Леса регулируют климат и производят ветер - Теория биотического насоса

Физик-ядерщик из Петербургского института ядерной физики Анастасия Макарьева более десяти лет отстаивает теорию о том, что таёжные леса России регулируют климат северных районов Азии. Многие западные метеорологи с ней не согласны, но правительство и ученые России заинтересовались этой теорией. Каждое лето, когда дни становятся все дольше, Анастасия Макарьева покидает свою лабораторию в Санкт-Петербурге и отправляется в отпуск в бескрайние леса русского Севера. Физик-ядерщик разбивает палатку на берегу Белого моря, среди елей и сосен, плавает на байдарке по бескрайним рекам региона и делает записи о природе и погоде. «Леса — это большая часть моей личной жизни», — говорит она. За 25 лет ежегодного паломничества на север они стали и важной частью ее профессиональной жизни. Уже более десяти лет Макарьева отстаивает теорию, которую разработала вместе с Виктором Горшковым, своим наставником и коллегой из Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ) — о том, как бореальные (таёжные) леса России, крупнейший лесной массив Земли, регулируют климат северных районов Азии. Это простая, но далеко идущая физическая теория описывает, как выдыхаемый деревьями водяной пар создает ветры, — эти ветры пересекают континент, перенося влажный воздух из Европы через всю Сибирь и далее в Монголию и Китай; эти ветры несут дожди, которые питают гигантские реки Восточной Сибири; эти ветры поливают северную равнину Китая, житницу самой густонаселенной страны на планете. Благодаря способности поглощать углекислый газ и выдыхать кислород, великие лесные массивы часто называют легкими планеты. Но Макарьева и Горшков (он умер в прошлом году), убеждены, что они еще и ее сердце. «Леса — это сложные, самоподдерживающиеся дождевые системы и главный фактор циркуляции атмосферы на Земле», — говорит Макарьева. Они рециркулируют огромное количество влаги в воздух и попутно создают ветры, которые качают эту воду по всему миру. Первая часть этой теории, — что леса делают дождь, — согласуется с исследованиями других ученых, о ней все чаще вспоминают при управлении водными ресурсами на фоне безудержной вырубки лесов. Но вторая часть, теории, которую Макарьева называет биотическим насосом, гораздо более спорна. Теоретическое обоснование работы было опубликовано — пусть и в менее известных журналах — и Макарьеву поддержала небольшая группа коллег. Но на теорию биотического насоса обрушился шквал критики — особенно со стороны разработчиков климатических моделей. Одни считают, что воздействие насоса незначительно, а другие отрицают его вовсе. В результате Макарьева оказалась в роли аутсайдера: физик-теоретик среди разработчиков моделей, русская среди западных ученых, и женщина в области, где заправляют мужчины. Однако если ее теория верна, она сможет объяснить, почему, несмотря на значительную удаленность от океанов, во внутренних районах лесистых континентов выпадает столько же осадков, сколько на побережье, и почему внутренние районы безлесных континентов, наоборот, как правило засушливы. Еще из нее следует, что леса — от русской тайги до тропических лесов Амазонки — не просто растут там, где подходящая погода. Они сами ее делают. «Из того, что я прочел, я заключил, что биотический насос работает», — говорит Дуглас Шил (Douglas Sheil), лесной эколог из Норвежского университета естественных наук. Поскольку судьба мировых лесов под вопросом, он считает: «Даже если есть самый незначительный шанс, что эта теория верна, обязательно нужно выяснить наверняка». Многие учебники по метеорологии до сих пор приводят схему круговорота воды в природе, где главной причиной атмосферной влаги, которая конденсируется в облаках и выпадает в виде дождя, служит испарение океана. Эта схема напрочь игнорирует роль растительности и особенно деревьев, которые работают как гигантские фонтаны. Их корни черпают из почвы воду для фотосинтеза, а микроскопические поры в листьях испаряют неиспользованную воду в воздух. Этот процесс — своего рода потоотделение, только у деревьев — называется транспирация. Таким образом, одно зрелое дерево выделяет сотни литров воды в день. Благодаря обширной площади листвы лес нередко выделяет в воздух больше влаги, чем водоем того же размера. Парад дождя Так называемые «летающие реки» — это преобладающие ветра, которые поглощают выделяемый лесами водяной пар и доставляют дожди в отдаленные водные бассейны. Спорная теория предполагает, что ветрами управляют сами леса. Согласно теории биотического насоса, леса вызывают не только дождь, но и ветер. Когда водяной пар над прибрежными лесами конденсируется, давление воздуха снижается и создаются ветры, которые втягивают влажный океанский воздух. Циклы транспирации и конденсации создают ветры, которые переносят дожди на тысячи километров вглубь континента. Так, около 80% осадков в Китае приходит с запада благодаря транссибирской летающей реке. А летающая река Амазонки обеспечивает 70% осадков в юго-восточной части Южной Америки. Роль этой вторичной влаги в образовании питательных дождей по сути не бралась в расчет до 1979 года, когда бразильский метеоролог Энеаш Салати (Eneas Salati) исследовал изотопный состав дождевой воды из бассейна Амазонки. Оказалось, что вода, возвращаемая транспирацией, содержит больше молекул с тяжелым изотопом кислорода-18, чем вода, испаренная из океана. Так Салати показал, что половина осадков над Амазонкой выпала в результате испарений леса. Метеорологи отследили атмосферную струю над лесом на высоте около 1,5 километров. Эти ветры, — совокупно их называют южноамериканским струйным течением нижних уровней, — дуют с запада на восток через всю Амазонию со скоростью гоночного велосипеда, после чего горы Анды увлекают их на юг. Салати и другие предположили, что это они несут основную часть выделяющейся влаги, и окрестили их «летающей рекой». По словам климатолога из Национального института космических исследований Бразилии Антониу Нобре (Antonio Nope), летающая река Амазонки сегодня несет столько же воды, сколько гигантская земная река под ней. Какое-то время считалось, что летающие реки ограничиваются бассейном Амазонки. Но в 1990-х годах гидролог из Делтфского технологического университета Хуберт Савенье (Hubert Savenije) начал изучать рециркуляцию влаги в Западной Африке. При помощи гидрологической модели на погодных данных он обнаружил, что чем дальше вглубь от побережья, тем выше доля осадков, выпадающих из лесов — вплоть до 90% во внутренних районах. Это открытие объясняет, почему внутренний Сахель становится все засушливее: за последние полвека исчезли прибрежные леса. Один из учеников Савенье, Рууд ван дер Энт (Ruud van der Ent) развил его идею, создав глобальную модель воздушного потока влаги. Он свел воедино данные наблюдений за осадками, влажностью, скоростью ветра и температурой и теоретические оценки испарения и транспирации и создал первую модель переноса влаги в масштабах, превышающих речные бассейны. В 2010 году Ван дер Энт и его коллеги обнародовали свой вывод: в глобальном масштабе 40% всех осадков приходится на землю, а не на океан. Нередко даже больше. Летающая река Амазонки обеспечивает 70% осадков в бассейне реки Рио-де-ла-Плата, который простирается через юго-восточную часть Южной Америки. Ван дер Энт немало удивился, обнаружив, что Китай 80% своей воды получает с запада — причем в основном это атлантическая влага, которую перерабатывают таежные леса Скандинавии и России. Путешествие насчитывает несколько этапов — циклов транспирации с попутным дождем — и занимает полгода и более. «Это противоречит предыдущим сведениям, которые все изучают в средней школе, — говорит он. — Китай находится рядом с океаном, Тихим океаном, но большая часть его осадков — это влага с суши далеко на западе». *** Если Макарьева права, леса дают не только влагу, но и создают ветер, который ее несет. С Горшковым она проработала четверть века. Начинала она его учеником в ПИЯФ, это подразделение Курчатовского института — крупнейшего в России института ядерных исследований, как гражданских, так и военных. С самого начала они работали наособицу и занимались экологией в институте, где физики изучают материалы при помощи ядерных реакторов и нейтронных пучков. Как у теоретиков, вспоминает она, у них была «исключительная свобода исследований и мысли», — они занимались атмосферной физикой, куда бы она их ни вела. «Виктор научил меня: ничего не бойся», — говорит она. В 2007 году они впервые изложили свою теорию биотического насоса в журнале «Гидрология и науки о Земле». Ее сочли провокационной с самого начала, потому что противоречит давнему принципу метеорологии: ветры обусловлены главным образом дифференциальным нагревом атмосферы. Поднимаясь, теплый воздух понижает давление располагающихся ниже слоев, по сути создавая для себя на поверхности новое пространство. Летом, например, поверхность суши нагревается быстрее и притягивает влажные бризы из более прохладного океана. Макарьева и Горшков утверждают, что иногда преобладает иной процесс. Когда водяной пар из леса конденсируется в облака, газ становится жидкостью — а она занимает меньше объема. Это снижает давление воздуха и втягивает воздух горизонтально из областей с меньшим количеством конденсата. На практике это означает, что конденсация над прибрежными лесами нагнетает морской бриз, нагоняя влажный воздух в глубинные районы, где он в конечном итоге конденсируется и выпадает в виде дождя. Если леса простираются вглубь материка, цикл продолжается, поддерживая влажные ветра на протяжении тысяч километров. Эта теория переворачивает традиционное представление: это не атмосферная циркуляция управляет гидрологическим циклом, а наоборот, гидрологический цикл регулирует массовую циркуляцию воздуха. Шил, а он стал сторонником теории более десяти лет назад, считает ее развитием идеи о летающих реках. «Они вовсе не исключают друг друга, — говорит он. — Насос объясняет силу рек». Он считает, что биотический насос объясняет «парадокс холодной Амазонки». С января по июнь, когда бассейн Амазонки холоднее океана, сильные ветры дуют с Атлантики на Амазонку — хотя по теории дифференциального нагрева следовало бы ждать противоположного. Нобре, еще один давнишний сторонник, с энтузиазмом объясняет: «Они идут не от данных, а от основополагающих принципов». Даже те, кто в теории сомневается, соглашаются, что потеря лесов чревата далеко идущими последствиями для климата. Многие ученые утверждают, что вырубка лесов тысячи лет назад привела к опустыниванию внутренних австралийских земель и Западной Африки. Есть риск, что вырубка лесов в будущем приведет к засухе в других регионах, например, часть тропических лесов Амазонки превратится в саванну. Сельскохозяйственным районам Китая, африканскому Сахелю и аргентинским пампасам тоже грозит опасность, говорит Патрик Кис (Patrick Keys), химик-атмосферщик из Университета штата Колорадо, Форт Коллинз. В 2018 году Кис и его коллеги использовали модель, аналогичную модели ван дер Энта, для отслеживания источников осадков для 29 глобальных мегаполисов. Он обнаружил, что большая часть водоснабжения 19 из них зависит от отдаленных лесов, включая Карачи (Пакистан), Ухань и Шанхай (Китай), Нью-Дели и Калькутту (Индия). «Даже небольшие изменения в осадках, вызванные изменениями в землепользовании с подветренной стороны, могут оказать большое влияние на хрупкость городского водоснабжения», — говорит он. Некоторые модели даже предполагают, что вырубка лесов, уничтожая источник влаги, грозит изменить погодные условия далеко за пределами летающих рек. Как известно, Эль-Ниньо — колебание температуры ветра и течений в тропической части Тихого океана — косвенно влияет на погоду в отдаленных местах. Точно так же обезлесение Амазонки может уменьшить количество осадков на Среднем Западе США и снежный покров в Сьерра-Неваде, говорит климатолог из Университета Майами Рони Ависсар (Roni Avissar), который моделирует такие связи. Притянуто за уши? «Вовсе нет, — отвечает он. — Мы знаем, что Эль-Ниньо на это способен, потому что, в отличие от вырубки лесов, этот феномен повторяется, и мы наблюдаем закономерность. Оба вызваны небольшими изменениями температуры и влагой, которая выбрасывается в атмосферу». Исследователь Стокгольмского университета Лань Ван-Эрландссон (Lan Wang-Erlandsson), которая исследует взаимодействие суши, воды и климата, говорит, что пришло время переключится с использования воды и недр в пределах того или иного речного бассейна на перемены в землепользовании за его пределами. «Нужны новые международные гидрологические соглашения для поддержания лесов в районах формирования воздушных масс», — говорит она. Два года назад на совещании Форума ООН по лесам, где участвуют правительства всех стран, исследователь земельных ресурсов из Бернского университета Дэвид Эллисон (David Ellison) представил конкретный пример. Он продемонстрировал, что до 40% общего количества осадков в Эфиопском нагорье, являющимся основным источником Нила, обеспечивается влагой, которая возвращается из лесов бассейна реки Конго. Египет, Судан и Эфиопия ведут переговоры о давно назревшей сделке по разделу нильских вод. Но такое соглашение будет лишено всякого смысла, если вырубка лесов в бассейне реки Конго, вдали от этих трех стран, иссушит источник влаги, предположил Эллисон. «Взаимосвязь между лесами и водой при управлении мировыми запасами пресной воды почти полностью игнорируется». Теория биотического насоса повысит ставки еще больше, ведь предполагается, что потеря леса скажется не только на источниках влаги, но и на характере ветра. Эллисон предупреждает, что теория, если она подтвердится, будет иметь «решающее значение для моделей циркуляции планетарного воздуха» — особенно для тех, которые переносят влажный воздух вглубь континента. *** Но пока что сторонники теории в меньшинстве. В 2010 году Макарьева, Горшков, Шил, Нобре и Бай-Лян Ли, эколог из Калифорнийского университета в Риверсайде, представили свое историческое описание биотического насоса, в «Атмосферной химии и физике», крупном тематическом журнале с открытым экспертным рецензированием. Но статью «Откуда берутся ветры?» в интернете раскритиковали, и у журнала ушло немало месяцев, чтобы найти всего лишь двух ученых ее отрецензировать. Метеоролог из лаборатории геофизической гидродинамики Принстонского университета Айзек Хелд (Isaac Held) вызвался добровольцем — и рекомендовал в публикации отказать. «Никакой это не таинственный эффект, — говорит он. — Он вообще незначительный и к тому же уже учитывается в целом ряде атмосферных моделей». Критики говорят, что расширение воздуха от тепла, которое выделяется при конденсации водяного пара, противодействует пространственному эффекту от конденсации. Но Макарьева говорит, что эти два эффекта разделены пространственно: потепление возникает на высоте, а падение давления конденсации происходит ближе к поверхности, где и создается биотический ветер. Другим рецензентом была Джудит Карри (Judith Curry), физик-атмосферщик из Технологического института Джорджии. Она давно переживает за состояние атмосферы и сочла, что статью надо опубликовать, потому что «противостояние дурно сказывается на климатологии, а ей кровь из носу нужны физики». После трех лет дебатов редактор журнала рекомендацию Хелда отклонил и статью опубликовал. Но при этом отметил, что публикацию нельзя считать одобрением, но она послужит научному диалогу по спорной теории — чтобы подтвердить ее либо опровергнуть. С тех пор ни подтверждения, ни опровержения не вышло — противостояние продолжилось. Cпециалист по моделированию климата из Колумбийского университета Гэвин Шмидт (Gavin Schmidt) считает: «Это просто чепуха». Авторы на критику отвечают так: «На самом деле это они из-за математики не уверены, стоит ли продолжать диалог». Бразильский метеоролог и глава Национального центра мониторинга и предупреждения стихийных бедствий Жосе Маренгу (Jose Marengo) говорит: «Я думаю, насос существует, но сейчас это все на уровне теории. Специалисты по климатическим моделям его не приняли, но русские — лучшие теоретики в мире, поэтому надо провести соответствующие полевые эксперименты, чтобы все проверить». Но пока что никто, даже сама Макарьева, таких экспериментов не предложил. Со своей стороны, Макарьева опирается на теорию, утверждая в серии недавних работ, что тот же самый механизм может влиять и на тропические циклоны, — их приводит в действие тепло, выделяемое при конденсации влаги над океаном. В газете «Атмосферные исследования» за 2017 год она и ее коллеги предположили, что биотические насосы в виде лесов притягивают богатый влагой воздух из мест зарождения циклонов. Это, по ее словам, объясняет, почему циклоны редко образуются в южной части Атлантического океана: тропические леса Амазонки и Конго отводят так много влаги, что ее остается слишком мало и на ураганы не хватает. Ведущий исследователь ураганов Массачусетского технологического института Керри Эмануэль (Kerry Emanuel) говорит, что предлагаемые эффекты «хотя и ощутимы, но незначительны». Отсутствию ураганов в Южной Атлантике он предпочитает другие объяснения, например, прохладные воды региона выделяют в воздух меньше влаги, а его сильные ветры мешают образованию циклонов. Макарьева, со своей стороны, столь же пренебрежительно относится к традиционалистам, полагая, что некоторые из существующих теорий об интенсивности ураганов «противоречат законам термодинамики». У нее есть еще одна статья в «Журнале атмосферных наук» — на стадии рецензирования. «Мы переживаем, что, несмотря на поддержку редактора, нашу работу снова отклонят», — говорит она. Пусть на Западе идеи Макарьевой считаются маргинальными, в России они постепенно укореняются. В прошлом году правительство затеяло общественный диалог по пересмотру законов о лесном хозяйстве. За исключением старых охраняемых территорий, российские леса открыты для коммерческой эксплуатации, но правительство и Федеральное агентство лесного хозяйства рассматривают новую категорию — леса для защиты климата. «Некоторые представители нашего лесного департамента впечатлились идеей биотического насоса и хотят ввести новую категорию», — говорит она. Идею поддержала и Российская академия наук. Макарьева говорит, что быть частью консенсуса, а не вечным аутсайдером, ново и непривычно. Этим летом ее поездку в северные леса сорвали эпидемия коронавируса и карантин. Дома в Санкт-Петербурге она засела за очередной раунд возражений от анонимных рецензентов. Она убеждена, что теория насоса рано или поздно победит. «В науке есть естественная инерция», — говорит она. С мрачным русским юмором она вспоминает слова легендарного немецкого физика Макса Планка (Max Planck), который дал знаменитое описание прогресса науки: «череда похорон».