Bossen reguleren het klimaat en produceren wind - biotische pomptheorie

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Anastasia Makarieva, een kernfysicus van het St. Petersburg Institute of Nuclear Physics, verdedigt al meer dan tien jaar de theorie dat de taigabossen van Rusland het klimaat in de noordelijke regio's van Azië regelen. Veel westerse meteorologen zijn het niet met haar eens, maar de overheid en wetenschappers in Rusland zijn geïnteresseerd in deze theorie.

Elke zomer, als de dagen langer worden, verlaat Anastasia Makarieva haar laboratorium in St. Petersburg en gaat op vakantie naar de eindeloze bossen van het Russische noorden. Een kernfysicus zet een tent op aan de oevers van de Witte Zee, tussen dennen en dennen, zwemt in een kajak op de eindeloze rivieren van de regio en maakt aantekeningen over de natuur en het weer. "Bossen vormen een groot deel van mijn persoonlijke leven", zegt ze. Gedurende 25 jaar jaarlijkse bedevaart naar het noorden zijn ze een belangrijk onderdeel van haar professionele leven geworden.

Al meer dan tien jaar verdedigt Makarieva de theorie, die ze ontwikkelde samen met Viktor Gorshkov, haar mentor en collega van het Petersburg Institute of Nuclear Physics (PNPI), over hoe de boreale (taiga) bossen van Rusland, het grootste bos op aarde het klimaat van Noord-Azië reguleren. Deze eenvoudige maar verreikende natuurkundige theorie beschrijft hoe de waterdamp die door bomen wordt uitgeademd winden creëert - deze winden doorkruisen het continent en voeren vochtige lucht van Europa over Siberië en verder naar Mongolië en China; deze winden voeren de regens mee die de reusachtige rivieren van Oost-Siberië voeden; deze winden besproeien de noordelijke vlakte van China, de graanschuur van het dichtstbevolkte land ter wereld.

Vanwege het vermogen om koolstofdioxide te absorberen en zuurstof uit te ademen, worden grote bossen vaak de longen van de planeet genoemd. Maar Makarieva en Gorshkov (hij stierf vorig jaar) zijn ervan overtuigd dat ze ook haar hart zijn. "Bossen zijn complexe, zelfvoorzienende regensystemen en een belangrijke factor in de circulatie van de atmosfeer op aarde", zegt Makarieva. Ze recirculeren enorme hoeveelheden vocht in de lucht en creëren daarbij winden die dit water de wereld rondpompen. Het eerste deel van deze theorie - dat bossen regen maken - komt overeen met onderzoek van andere wetenschappers en wordt steeds vaker herinnerd bij het beheren van watervoorraden te midden van ongebreidelde ontbossing. Maar het tweede deel, de theorie die Makarieva de biotische pomp noemt, is veel controversiëler.

De theoretische achtergrond van het werk werd gepubliceerd - weliswaar in minder bekende tijdschriften - en Makarieva werd ondersteund door een kleine groep collega's. Maar de biotische pomptheorie heeft veel kritiek gekregen - vooral van klimaatmodelleurs. Sommigen geloven dat de impact van de pomp onbeduidend is, terwijl anderen het helemaal ontkennen. Als gevolg hiervan bevond Makarieva zich in de rol van een buitenstaander: een theoretisch fysicus onder de modelontwikkelaars, een Rus onder westerse wetenschappers en een vrouw in een gebied dat wordt geregeerd door mannen.

Als haar theorie echter klopt, kan ze verklaren waarom, ondanks de grote afstand tot de oceanen, er in het binnenland van beboste continenten evenveel regen valt als aan de kust, en waarom het binnenland van boomloze continenten, aan de integendeel, is meestal droog. Het houdt ook in dat bossen - van de Russische taiga tot de regenwouden van de Amazone - niet alleen groeien waar het weer goed is. Ze maken het zelf. "Van wat ik heb gelezen, heb ik geconcludeerd dat de biotische pomp werkt", zegt Douglas Sheil, een bosecoloog aan de Norwegian University of Life Sciences. Omdat het lot van de bossen in de wereld in het geding is, zegt hij: "Zelfs als er de minste kans is dat deze theorie correct is, is het absoluut noodzakelijk om het zeker te weten."

Veel leerboeken over meteorologie bieden nog steeds een diagram van de watercyclus in de natuur, waar de belangrijkste oorzaak van luchtvochtigheid, dat condenseert in wolken en valt in de vorm van regen, de verdamping van de oceaan is. Dit schema negeert volledig de rol van vegetatie en vooral bomen, die werken als gigantische fonteinen. Hun wortels halen water uit de grond voor fotosynthese, en microscopisch kleine poriën in de bladeren verdampen ongebruikt water in de lucht. Dit proces - een soort transpiratie, alleen in bomen - wordt transpiratie genoemd. Zo geeft een volwassen boom honderden liters water per dag vrij. Door het grote bladoppervlak geeft het bos vaak meer vocht af aan de lucht dan een watermassa van dezelfde grootte.

Regenparade

De zogenaamde "vliegende rivieren" zijn de heersende winden die waterdamp absorberen die wordt uitgestoten uit bossen en regen afgeven aan verre waterlichamen. Een controversiële theorie suggereert dat de bossen zelf de wind beheersen.

Volgens de biotische pomptheorie veroorzaken bossen niet alleen regen, maar ook wind. Wanneer waterdamp condenseert boven kustbossen, neemt de luchtdruk af en ontstaan er winden die vochtige zeelucht aanzuigen. Cycli van transpiratie en condensatie creëren winden die de regen duizenden kilometers landinwaarts vervoeren.

Zo komt ongeveer 80% van de neerslag in China uit het westen dankzij de Trans-Siberische vliegende rivier. En de vliegende Amazone-rivier zorgt voor 70% van de regenval in het zuidoosten van Zuid-Amerika.

De rol van dit secundaire vocht bij de vorming van nutriëntenregens werd grotendeels over het hoofd gezien tot 1979, toen de Braziliaanse meteoroloog Eneas Salati de isotopensamenstelling van regenwater uit het Amazonebekken onderzocht. Het bleek dat het door transpiratie teruggevoerde water meer moleculen met de zware isotoop zuurstof-18 bevat dan water dat uit de oceaan verdampt. Zo toonde Salati aan dat de helft van de regenval boven de Amazone viel als gevolg van verdamping van het bos.

Meteorologen volgden de atmosferische straal over het bos op een hoogte van ongeveer 1,5 kilometer. Deze winden - gezamenlijk de Zuid-Amerikaanse lagere jetstream genoemd - waaien met de snelheid van een racefiets van west naar oost over de Amazone, waarna het Andesgebergte hen naar het zuiden sleept. Salati en anderen suggereerden dat zij het waren die het grootste deel van het vrijgekomen vocht droegen, en noemden hen 'de vliegende rivier'. Volgens klimatoloog Antonio Nope van het Braziliaanse National Space Research Institute vervoert de vliegende Amazone-rivier tegenwoordig evenveel water als de gigantische rivier van de aarde eronder.

Een tijd lang geloofde men dat de vliegende rivieren beperkt waren tot het Amazonebekken. Maar in de jaren negentig begon hydroloog Hubert Savenije van de Technische Universiteit van Delft met het bestuderen van vochtrecirculatie in West-Afrika. Met behulp van een hydrologisch model van weergegevens ontdekte hij dat hoe verder landinwaarts van de kust, hoe meer neerslag uit bossen valt - tot 90% in het binnenland. Deze ontdekking verklaart waarom de binnenste Sahel droger wordt: kustbossen zijn in de afgelopen halve eeuw verdwenen.

Een van Saveniers studenten, Ruud van der Ent, ontwikkelde zijn idee door een globaal model van vochtige luchtstroom te maken. Hij bracht waarnemingen van neerslag, vochtigheid, windsnelheid en temperatuur en theoretische schattingen van verdamping en transpiratie samen, en creëerde het eerste model van vochttransport op schalen buiten rivierbekkens.

In 2010 onthulden Van der Ent en zijn collega's hun bevinding dat wereldwijd 40% van alle regenval op het land plaatsvindt, niet op de oceaan. Vaak zelfs meer. De vliegende Amazone-rivier zorgt voor 70% van de regenval in het Rio de la Plata-bekken, dat zich uitstrekt over het zuidoosten van Zuid-Amerika. Van der Ent was nogal verrast toen hij ontdekte dat China 80% van zijn water uit het westen ontvangt - bovendien is het voornamelijk Atlantisch vocht dat wordt verwerkt door de taiga-bossen van Scandinavië en Rusland. De reis kent verschillende fasen - transpiratiecycli met bijbehorende regen - en duurt zes maanden of langer. "Dit is in tegenspraak met de eerdere informatie die iedereen op de middelbare school leert", zegt hij. "China ligt dicht bij de oceaan, de Stille Oceaan, maar de meeste regenval is vocht van het land in het uiterste westen."

Als Makarieva gelijk heeft, zorgen bossen niet alleen voor vocht, maar creëren ze ook de wind die het meevoert.

Ze werkte een kwart eeuw met Gorshkov samen. Ze begon als student aan PNPI, een onderdeel van het Kurchatov Institute, het grootste Russische nucleaire onderzoeksinstituut, zowel civiel als militair. Vanaf het begin werkten ze in het veld en waren ze bezig met ecologie aan het instituut, waar natuurkundigen materialen bestuderen met behulp van kernreactoren en neutronenbundels. Als theoretici, herinnert ze zich, hadden ze 'uitzonderlijke vrijheid van onderzoek en denken' - ze waren bezig met atmosferische fysica, waar het hen ook bracht. "Victor heeft me geleerd: wees nergens bang voor", zegt ze.

In 2007 presenteerden ze hun theorie van de biotische pomp voor het eerst in het tijdschrift Hydrology and Earth Sciences. Het werd vanaf het begin als provocerend beschouwd, omdat het in tegenspraak was met een al lang bestaand principe van de meteorologie: winden worden voornamelijk veroorzaakt door differentiële verwarming van de atmosfeer. Naarmate de warme lucht stijgt, verlaagt het de druk van de onderliggende lagen, waardoor in wezen nieuwe ruimte voor zichzelf op het oppervlak wordt gecreëerd. In de zomer warmt het landoppervlak bijvoorbeeld sneller op en trekt het vochtige briesjes van de koelere oceaan aan.

Makarieva en Gorshkov stellen dat soms een ander proces de overhand heeft. Wanneer waterdamp uit het bos condenseert tot wolken, wordt het gas een vloeistof - en neemt het minder volume in. Dit vermindert de luchtdruk en zuigt lucht horizontaal aan uit gebieden met minder condensatie. In de praktijk betekent dit dat condensatie boven kustbossen een zeebries smeedt, die vochtige lucht het binnenland in duwt, waar het uiteindelijk condenseert en als regen valt. Als bossen zich landinwaarts uitstrekken, gaat de cyclus door, waarbij de vochtige wind duizenden kilometers lang in stand blijft.

Deze theorie zet de traditionele opvatting omver: het is niet de atmosferische circulatie die de hydrologische cyclus controleert, maar integendeel, de hydrologische cyclus regelt de massale luchtcirculatie.

Sheel, en hij werd meer dan tien jaar geleden een aanhanger van de theorie, beschouwt het als een ontwikkeling van het idee van vliegende rivieren. "Ze sluiten elkaar niet uit", zegt hij. "De pomp verklaart de kracht van de rivieren." Hij gelooft dat de biotische pomp de 'koude Amazone-paradox' verklaart. Van januari tot juni, wanneer het Amazonebekken kouder is dan de oceaan, waaien er sterke winden van de Atlantische Oceaan naar de Amazone - hoewel de differentiële verwarmingstheorie anders zou suggereren. Nobre, ook al heel lang voorstander, legt enthousiast uit: "Ze komen niet voort uit data, maar uit onderliggende principes."

Zelfs degenen die aan de theorie twijfelen, zijn het erover eens dat het verlies van bossen verstrekkende gevolgen heeft voor het klimaat. Veel wetenschappers beweren dat ontbossing duizenden jaren geleden leidde tot de verwoestijning van het Australische binnenland en West-Afrika. Het risico bestaat dat ontbossing in de toekomst leidt tot droogte in andere regio's, zo zal een deel van het Amazoneregenwoud veranderen in savanne. China's landbouwgebieden, de Afrikaanse Sahel en de Argentijnse pampa's lopen ook gevaar, zegt Patrick Keys, een atmosferisch chemicus aan de Universiteit van Colorado, Fort Collins.

In 2018 gebruikten Kees en collega's een model vergelijkbaar met dat van Van der Ent om neerslagbronnen te volgen voor 29 wereldwijde grootstedelijke gebieden. Hij ontdekte dat het grootste deel van de watervoorziening van 19 van hen afhankelijk is van afgelegen bossen, waaronder Karachi (Pakistan), Wuhan en Shanghai (China), New Delhi en Kolkata (India)."Zelfs kleine veranderingen in neerslag veroorzaakt door veranderingen in landgebruik met de wind mee, kunnen een grote impact hebben op de kwetsbaarheid van stedelijke watervoorziening", zegt hij.

Sommige modellen suggereren zelfs dat ontbossing, door de vochtbron te vernietigen, de weersomstandigheden tot ver buiten de drijvende rivieren dreigt te veranderen. Zoals je weet, heeft El Niño - schommelingen in windtemperatuur en stromingen in de tropische Stille Oceaan - indirect invloed op het weer op afgelegen plaatsen. Evenzo kan ontbossing in de Amazone de regenval in het middenwesten van de VS en de sneeuwbedekking in de Sierra Nevada verminderen, zegt klimatoloog Roni Avissar van de Universiteit van Miami, die dergelijke verbanden modelleert. Vergezocht? "Helemaal niet", antwoordt hij. “We weten dat El Niño hiertoe in staat is, omdat dit fenomeen zich, in tegenstelling tot ontbossing, herhaalt en we een patroon waarnemen. Beide worden veroorzaakt door kleine veranderingen in temperatuur en vocht dat vrijkomt in de atmosfeer."

Lan Wang-Erlandsson, onderzoeker van de Universiteit van Stockholm, die onderzoek doet naar de interactie van land, water en klimaat, zegt dat het tijd is om over te schakelen van het gebruik van water en ondergrond binnen een bepaald stroomgebied naar verandering in landgebruik daarbuiten. "Er zijn nieuwe internationale hydrologische overeenkomsten nodig om bossen in stand te houden in gebieden waar luchtmassa's ontstaan", zegt ze.

Twee jaar geleden, op een bijeenkomst van het VN-Forum over Bossen, waaraan regeringen van alle landen deelnemen, presenteerde landonderzoeker van de Universiteit van Bern David Ellison een case study. Hij toonde aan dat tot 40% van de totale regenval in de Ethiopische hooglanden, de belangrijkste bron van de Nijl, afkomstig is van vocht dat terugkeert uit de bossen van het Congobekken. Egypte, Soedan en Ethiopië onderhandelen over een langverwachte deal om de Nijlwateren te delen. Maar zo'n overeenkomst zou zinloos zijn als ontbossing in het Congobekken, ver van de drie landen, de vochtbron opdroogt, suggereerde Ellison. "De relatie tussen bossen en water bij het beheer van 's werelds zoetwater wordt bijna volledig genegeerd."

De biotische pomptheorie zal de inzet nog verder verhogen, aangezien bosverlies naar verwachting niet alleen vochtbronnen, maar ook windpatronen zal beïnvloeden. Ellison waarschuwt dat de theorie, indien bevestigd, "van cruciaal belang zal zijn voor planetaire luchtcirculatiemodellen" - vooral die welke vochtige lucht landinwaarts transporteren.

Maar tot nu toe zijn de aanhangers van de theorie in de minderheid. In 2010 hebben Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre en Bai-Liang Li, een ecoloog aan de Universiteit van Californië, Riverside, hun historische beschrijving van de biotische pomp ingediend in Atmospheric Chemistry and Physics, een belangrijk vaktijdschrift met open peer review. Maar het artikel "Waar komen de winden vandaan?" werd bekritiseerd op internet, en het kostte het tijdschrift vele maanden om slechts twee wetenschappers te vinden om het te beoordelen. Isaac Held, een meteoroloog bij het Geophysical Fluid Dynamics Laboratory aan de Princeton University, bood vrijwillig aan - en adviseerde de publicatie af te wijzen. "Dit is geen mysterieus effect", zegt hij. "Het is over het algemeen onbeduidend en wordt bovendien al meegenomen in een aantal atmosferische modellen." Critici zeggen dat de uitzetting van lucht door de warmte die wordt gegenereerd door condensatie van waterdamp het ruimtelijke effect van condensatie tegengaat. Maar Makarieva zegt dat deze twee effecten ruimtelijk gescheiden zijn: opwarming vindt plaats op hoogte en de daling van de condensatiedruk vindt plaats dichter bij het oppervlak, waar biotische wind wordt gecreëerd.

Een andere recensent was Judith Curry, een atmosferische fysicus aan het Georgia Institute of Technology. Ze maakt zich al lang zorgen over de toestand van de atmosfeer en vond dat het artikel gepubliceerd moest worden, omdat 'de confrontatie een slecht effect heeft op de klimatologie en ze bloed uit haar neus nodig heeft voor natuurkundigen'. Na drie jaar debat verwierp de redacteur van het tijdschrift de aanbeveling van Held en publiceerde het artikel. Maar tegelijkertijd merkte hij op dat de publicatie niet als goedkeuring kan worden beschouwd, maar zal dienen als een wetenschappelijke dialoog over een controversiële theorie - om deze te bevestigen of te weerleggen.

Sindsdien is er geen bevestiging of weerlegging naar buiten gekomen - de confrontatie ging door. Klimaatsimulator Gavin Schmidt van Columbia University zegt: "Dit is gewoon onzin." De auteurs reageren als volgt op kritiek: "In feite weten ze vanwege de wiskunde niet zeker of het de moeite waard is om de dialoog voort te zetten." De Braziliaanse meteoroloog en hoofd van het Nationaal Centrum voor Monitoring en Preventie van Natuurrampen, Jose Marengo, zegt: “Ik denk dat de pomp bestaat, maar nu is het allemaal op het niveau van de theorie. Experts op het gebied van klimaatmodellen accepteerden het niet, maar de Russen zijn de beste theoretici ter wereld, dus er moeten passende veldexperimenten worden uitgevoerd om alles te testen." Maar tot nu toe heeft niemand, zelfs Makarieva zelf niet, dergelijke experimenten voorgesteld.

Van haar kant vertrouwt Makarieva op theorie en betoogt in een reeks recente werken dat hetzelfde mechanisme tropische cyclonen kan beïnvloeden - ze worden aangedreven door de warmte die vrijkomt wanneer vocht boven de oceaan condenseert. In de Atmospheric Research-krant van 2017 suggereerden zij en haar collega's dat bosvormige biotische pompen vochtrijke lucht aanzuigen uit de cycloon. Dit verklaart, zegt ze, waarom cyclonen zelden ontstaan in de Zuid-Atlantische Oceaan: de regenwouden van de Amazone en Congo voeren zoveel vocht af dat er te weinig overblijft voor orkanen.

Hoofdonderzoeker orkaan aan het MIT, Kerry Emanuel, zegt dat de voorgestelde effecten "aanzienlijk, maar verwaarloosbaar" zijn. Hij geeft de voorkeur aan andere verklaringen boven de afwezigheid van orkanen in de Zuid-Atlantische Oceaan, bijvoorbeeld, het koele water van de regio laat minder vocht aan de lucht vrij en de sterke wind voorkomt de vorming van cyclonen. Makarieva, van haar kant, is even minachtend voor traditionalisten, in de overtuiging dat sommige van de bestaande theorieën over de intensiteit van orkanen 'in tegenspraak zijn met de wetten van de thermodynamica'. Ze heeft nog een artikel in de Journal of Atmospheric Sciences - in afwachting van beoordeling. "We zijn bang dat ons werk, ondanks de steun van de redactie, opnieuw wordt afgewezen", zegt ze.

Hoewel in het Westen de ideeën van Makaryeva als marginaal worden beschouwd, beginnen ze in Rusland geleidelijk wortel te schieten. Vorig jaar lanceerde de regering een openbare dialoog over de herziening van de bosbouwwetten. Met uitzondering van de oude beschermde gebieden, staan Russische bossen open voor commerciële exploitatie, maar de regering en het Federale Staatsbosbeheer overwegen een nieuwe categorie: bossen voor klimaatbescherming. "Sommigen in onze bosbouwafdeling zijn onder de indruk van het idee van de biotische pomp en willen een nieuwe categorie introduceren", zegt ze. Het idee werd ook gesteund door de Russische Academie van Wetenschappen. Makarieva zegt dat deel uitmaken van de consensus, en niet een eeuwige buitenstaander, nieuw en ongebruikelijk is.

Deze zomer werd haar reis naar de noordelijke bossen verstoord door de coronavirusepidemie en quarantaine. Thuis in St. Petersburg ging ze weer zitten voor een nieuwe ronde van bezwaren van anonieme recensenten. Ze is ervan overtuigd dat de pomptheorie vroeg of laat zal zegevieren. "Er is natuurlijke traagheid in de wetenschap", zegt ze. Met donkere Russische humor herinnert ze zich de woorden van de legendarische Duitse natuurkundige Max Planck, die de beroemde beschrijving van de vooruitgang van de wetenschap gaf: 'een reeks begrafenissen'.