Научный перевод. Спорная русская теория утверждает, что леса создают ветер
Спорная теория, согласно которой леса не просто создают дождь, но еще и ветер, сделали российского ученого Анастасию Макарьеву аутсайдером сразу в трех категориях: как физика-теоретика в мире моделистов, как русскую в области, возглавляемой западными учеными, и как женщину в области, где доминируют мужчины. О непростой судьбе научной гипотезы и ее автора на страницах журнала Science рассказывает Фред Пирс.
Каждое лето, когда дни становятся длиннее, Анастасия Макарьева покидает свою лабораторию в Санкт-Петербурге, чтобы отдохнуть в бескрайних лесах северной России. Ядерный физик разбивает лагерь на берегу Белого моря среди елей и сосен и катается на байдарке по широким рекам региона, делая заметки о природе и погоде. «Леса — это большая часть моей духовной жизни», — говорит Анастасия. За те 25 лет, в течение которых она совершала ежегодные паломничества на север, леса также стали важной частью ее профессиональной жизни.
Более десяти лет Макарьева отстаивает теорию, разработанную вместе с Виктором Горшковым, ее наставником и коллегой по Петербургскому институту ядерной физики (ПИЯФ), о том, что российские бореальные леса (а это самое большое количество деревьев на Земле) регулируют климат Северной Азии. Эта простая физика «с далеко идущими последствиями» описывает, как водяной пар, выдыхаемый деревьями, управляет ветрами: ветрами, которые пересекают континент, забирая влажный воздух из Европы и унося его через Сибирь в Монголию и Китай; ветрами, которые приносят дожди, поддерживающие течение гигантских рек Восточной Сибири; ветрами, которые увлажняют Северо-Китайскую равнину — житницу самой многочисленной нации на Земле.
Крупнейшие леса часто называют легкими планеты из-за их способности поглощать углекислый газ и выдыхать кислород. Макарьева и Горшков (он скончался в прошлом году) используют метафору бьющегося сердца. «Леса — это сложные самоподдерживающиеся дождевые системы, а также основной двигатель циркуляции атмосферы на Земле», — говорит Макарьева. Они рециркулируют огромное количество влаги в воздух и в ходе этого процесса также нагнетают ветры, которые качают эту воду по всему миру. Первая часть этой идеи — о том, что леса являются создателями дождя, — возникла у других ученых, и она все больше ценится управляющими водными ресурсами по мере безудержной вырубки лесов на планете. А вот вторая часть — теория, которую Макарьева называет биотическим насосом, — гораздо более спорная.
Эта теория была опубликована в не слишком известных журналах, и Макарьева получила поддержку лишь от небольшого круга коллег. Идея биотического насоса столкнулась со встречным ветром критики, особенно со стороны разработчиков климатических моделей, часть из которых говорят, что его эффекты незначительны, и полностью отвергают эту идею.
Этот спор сделал Макарьеву аутсайдером: как физика-теоретика в мире моделистов, русскую в области, возглавляемой западными учеными, и женщину в области, где доминируют мужчины
Тем не менее, если эта идея верна, она может помочь объяснить, почему, несмотря на удаленность от океанов, внутренние районы континентов, покрытые лесом, получают столько же дождей, сколько и побережье, и почему внутренние районы континентов без леса, как правило, засушливы. Это также означает, что леса — от русской тайги до тропических лесов Амазонки — растут не только там, где для них есть подходящая погода. Они и сами делают погоду. «Все мои знания подтверждают правильность идеи биотического насоса, — говорит Дуглас Шейл, лесной эколог из Норвежского университета естественных наук. — Даже если теория имеет лишь небольшой шанс быть истинной, все равно чрезвычайно важно о ней знать так или иначе».
Многие учебники метеорологии до сих пор преподают карикатуру на круговорот воды, когда испарение океана ответственно за большую часть атмосферной влаги, которая конденсируется в облаках и падает в виде дождя. Такая схема игнорирует роль растительности — в частности, деревьев, которые действуют как гигантские фонтаны воды. Их корни захватывают воду из почвы для фотосинтеза, а микроскопические поры в листьях выпускают неиспользованную воду в виде пара в воздух. Этот процесс, древесный эквивалент потоотделения, известен как «транспирация». Таким образом одно зрелое дерево может выделять сотни литров воды в день. С его листвой, дающей обильную площадь поверхности для обмена, лес зачастую может доставить больше влаги в воздух, чем испарение из водного объекта того же размера.
Так называемые «летающие реки» — это ветры, которые поднимают водяной пар, выдыхаемый лесами, и доставляют дожди в отдаленные водные бассейны. Эта спорная теория предполагает, что леса сами управляют ветрами.
«Летающая река» Амазонки обеспечивает 70% осадков для юго-восточных районов Южной Америки. Около 80% дождей в Китае приходит с запада благодаря транссибирской «летающей реке»
Теория биотического насоса предполагает, что леса производят не только дождь, но и ветер. Когда водяной пар над прибрежными лесами конденсируется, он понижает давление воздуха, создавая ветры, которые втягивают влажный океанский воздух. Циклы испарения и конденсации могут создавать ветры, которые переносят дожди на тысячи километров вглубь страны.
Важность этого процесса в значительной степени игнорировалась до 1979 года, когда бразильский метеоролог Энеас Салати сообщил об исследованиях изотопного состава дождевой воды, взятой из бассейна Амазонки. Вода, рециркулируемая путем транспирации, содержит больше молекул с тяжелым изотопом кислорода-18, чем вода, испаренная из океана. Салати использовал этот факт, чтобы показать: половина осадков над Амазонкой происходит от испарений самого леса..
К этому времени метеорологи отслеживали атмосферную струю над лесом — на высоте около 1,5 км. Ветры, которые со скоростью гоночного велосипеда дуют с востока на запад, через Амазонку до самых Анд, а затем отклоняются от них на юг, получили название South American Low-Level Jet («Южноамериканская низкоуровневая реактивная струя»). Салати и другие специалисты предположили, что этот реактивный поток несет большую часть испаряющейся влаги, и окрестили его «летающей рекой». «Сейчас считается, что "летающая река" Амазонки несет столько же воды, сколько гигантская наземная река под ней», — говорит Антонио Нобре, исследователь климата из Бразильского национального института космических исследований.
В течение нескольких лет считалось, что «летающие реки» ограничиваются Амазонкой. В 1990-х годах Хуберт Савенье, гидролог из Делфтского технического университета (Нидерланды), начал изучать рециркуляцию влаги в Западной Африке. Используя гидрологическую модель, основанную на данных о погоде, он обнаружил, что по мере удаления от побережья вглубь страны доля осадков, поступающих из лесов, растет, достигая в глубине страны 90%. Это открытие помогло объяснить, почему внутренние районы Сахеля стали суше по мере исчезновения прибрежных лесов за последние полвека.
Один из учеников Савенье Руд ван дер Энт развил эту идею и создал глобальную модель воздушного потока влаги. Он объединил данные наблюдений за осадками, влажностью, скоростью ветра и температурой с теоретическими оценками испарения и транспирации, чтобы создать первую модель потока влаги в масштабах больших, чем речные бассейны.
В 2010 году Руд ван дер Энт и его коллеги сообщили о выводе, сделанном в результате их моделирования: в глобальном масштабе 40% всех осадков поступает с суши, а не из океана, а зачастую даже больше. «Летающая река» Амазонки обеспечивает 70% осадков, выпадающих в бассейне Рио-де-ла-Плата, который простирается на юго-востоке Южной Америки. Руд ван дер Энт был очень удивлен, обнаружив, что Китай получает 80% своей воды с запада — в основном атлантическую влагу, переработанную бореальными лесами Скандинавии и России. Путешествие воды в Китай занимает от полугода и более и включает в себя несколько этапов: циклы испарения, за которыми следует дождь с подветренной стороны и последующее испарение.
«Это противоречит предыдущим знаниям, которые вы получаете в средней школе, — говорит ученый. — Китай находится рядом с Тихим океаном, но большая часть его осадков — это влага, принесенная с далекого запада»
Четверть века Анастасия Макарьева работала вместе с Горшковым, первоначально в качестве его ученицы, в Институте ядерной физики, который входит в состав НИЦ «Курчатовский институт», один из ведущих российских гражданских и военных ядерных исследовательских учреждений. Они были инакомыслящими с самого начала, так как изучали экологию в месте, полном физиков, которые исследовали нейтронное излучение при ядерных реакциях. По словам Макарьевой, как теоретики они обладали «исключительной свободой исследований и мышления», занимаясь атмосферной физикой, куда бы она их ни привела. «Виктор учил меня: ничего не бойся», — рассказала Анастасия Макарьева.
В 2007 году они впервые изложили свое видение биотического насоса. Сама идея была провокационной с самого начала, потому что противоречила давнему принципу метеорологии: ветры движутся главным образом за счет дифференциального нагрева атмосферы. Когда теплый воздух поднимается, он понижает давление воздуха под ним, фактически создавая пространство на поверхности, в которое движется воздух. Например, летом поверхность суши, как правило, нагревается быстрее и втягивает влажные бризы из более прохладного океана.
Макарьева и Горшков утверждали, что второй процесс иногда может доминировать. Когда водяной пар из лесов конденсируется в облака, газ превращается в жидкость, занимающую меньший объем. Это уменьшает давление воздуха и втягивает воздух горизонтально из областей с меньшей конденсацией. На практике это означает, что конденсация над прибрежными лесами создает турбонаддув для морских бризов, буквально всасывая влажный воздух вглубь территории, где он в конечном итоге конденсируется и падает в виде дождя. Если леса простираются далеко, цикл может продолжаться, поддерживая влажные ветры на протяжении тысяч километров.
Эта теория переворачивает традиционное мышление: не атмосферная циркуляция управляет гидрологическим циклом, а гидрологический цикл управляет массовой циркуляцией воздуха.
Дуглас Шейл, который стал сторонником этой теории более десяти лет назад, считает ее украшением идеи «летающей реки». «Они не являются взаимоисключающими, — говорит он. — Насос дает объяснение мощности рек». По его словам, идея биотического насоса может объяснить так называемый «парадокс холодной Амазонки». С января по июнь, когда в бассейне Амазонки холоднее, чем в океане, сильные ветры дуют с Атлантики на Амазонку — это противоположно тому, чего можно было бы ожидать, если бы они были вызваны дифференциальным нагревом.
Даже те, кто сомневается в этой теории, согласны, что потеря лесов может иметь далеко идущие климатические последствия. Многие ученые утверждают, что вырубка лесов тысячи лет назад была причиной опустынивания в австралийской глубинке и Западной Африке. Существует опасение, что в будущем вырубка лесов может привести к засушливости других регионов — например, к тому, что часть тропических лесов Амазонки превратится в саванну. Сельскохозяйственные регионы Китая, африканский Сахель и аргентинская пампа также находятся в зоне риска, говорит Патрик Киз, специалист по атмосферной химии из Университета штата Колорадо в Форт-Коллинсе.
В 2018 году Киз и его коллеги использовали модель, аналогичную модели ван дер Энта, для отслеживания источников осадков в 29 мегаполисах, включая Карачи (Пакистан), Ухань и Шанхай (Китай), Нью-Дели и Колкату (Индия). Он обнаружил, что большая часть их водоснабжения зависит от отдаленных лесов. «Даже небольшие изменения в осадках, вызванные изменениями в землепользовании с подветренной стороны, могут оказать большое влияние на хрупкость городского водоснабжения», — говорит Патрик Киз.
Некоторые модели предполагают, что уничтожение источника влаги: обезлесение — может изменить погодные условия даже за пределами траекторий «летающих рек». Точно так же, как Эль-Ниньо изменяет течения ветров в экваториальной части Тихого океана и при этом влияет на погоду в отдаленных местах, так и вырубка лесов Амазонки может уменьшить количество осадков на Среднем Западе в США и снежный покров в Сьерра-Неваде, говорит Рони Ависсар, климатолог из Университета Майами, который смоделировал такие дальние корреляционные связи. Притянуто за уши? «Вовсе нет, — говорит он. — Мы знаем, что Эль-Ниньо может это делать, потому что, в отличие от вырубки лесов, он повторяется, и мы можем видеть всю картину. И то и другое вызвано небольшими изменениями температуры и влажности, которые проецируются в атмосферу».
Лан Ван-Эрландссон, изучающая взаимодействие между землей, водой и климатом в Стокгольмском университете, говорит, что департаментам водных ресурсов пора переключить свое внимание с использования воды и земли в пределах речного бассейна на изменения в землепользовании, происходящие за его пределами.
«Нам нужны новые международные гидрологические соглашения, чтобы сохранить леса исходных регионов», — говорит Ван-Эрландссон
Два года назад на заседании форума ООН по лесам, на котором присутствуют все правительства, Дэвид Эллисон, земельный исследователь из Бернского университета, представил конкретный пример: исследование показало, что до 40% общего количества осадков в Эфиопском нагорье, являющемся главным источником Нила, обеспечивается влагой, рециркулируемой из лесов бассейна Конго. Египет, Судан и Эфиопия ведут переговоры по давно назревшей сделке о разделе вод Нила. Но такое соглашение будет бесполезным, если вырубка лесов в бассейне Конго, вдали от этих трех стран, иссушит источник влаги, считает Эллисон. «Взаимодействие между лесами и водными ресурсами почти полностью игнорируется при управлении глобальными ресурсами пресной воды», — отметил ученый.
Идея биотического насоса повысила бы ставки еще больше, ведь она предполагает, что потеря леса изменяет не только источники влаги, но и характер ветра. Эта теория, если она верна, будет иметь «решающее значение для моделей циркуляции планетарного воздуха», предупреждает Эллисон, особенно для тех, которые переносят влажный воздух вглубь континента.
Сторонники этой теории составляют меньшинство. В 2010 году Макарьева, Горшков, Шейл, Нобре и Бай-Лиан Ли, эколог из Калифорнийского университета в Риверсайде, представили статью «Откуда берутся ветры?» в крупный журнал с открытым размещением рецензий — это должно было стать знаковым описанием биотического насоса для атмосферной химии и физики. Последовал шквал критики в интернете, и журналу потребовалось много месяцев, чтобы найти двух ученых, готовых ее рассмотреть. Исаак Хельд, метеоролог из лаборатории геофизической гидродинамики Принстонского университета, наконец вызвался добровольцем и рекомендовал отказаться от этой идеи. «Это не таинственный эффект, — заметил американский ученый. — Он невелик и включен в некоторые атмосферные модели». Критики говорят, что расширение воздуха от тепла, выделяемого при конденсации водяного пара, противодействует пространственному эффекту конденсации. Но Макарьева считает, что эти два эффекта пространственно разделены, причем эффект потепления происходит наверху, а падение давления конденсации происходит ближе к поверхности, где она генерирует биотический ветер.
Другим рецензентом была Джудит Карри, специалист по физике атмосферы из Технологического института Джорджии, которая уже давно беспокоилась об атмосферной динамике, лежащей в основе климатических моделей. Она чувствовала, что было важно опубликовать статью, и говорит, что противостояние было очень вредным для науки о климате, которая остро нуждается в новых идеях, отличных от закоренелых учений физиков. После трех лет дебатов редактор журнала отклонил рекомендацию Хельда и обнародовал статью, заявив, что она была опубликована «не в качестве одобрения», а «для содействия продолжению научного диалога по спорной теории, который может привести к опровержению или подтверждению».
С тех пор не было ни подтверждения, ни опровержения, но противостояние продолжилось. Гэвин Шмидт, специалист по моделированию климата из Колумбийского университета, говорит: «Это просто чепуха». Ответы авторов на критические замечания были «на самом деле просто математикой, которая не давала никому никакой уверенности в том, что есть какой-то смысл продолжать диалог». Жозе Маренго, метеоролог из Бразилии и глава Национального центра мониторинга и раннего предупреждения стихийных бедствий, говорит:
«Я думаю, что насос существует, но пока это только теория. Сообщество климатической модели не приняло его, но русские — лучшие теоретики в мире, поэтому нам нужны соответствующие полевые эксперименты, чтобы его проверить». Однако никто, в том числе и Макарьева, пока не сформулировал четко, как может выглядеть такой эксперимент
Со своей стороны, Макарьева продолжает развивать эту теорию, утверждая в ряде недавних работ, что тот же самый механизм может влиять на тропические циклоны, которые приходят в движение под влиянием тепла, выделяющегося при конденсации влаги над океаном. В статье 2017 года, посвященной атмосферным исследованиям, она и ее коллеги предположили, что биотические насосы, регулируемые лесами на суше, вытягивают богатый влагой воздух из областей, где рождаются циклоны. Это, по ее словам, может объяснить, почему циклоны редко формируются в Южной Атлантике: тропические леса Амазонки и Конго поглощают так много влаги, что ее остается слишком мало, чтобы подпитывать ураганы.
Керри Эмануэль, ведущий исследователь ураганов в Массачусетском технологическом институте, говорит, что предлагаемые эффекты «хотя и не пренебрежимо малы, но очень малы». Он предпочитает другие объяснения отсутствия южноатлантических ураганов, такие как прохладные воды региона, которые посылают меньше влаги в воздух, и его сильные режущие ветры, которые нарушают формирование циклонов. Макарьева столь же пренебрежительно относится к традиционалистам, говоря, что некоторые из существующих теорий интенсивности ураганов «противоречат законам термодинамики». У нее есть еще одна статья на эту тему, которая проходит рецензирование в журнале Atmospheric Sciences.
«Мы обеспокоены тем, что, несмотря на поддержку редактора, наша работа снова будет отклонена», — говорит Макарьева
Даже если идеи Макарьевой на Западе носят характер бредовых, в России они укореняются. В прошлом году правительство начало общественный диалог по пересмотру своего лесного законодательства. Кроме строго охраняемых территорий, российские леса открыты для коммерческой эксплуатации, но правительство и Федеральное агентство лесного хозяйства рассматривают возможность нового определения «леса для защиты климата» (climate protection forests. — Прим. ред.). «Некоторые представители нашего лесного департамента были впечатлены биотическим насосом и хотят ввести новую категорию», — говорит Макарьева. Идея получила поддержку Российской академии наук. Быть частью консенсуса, а не вечным аутсайдером, — это заметная перемена, говорит Макарьева.
Этим летом коронавирусный локдаун сделал невозможной ее ежегодную поездку в северные леса. Вернувшись в Санкт-Петербург, она принялась отвечать на очередной раунд возражений против ее работы от анонимных рецензентов. Макарьева настаивает, что теория насоса в конечном счете восторжествует. «В науке есть естественная инерция», — говорит Анастасия. С мрачным русским юмором она вспоминает слова легендарного немецкого физика Макса Планка, который, как говорят, однажды заметил, что «наука продвигается вперед с каждыми похоронами».