Ормандар климатты реттейді және жел шығарады - биотикалық сорғы теориясы

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Санкт-Петербург ядролық физика институтының ядролық физигі Анастасия Макариева Ресейдің тайга ормандары Азияның солтүстік аймақтарының климатын реттейді деген теорияны он жылдан астам уақыт бойы қорғап келеді. Көптеген батыстық метеорологтар онымен келіспейді, бірақ Ресей үкіметі мен ғалымдары бұл теорияға қызығушылық танытады.

Жаз сайын күн ұзарған сайын Анастасия Макариева Санкт-Петербургтегі зертханасынан шығып, Ресейдің солтүстігіндегі шексіз ормандарға демалуға барады. Ядролық физик Ақ теңіз жағасында, шыршалар мен қарағайлар арасында шатыр тігіп, өлкенің шексіз өзендерінде байдаркамен жүзіп, табиғат пен ауа-райын жазып алады. «Орман - менің жеке өмірімнің үлкен бөлігі», - дейді ол. Солтүстікке жыл сайынғы 25 жыл қажылық сапары оның кәсіби өмірінің маңызды бөлігіне айналды.

Макариева он жылдан астам уақыт бойы өзінің тәлімгері және Санкт-Петербург ядролық физика институтының (PNPI) әріптесі Виктор Горшковпен бірге жасаған теорияны Ресейдің бореалдық (тайга) ормандары, ең үлкен ормандар туралы қорғады. жер бетінде солтүстік Азияның климатын реттейді. Бұл қарапайым, бірақ кең ауқымды физикалық теория ағаштар шығаратын су буының желді қалай жасайтынын сипаттайды - бұл желдер континентті кесіп өтіп, ылғалды ауаны Еуропадан Сібір арқылы, одан әрі Моңғолия мен Қытайға тасымалдайды; бұл желдер Шығыс Сібірдің алып өзендерін қоректендіретін жаңбырларды тасиды; бұл желдер Қытайдың солтүстік жазығын, планетадағы халқы ең көп елдің астық қоймасын суландырады.

Көмірқышқыл газын сіңіру және оттегімен тыныс алу қабілетіне байланысты үлкен ормандарды көбінесе планетаның өкпесі деп атайды. Бірақ Макариева мен Горшков (ол өткен жылы қайтыс болды) олардың да оның жүрегі екеніне сенімді. Макариева: «Ормандар күрделі, өзін-өзі қамтамасыз ететін жаңбыр жүйесі және Жердегі атмосфера айналымының негізгі факторы», - дейді. Олар ауаға ылғалдың үлкен мөлшерін айналдырады және осы суды бүкіл әлемге айдайтын желдер жасайды. Бұл теорияның бірінші бөлігі - ормандар жаңбыр жауады - басқа ғалымдардың зерттеулеріне сәйкес келеді және ормандардың жаппай кесілуі жағдайында су ресурстарын басқару кезінде көбірек есте қалады. Бірақ екінші бөлім, Макариева биотикалық сорғы деп атайтын теория әлдеқайда даулы.

Жұмыстың теориялық негізі азырақ танымал журналдарда жарияланды және Макариеваны әріптестердің шағын тобы қолдады. Бірақ биотикалық сорғы теориясы көптеген сынға ұшырады - әсіресе климаттық модельдеушілер. Кейбіреулер сорғының әсері шамалы деп санайды, ал басқалары оны мүлдем жоққа шығарады. Нәтижесінде Макариева өзін аутсайдер рөлінде тапты: модель жасаушылар арасында теориялық физик, батыс ғалымдары арасында орыс және ерлер басқаратын аймақтағы әйел.

Алайда, егер оның теориясы дұрыс болса, ол мұхиттардан айтарлықтай қашықтығына қарамастан, орманды материктердің ішкі бөлігінде жағалаудағыдай жауын-шашынның неліктен көп түсетінін және ағашсыз материктердің ішкі бөлігінде неліктен керісінше, әдетте құрғақ. Бұл сонымен қатар ормандар - орыс тайгасынан Амазонка тропикалық ормандарына дейін - ауа-райы қолайлы жерде ғана өспейді дегенді білдіреді. Олар өздері жасайды. Норвегияның өмір туралы ғылымдар университетінің орман экологы Дуглас Шейл: «Оқығанымнан мен биотикалық сорғы жұмыс істейді деген қорытындыға келдім», - дейді. Дүние жүзіндегі ормандардың тағдыры сөз болып тұрғандықтан, ол: «Бұл теорияның дұрыстығына шамалы болса да мүмкіндік болса да, оны нақты анықтау қажет» дейді.

Метеорология бойынша көптеген оқулықтар әлі күнге дейін табиғаттағы су айналымының диаграммасын береді, мұнда бұлттарда конденсацияланатын және жаңбыр түрінде түсетін атмосфералық ылғалдың негізгі себебі мұхиттың булануы болып табылады. Бұл схема өсімдіктердің және әсіресе алып субұрқақтар сияқты әрекет ететін ағаштардың рөлін толығымен елемейді. Олардың тамырлары фотосинтез үшін топырақтан суды сорып алады, ал жапырақтардағы микроскопиялық кеуектер пайдаланылмаған суды ауаға буландырады. Бұл процесс – терлеудің бір түрі, тек ағаштарда – транспирация деп аталады. Осылайша, бір жетілген ағаш күніне жүздеген литр су шығарады. Жапырақтардың үлкен ауданына байланысты орман жиі ауаға бірдей мөлшердегі су қоймасына қарағанда көбірек ылғал бөледі.

Жаңбыр шеруі

«Ұшатын өзендер» деп аталатындар - ормандардан бөлінетін су буларын сіңіріп, жаңбырды алыстағы су айдындарына жеткізетін басым желдер. Даулы теория ормандардың өзі желдерді басқарады деп болжайды.

Биотикалық сорғы теориясына сәйкес, ормандар тек жаңбырды ғана емес, желді де тудырады. Жағалаудағы ормандарда су буы конденсацияланған кезде ауа қысымы төмендейді және ылғалды мұхит ауасын соратын желдер пайда болады. Транспирация және конденсация циклдары жаңбырды мыңдаған шақырым ішкі жерге апаратын желдер тудырады.

Сонымен, Қытайдағы жауын-шашынның шамамен 80% Транссібір ұшатын өзеннің арқасында батыстан келеді. Ал ұшатын Амазонка өзені Оңтүстік Американың оңтүстік-шығыс бөлігіндегі жауын-шашынның 70 пайызын қамтамасыз етеді.

Бұл қайталама ылғалдың қоректік жаңбырдың пайда болуындағы рөлі 1979 жылға дейін, бразилиялық метеоролог Энеас Салати Амазонка бассейніндегі жаңбыр суының изотоптық құрамын зерттегенге дейін назардан тыс қалды. Транспирация арқылы қайтарылған судың құрамында мұхиттан буланған суға қарағанда ауыр оттегі-18 изотопы бар молекулалар көп екені анықталды. Сонымен, Салати Амазонкадағы жауын-шашынның жартысы орманның булануы нәтижесінде жауғанын көрсетті.

Метеорологтар атмосфералық ағынды орманның үстінде шамамен 1,5 шақырым биіктікте бақылаған. Бұл желдер - жалпы алғанда Оңтүстік Американың төменгі реактивті ағыны деп аталады - Амазонка арқылы батыстан шығысқа жарыс велосипедінің жылдамдығымен соғады, содан кейін Анд таулары оларды оңтүстікке сүйреп апарады. Салати және басқалары бөлінген ылғалдың негізгі бөлігін өздері көтерді деп болжап, оларды «ұшатын өзен» деп атады. Бразилия ұлттық ғарыштық зерттеулер институтының климатологы Антонио Нопенің айтуынша, ұшатын Амазонка өзені бүгінде оның астындағы алып Жер өзеніндей суды тасымалдайды.

Біраз уақыт ұшатын өзендер Амазонка бассейнімен шектелген деп есептелді. Бірақ 1990 жылдары Дельтф технологиялық университетінің гидрологы Хуберт Савениже Батыс Африкадағы ылғалдың рециркуляциясын зерттей бастады. Гидрологиялық модельді ауа-райы деректері бойынша пайдалана отырып, ол жағалаудан ішке қарай неғұрлым алыс болса, ормандардан түсетін жауын-шашынның үлесі соғұрлым жоғары болатынын анықтады - ішкі аймақтарда 90% дейін. Бұл жаңалық ішкі Сахельдің неліктен құрғақ болып бара жатқанын түсіндіреді: жағалаудағы ормандар соңғы жарты ғасырда жоғалып кетті.

Savenier студенттерінің бірі, Руд ван дер Энт ылғалды ауа ағынының жаһандық моделін жасау арқылы өз идеясын дамытты. Ол жауын-шашынның, ылғалдылықтың, желдің жылдамдығы мен температурасының бақылауларын және булану мен транспирацияның теориялық бағалауын біріктірді және өзен бассейндерінен тыс масштабта ылғал тасымалдаудың алғашқы моделін жасады.

2010 жылы Ван дер Энт және оның әріптестері дүниежүзінде жауын-шашынның 40% мұхитта емес, құрлықта түседі деген тұжырымын ашты. Көбінесе одан да көп. Ұшатын Амазонка өзені Оңтүстік Американың оңтүстік-шығысында созылып жатқан Рио-де-ла-Плата бассейніндегі жауын-шашынның 70% қамтамасыз етеді. Ван дер Энт Қытай суының 80% батыстан алатынына таң қалды - оның үстіне бұл негізінен Скандинавия мен Ресейдің тайга ормандары өңдейтін Атлантикалық ылғалдылық. Саяхат бірнеше кезеңнен тұрады - жаңбырмен байланысты транспирация циклдері - және алты ай немесе одан да көп уақытты алады. «Бұл барлығы орта мектепте оқитын бұрынғы ақпаратқа қайшы келеді», - дейді ол. «Қытай мұхитқа, Тынық мұхитына жақын, бірақ жауын-шашынның көп бөлігі қиыр батыстағы құрлықтан түсетін ылғал».

Макариева дұрыс айтса, ормандар ылғалмен қамтамасыз етіп қана қоймай, оны тасымалдайтын желді де жасайды.

Горшковпен ширек ғасыр бірге жұмыс істеді. Ол Курчатов институтының бөлімшесі ПНПИ студенті ретінде азаматтық және әскери саладағы ең ірі ресейлік ядролық зерттеу институтында бастады. Олар әуел бастан-ақ далада жұмыс істеп, физиктер ядролық реакторлар мен нейтрондық сәулелердің көмегімен материалдарды зерттейтін институтта экологиямен айналысты. Теоретиктердің айтуынша, оларда «зерттеу мен ойлаудың ерекше еркіндігі» болды, - олар қай жерде болса да атмосфералық физикамен айналысты. «Виктор маған ештеңеден қорықпауды үйретті», - дейді ол.

2007 жылы олар алғаш рет Hydrology and Earth Sciences журналында биотикалық сорғы теориясын ұсынды. Ол әу бастан арандатушылық деп саналды, өйткені ол метеорологияның бұрыннан қалыптасқан қағидасына қайшы келді: желдер негізінен атмосфераның дифференциалды жылынуынан туындайды. Жылы ауа көтерілген сайын, ол астындағы қабаттардың қысымын төмендетеді, бұл негізінен бетінде өзі үшін жаңа кеңістік жасайды. Мысалы, жазда жер беті тезірек қызады және салқын мұхиттан ылғалды желді тартады.

Макариева мен Горшков кейде басқа процесс басым болатынын айтады. Ормандағы су буы бұлтқа айналғанда, газ сұйықтыққа айналады - және ол аз көлемді алады. Бұл ауа қысымын төмендетеді және конденсациясы аз аймақтардан ауаны көлденең тартып алады. Іс жүзінде бұл жағалаудағы ормандардағы конденсация теңіз желін соғып, ылғалды ауаны ішкі бөлікке итермелейді, ол ақырында конденсацияланып, жаңбыр ретінде түседі. Егер ормандар ішке қарай созылса, цикл мыңдаған шақырымға ылғалды желді сақтай отырып жалғасады.

Бұл теория дәстүрлі көзқарасты жоққа шығарады: гидрологиялық циклді басқаратын атмосфералық циркуляция емес, керісінше, гидрологиялық цикл ауаның массалық айналымын реттейді.

Шил, және ол он жылдан астам бұрын теорияның жақтаушысы болды, оны ұшатын өзен идеясының дамуы деп санайды. «Олар бір-бірін жоққа шығармайды», - дейді ол. «Насос өзендердің күшін түсіндіреді». Ол биотикалық сорғы «суық Amazon парадоксын» түсіндіреді деп санайды. Қаңтардан маусымға дейін, Амазонка бассейні мұхиттан суық болған кезде, Атлантикадан Амазонкаға қатты жел соғады, бірақ дифференциалды жылыту теориясы басқаша болжайды. Нобре, тағы бір ұзақ уақыт бойы қолдаушы, ынтамен түсіндіреді: «Олар деректерден емес, негізгі принциптерден келеді».

Теорияға күмәнданатындар да ормандардың жойылуы климатқа үлкен әсер ететінімен келіседі. Көптеген ғалымдар мыңдаған жылдар бұрын ормандардың жойылуы Австралияның ішкі жерлері мен Батыс Африканың шөлейттенуіне әкелді деп санайды. Болашақта ормандарды кесу басқа аймақтарда құрғақшылыққа әкелу қаупі бар, мысалы, Амазонка тропикалық ормандарының бір бөлігі саваннаға айналады. Форт-Коллинздегі Колорадо университетінің атмосфера химигі Патрик Кейстің айтуынша, Қытайдың ауылшаруашылық аймақтары, Африкалық Сахель және аргентиналық пампалар да қауіп төндіреді.

2018 жылы Кис және оның әріптестері 29 жаһандық мегаполис аудандары үшін жауын-шашын көздерін бақылау үшін ван дер Энт үлгісіне ұқсас үлгіні пайдаланды. Оның 19-ын сумен қамтамасыз етудің көп бөлігі Карачи (Пәкістан), Ухань және Шанхай (Қытай), Нью-Дели және Калькутта (Үндістан) сияқты шалғайдағы ормандарға байланысты екенін анықтады.«Желге қарай жерді пайдаланудың өзгеруіне байланысты жауын-шашынның шамалы өзгеруі де қалалық сумен жабдықтаудың нәзіктігіне үлкен әсер етуі мүмкін», - дейді ол.

Кейбір модельдер тіпті орманды кесу ылғал көзін бұза отырып, қалқымалы өзендерден алыс ауа-райының өзгеруіне қауіп төндіреді деп болжайды. Өздеріңіз білетіндей, Эль-Ниньо – тропикалық Тынық мұхитындағы жел температурасы мен ағыстардың ауытқуы – шалғайдағы ауа райына жанама әсер етеді. Сол сияқты, Амазонкадағы ормандарды кесу АҚШ-тың орта батысындағы жауын-шашын мен Сьерра-Невададағы қар жамылғысын азайтуы мүмкін, дейді Майами университетінің климатологы Рони Ависар, мұндай байланыстарды модельдейтін. Алыс па? «Мүлдем емес», - деп жауап береді ол. «Біз Эль-Ниньоның бұған қабілетті екенін білеміз, өйткені орманды кесуден айырмашылығы, бұл құбылыс қайталанады және біз заңдылықты байқаймыз. Екеуі де атмосфераға шығарылатын температура мен ылғалдың шамалы өзгеруінен туындайды ».

Стокгольм университетінің зерттеушісі, жердің, судың және климаттың өзара әрекеттесуін зерттейтін Лан Ванг-Эрландссон белгілі бір өзен бассейніндегі су мен жер қойнауын пайдаланудан жерді пайдалануды өзгертуге көшудің уақыты келді дейді. «Жаңа халықаралық гидрологиялық келісімдер ауа массалары пайда болатын аумақтардағы ормандарды сақтау үшін қажет», - дейді ол.

Екі жыл бұрын барлық елдердің үкіметтері қатысатын БҰҰ-ның ормандар жөніндегі форумының отырысында Берн университетінің жер зерттеушісі Дэвид Эллисон жағдайлық зерттеуді ұсынды. Ол Нілдің негізгі көзі Эфиопия таулы аймақтарындағы жауын-шашынның 40% Конго ойпатының ормандарынан қайтып келетін ылғалдан келетінін көрсетті. Мысыр, Судан және Эфиопия Ніл суын бөлісу туралы бұрыннан кешіктірілген келісім бойынша келіссөздер жүргізуде. Бірақ егер үш елден алыс Конго бассейніндегі ормандарды кесу ылғал көзін құрғатса, мұндай келісім мағынасыз болар еді, дейді Эллисон. «Дүние жүзіндегі тұщы суды басқарудағы ормандар мен су арасындағы қарым-қатынас толығымен еленбейді».

Биотикалық сорғы теориясы ставкаларды одан әрі арттырады, өйткені орманның жойылуы тек ылғал көздеріне ғана емес, жел үлгілеріне де әсер етеді деп күтілуде. Эллисон, егер бұл теория расталса, «планеталық ауа айналымы модельдері үшін маңызды» болатынын ескертеді - әсіресе ылғалды ауаны ішке тасымалдайтындар.

Бірақ әзірге теорияны қолдаушылар азшылықты құрайды. 2010 жылы Макариева, Горшков, Шил, Нобре және Калифорния университетінің экологы Бай-Лян Ли «Атмосфералық химия және физика» журналында биотикалық насостың тарихи сипаттамасын ашық шолумен ұсынды. Бірақ «Желдер қайдан шығады?» мақаласы. Интернетте сынға ұшырап, журналға тек екі ғалымды қарап шығу үшін көп айлар қажет болды. Принстон университетінің геофизикалық сұйықтықтардың динамикасы зертханасының метеорологы Исаак Хелд ерікті болды және жарияланымнан бас тартуды ұсынды. «Бұл жұмбақ әсер емес», - дейді ол. «Бұл жалпы алғанда шамалы және оның үстіне бірқатар атмосфералық модельдерде ескерілген». Сыншылар су буының конденсациясынан пайда болатын жылудан ауаның кеңеюі конденсацияның кеңістіктік әсеріне қарсы тұрады дейді. Бірақ Макариева бұл екі әсер кеңістікте бөлінгенін айтады: жылыну биіктікте жүреді, ал конденсация қысымының төмендеуі биотикалық жел пайда болатын жер бетіне жақынырақ болады.

Тағы бір шолушы Джорджия технологиялық институтының атмосфера физигі Джудит Карри болды. Ол көптен бері атмосфераның жай-күйіне алаңдап, мақаланы жариялау керек деп санады, өйткені «қарсыласу климатологияға нашар әсер етеді және физиктерге мұрнынан қан керек». Үш жылдық пікірталастан кейін журнал редакторы Хелдтің ұсынысын қабылдамай, мақаланы жариялады. Бірақ сонымен бірге ол басылымды мақұлдау деп санауға болмайтынын, бірақ ол даулы теория бойынша – оны растау немесе теріске шығару бойынша ғылыми диалог ретінде қызмет ететінін атап өтті.

Содан бері ешқандай растау немесе теріске шығару шыққан жоқ - текетірес жалғасты. Колумбия университетінің климаттық симуляторы Гэвин Шмидт: «Бұл жай ғана бос сөз» дейді. Авторлар сынға былай деп жауап береді: «Шындығында, математиканың кесірінен олар диалогты жалғастырудың қажеті бар-жоғына сенімді емес». Бразилиялық метеоролог және табиғи апаттарды бақылау және алдын алу ұлттық орталығының басшысы Хосе Маренго: «Менің ойымша, сорғы бар, бірақ қазір бәрі теория деңгейінде. Климаттық модельдер бойынша сарапшылар оны қабылдамады, бірақ ресейліктер әлемдегі ең жақсы теоретиктер, сондықтан бәрін сынау үшін тиісті далалық эксперименттер жүргізілуі керек ». Бірақ әзірге ешкім, тіпті Макариеваның өзі де мұндай эксперименттерді ұсынбаған.

Макариева өз тарапынан теорияға сүйеніп, соңғы еңбектер сериясында дәл осындай механизм тропикалық циклондарға әсер етуі мүмкін екенін айтады - олар мұхит үстінде ылғал конденсацияланған кезде бөлінетін жылумен қозғалады. 2017 жылғы Atmospheric Research газетінде ол және оның әріптестері орман тәрізді биотикалық сорғылар циклоннан ылғалға бай ауа алуды ұсынды. Бұл, дейді ол, Оңтүстік Атлант мұхитында циклондар неге сирек пайда болатынын түсіндіреді: Амазонка мен Конгоның тропикалық ормандары соншалықты көп ылғалды сорып, дауылдар үшін тым аз қалды.

Массачусетс институтының дауылдарды зерттеу жөніндегі жетекші маманы Керри Эмануэль болжамды әсерлер «маңызды, бірақ елеусіз» екенін айтады. Ол Оңтүстік Атлантикадағы дауылдардың жоқтығына басқа түсіндірулерді артық көреді, мысалы, аймақтың салқын сулары ауаға ылғалды аз бөледі, ал оның күшті желдері циклондардың пайда болуына жол бермейді. Макариева, өз кезегінде, дауылдардың қарқындылығы туралы қолданыстағы теориялардың кейбірі «термодинамика заңдарына қайшы келеді» деп есептей отырып, дәстүршілерді бірдей жоққа шығарады. Оның Атмосфералық ғылымдар журналында тағы бір мақаласы бар - шолуды күтуде. «Біз редактордың қолдауына қарамастан, жұмысымыз қайтадан қабылданбайды деп алаңдаймыз», - дейді ол.

Батыста Макарьеваның идеялары маргиналды деп саналғанымен, Ресейде олар бірте-бірте тамыр жая бастады. Өткен жылы үкімет орман шаруашылығы туралы заңдарды қайта қарау бойынша қоғамдық диалогты бастады. Ескі қорғалатын аумақтарды қоспағанда, ресейлік ормандар коммерциялық пайдалану үшін ашық, бірақ үкімет пен федералды орман шаруашылығы агенттігі жаңа санатты - климатты қорғайтын ормандарды қарастыруда. «Біздің орман шаруашылығы бөліміндегі кейбіреулер биотикалық сорғы идеясына таң қалды және жаңа санатты енгізгісі келеді», - дейді ол. Бұл идеяны Ресей ғылым академиясы да қолдады. Макариева мәңгілік бөгде адам емес, консенсустың бір бөлігі болу жаңа және ерекше екенін айтады.

Осы жазда оның солтүстік ормандарға сапары коронавирустық індет пен карантинге байланысты үзілді. Санкт-Петербургтегі үйінде ол анонимді рецензенттер тарапынан қарсылықтардың тағы бір раундына отырды. Ол сорғы теориясы ерте ме, кеш пе жеңетініне сенімді. «Ғылымда табиғи инерция бар», - дейді ол. Қараңғы ресейлік әзілмен ол аты аңызға айналған неміс физигі Макс Планктың ғылым прогресінің әйгілі сипаттамасын берген сөздерін еске алады: «жерлеу рәсімдері».