kira dalam beberapa model atmosfera." Pengkritik mengatakan pengembangan udara daripada haba yang dihasilkan oleh pemeluwapan wap air mengatasi kesan spatial pemeluwapan. Tetapi Makarieva mengatakan bahawa kedua-dua kesan ini dipisahkan secara spatial: pemanasan berlaku pada ketinggian, dan penurunan tekanan pemeluwapan berlaku lebih dekat ke permukaan, di mana angin biotik dicipta.

Pengulas lain ialah Judith Curry, seorang ahli fizik atmosfera di Institut Teknologi Georgia. Dia telah lama bimbang tentang keadaan atmosfera dan merasakan bahawa artikel itu harus diterbitkan, kerana "konfrontasi mempunyai kesan buruk pada klimatologi, dan dia memerlukan darah dari hidungnya untuk ahli fizik." Selepas tiga tahun perbahasan, editor majalah itu menolak cadangan Held dan menerbitkan artikel tersebut. Tetapi pada masa yang sama, beliau menyatakan bahawa penerbitan itu tidak boleh dianggap sebagai kelulusan, tetapi ia akan berfungsi sebagai dialog saintifik mengenai teori kontroversi - untuk mengesahkan atau menafikannya.

Sejak itu, tiada pengesahan atau penolakan telah keluar - konfrontasi berterusan. Simulator iklim Universiti Columbia Gavin Schmidt berkata, "Ini hanya karut." Penulis menjawab kritikan seperti ini: "Malah, kerana matematik, mereka tidak pasti sama ada ia berbaloi untuk meneruskan dialog." Pakar meteorologi Brazil dan ketua Pusat Pemantauan dan Pencegahan Bencana Alam, Jose Marengo, berkata: “Saya rasa pam itu wujud, tetapi kini semuanya pada tahap teori. Pakar dalam model iklim tidak menerimanya, tetapi orang Rusia adalah ahli teori terbaik di dunia, jadi eksperimen lapangan yang sesuai mesti dijalankan untuk menguji segala-galanya. Tetapi setakat ini tiada siapa, malah Makarieva sendiri, telah mencadangkan eksperimen sedemikian.

Bagi pihaknya, Makarieva bergantung pada teori, berhujah dalam satu siri karya terbaru bahawa mekanisme yang sama boleh menjejaskan siklon tropika - ia didorong oleh haba yang dikeluarkan apabila lembapan terpeluwap di atas lautan. Dalam akhbar Atmospheric Research 2017, dia dan rakan sekerjanya mencadangkan bahawa pam biotik berbentuk hutan menarik udara yang kaya dengan lembapan daripada asal-usul taufan. Ini, katanya, menjelaskan mengapa siklon jarang terbentuk di Lautan Atlantik Selatan: hutan hujan Amazon dan Congo mengalirkan begitu banyak lembapan sehingga terdapat terlalu sedikit yang tinggal untuk taufan.

Penyelidik taufan utama di MIT, Kerry Emanuel, berkata kesan yang dicadangkan adalah "penting, tetapi boleh diabaikan." Dia lebih suka penjelasan lain daripada ketiadaan taufan di Atlantik Selatan, sebagai contoh, perairan sejuk di rantau ini melepaskan lebih sedikit kelembapan ke udara, dan angin kencang menghalang pembentukan siklon. Makarieva, bagi pihaknya, sama-sama mengenepikan tradisionalis, percaya bahawa beberapa teori yang sedia ada tentang keamatan taufan "bercanggah dengan undang-undang termodinamik." Dia mempunyai artikel lain dalam Journal of Atmospheric Sciences - menunggu semakan. "Kami bimbang, walaupun sokongan editor, kerja kami akan ditolak lagi," katanya.

Walaupun di Barat idea Makaryeva dianggap marginal, di Rusia ia beransur-ansur berakar. Tahun lepas, kerajaan melancarkan dialog awam mengenai semakan undang-undang perhutanan. Kecuali kawasan perlindungan lama, hutan Rusia dibuka untuk eksploitasi komersial, tetapi kerajaan dan Agensi Perhutanan Persekutuan sedang mempertimbangkan kategori baharu - hutan perlindungan iklim. "Sesetengah dalam jabatan perhutanan kami kagum dengan idea pam biotik dan ingin memperkenalkan kategori baharu," katanya. Idea ini juga disokong oleh Akademi Sains Rusia. Makarieva mengatakan bahawa menjadi sebahagian daripada konsensus, dan bukan orang luar yang kekal, adalah baru dan luar biasa.

Musim panas ini, perjalanannya ke hutan utara terganggu oleh wabak coronavirus dan kuarantin. Di rumah di St. Petersburg, dia menerima satu lagi bantahan daripada pengulas tanpa nama. Dia yakin bahawa teori pam akan diguna pakai lambat laun. "Terdapat inersia semula jadi dalam sains, " katanya. Dengan humor Rusia yang gelap, dia teringat kata-kata ahli fizik Jerman legenda Max Planck, yang memberikan penerangan terkenal tentang kemajuan sains: "satu siri pengebumian."

Disyorkan: