Le foreste regolano il clima e producono vento - Teoria della pompa biotica

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Anastasia Makarieva, fisica nucleare dell'Istituto di fisica nucleare di San Pietroburgo, difende da più di dieci anni la teoria secondo cui le foreste della taiga della Russia regolano il clima delle regioni settentrionali dell'Asia. Molti meteorologi occidentali non sono d'accordo con lei, ma il governo e gli scienziati in Russia sono interessati a questa teoria.

Ogni estate, man mano che le giornate si allungano, Anastasia Makarieva lascia il suo laboratorio a San Pietroburgo e va in vacanza nelle sterminate foreste del nord russo. Un fisico nucleare monta una tenda sulle rive del Mar Bianco, tra abeti e pini, nuota in kayak sugli infiniti fiumi della regione e prende appunti sulla natura e sul clima. "Le foreste sono una parte importante della mia vita personale", afferma. Per 25 anni di pellegrinaggio annuale al nord, sono diventati una parte importante della sua vita professionale.

Per più di dieci anni, Makarieva ha difeso la teoria, che ha sviluppato insieme a Viktor Gorshkov, suo mentore e collega dell'Istituto di Fisica Nucleare di Pietroburgo (PNPI), su come le foreste boreali (taiga) della Russia, la più grande foresta sulla Terra, regolano il clima dell'Asia settentrionale. Questa teoria fisica semplice ma di vasta portata descrive come il vapore acqueo esalato dagli alberi crea venti: questi venti attraversano il continente, trasportando aria umida dall'Europa attraverso la Siberia e oltre fino alla Mongolia e alla Cina; questi venti portano le piogge che alimentano i fiumi giganti della Siberia orientale; questi venti bagnano la pianura settentrionale della Cina, il granaio del Paese più popoloso del pianeta.

A causa della sua capacità di assorbire anidride carbonica ed espirare ossigeno, le grandi foreste sono spesso chiamate i polmoni del pianeta. Ma Makarieva e Gorshkov (è morto l'anno scorso) sono convinti di essere anche il suo cuore. "Le foreste sono sistemi di pioggia complessi e autosufficienti e un fattore importante nella circolazione dell'atmosfera sulla Terra", afferma Makarieva. Rimettono in circolo enormi quantità di umidità nell'aria e nel processo creano venti che pompano quest'acqua in tutto il mondo. La prima parte di questa teoria - che le foreste producono la pioggia - è coerente con la ricerca di altri scienziati e viene sempre più ricordata quando si gestiscono le risorse idriche in mezzo alla deforestazione dilagante. Ma la seconda parte, la teoria che Makarieva chiama la pompa biotica, è molto più controversa.

Il background teorico del lavoro è stato pubblicato - anche se su riviste meno conosciute - e Makarieva è stata supportata da un piccolo gruppo di colleghi. Ma la teoria della pompa biotica ha ricevuto una raffica di critiche, specialmente dai modellisti climatici. Alcuni credono che l'impatto della pompa sia insignificante, mentre altri lo negano del tutto. Di conseguenza, Makarieva si è trovata nel ruolo di un'estranea: un fisico teorico tra gli sviluppatori di modelli, una russa tra gli scienziati occidentali e una donna in un'area governata da uomini.

Tuttavia, se la sua teoria è corretta, sarà in grado di spiegare perché, nonostante la notevole distanza dagli oceani, all'interno dei continenti boscosi vi sia tanta pioggia quanto sulla costa, e perché all'interno dei continenti privi di alberi, sul al contrario, di solito è arido. Implica anche che le foreste - dalla taiga russa alle foreste pluviali dell'Amazzonia - non crescano solo dove il tempo è giusto. Lo fanno da soli. "Da quello che ho letto, ho concluso che la pompa biotica funziona", afferma Douglas Sheil, ecologo forestale presso l'Università norvegese di scienze della vita. Poiché il destino delle foreste del mondo è in discussione, dice, "Anche se c'è la minima possibilità che questa teoria sia corretta, è imperativo scoprirlo con certezza".

Molti libri di testo di meteorologia forniscono ancora un diagramma del ciclo dell'acqua in natura, dove la causa principale dell'umidità atmosferica, che si condensa in nuvole e cade sotto forma di pioggia, è l'evaporazione dell'oceano. Questo schema ignora completamente il ruolo della vegetazione e soprattutto degli alberi, che agiscono come fontane giganti. Le loro radici attingono acqua dal terreno per la fotosintesi e i pori microscopici delle foglie fanno evaporare l'acqua inutilizzata nell'aria. Questo processo - una sorta di traspirazione, solo negli alberi - è chiamato traspirazione. Pertanto, un albero maturo rilascia centinaia di litri d'acqua al giorno. A causa della vasta area del fogliame, la foresta rilascia spesso più umidità nell'aria rispetto a un corpo idrico delle stesse dimensioni.

Parata della pioggia

I cosiddetti "fiumi volanti" sono i venti prevalenti che assorbono il vapore acqueo emesso dalle foreste e portano la pioggia a corpi idrici lontani. Una controversa teoria suggerisce che le foreste stesse governino i venti.

Secondo la teoria della pompa biotica, le foreste non solo causano la pioggia, ma anche il vento. Quando il vapore acqueo si condensa sulle foreste costiere, la pressione dell'aria diminuisce e si creano venti che aspirano l'aria umida dell'oceano. Cicli di traspirazione e condensa creano venti che portano la pioggia per migliaia di chilometri nell'entroterra.

Quindi, circa l'80% delle precipitazioni in Cina proviene da ovest grazie al fiume volante Transiberiano. E il fiume Amazon in volo fornisce il 70% delle precipitazioni nella parte sud-orientale del Sud America.

Il ruolo di questa umidità secondaria nella formazione delle piogge nutrienti è stato ampiamente trascurato fino al 1979, quando il meteorologo brasiliano Eneas Salati ha esaminato la composizione isotopica dell'acqua piovana del bacino amazzonico. Si è scoperto che l'acqua restituita dalla traspirazione contiene più molecole con l'isotopo pesante ossigeno-18 rispetto all'acqua evaporata dall'oceano. Quindi Salati ha mostrato che metà delle precipitazioni sull'Amazzonia sono diminuite a causa dell'evaporazione della foresta.

I meteorologi hanno tracciato il getto atmosferico sulla foresta a un'altitudine di circa 1,5 chilometri. Questi venti - indicati collettivamente come la corrente a getto inferiore sudamericana - soffiano da ovest a est attraverso l'Amazzonia alla velocità di una bicicletta da corsa, dopodiché le montagne delle Ande li trascinano a sud. Salati e altri suggerirono che fossero loro a trasportare la maggior parte dell'umidità rilasciata e li soprannominarono "il fiume volante". Secondo il climatologo Antonio Nope dell'Istituto nazionale brasiliano di ricerca spaziale, il Rio delle Amazzoni volante trasporta tanta acqua quanto il gigantesco fiume terrestre sottostante.

Per un certo periodo si è creduto che i fiumi volanti fossero limitati al bacino amazzonico. Ma negli anni '90, l'idrologo Hubert Savenije della Deltfe University of Technology ha iniziato a studiare il ricircolo dell'umidità nell'Africa occidentale. Utilizzando un modello idrologico sui dati meteorologici, ha scoperto che più ci si allontana dalla costa nell'entroterra, maggiore è la percentuale di precipitazioni che cadono dalle foreste, fino al 90% all'interno. Questa scoperta spiega perché l'interno del Sahel sta diventando più secco: le foreste costiere sono scomparse nell'ultimo mezzo secolo.

Uno degli studenti di Savenier, Ruud van der Ent, ha sviluppato la sua idea creando un modello globale del flusso d'aria umido. Ha riunito osservazioni di precipitazioni, umidità, velocità del vento e temperatura e stime teoriche di evaporazione e traspirazione e ha creato il primo modello di trasporto dell'umidità su scala oltre i bacini fluviali.

Nel 2010, Van der Ent e i suoi colleghi hanno svelato la loro scoperta che a livello globale il 40% di tutte le precipitazioni si verifica sulla terraferma, non sull'oceano. Spesso anche di più. Il Rio delle Amazzoni in volo fornisce il 70% delle precipitazioni nel bacino del Rio de la Plata, che si estende nel sud-est del Sud America. Van der Ent è stato piuttosto sorpreso di scoprire che la Cina riceve l'80% della sua acqua da ovest - inoltre, è principalmente l'umidità dell'Atlantico, che viene elaborata dalle foreste della taiga della Scandinavia e della Russia. Il viaggio ha diverse fasi - cicli di traspirazione con pioggia associata - e dura sei mesi o più. "Questo contraddice le informazioni precedenti che tutti imparano al liceo", dice. "La Cina è vicina all'oceano, all'Oceano Pacifico, ma la maggior parte delle precipitazioni è costituita dall'umidità della terraferma nell'estremo ovest".

Se Makarieva ha ragione, le foreste non forniscono solo umidità, ma creano anche il vento che la trasporta.

Ha lavorato con Gorshkov per un quarto di secolo. Ha iniziato come studentessa al PNPI, una suddivisione dell'Istituto Kurchatov, il più grande istituto di ricerca nucleare russo, sia civile che militare. Fin dall'inizio, hanno lavorato sul campo e si sono occupati di ecologia presso l'istituto, dove i fisici studiano i materiali usando reattori nucleari e fasci di neutroni. Come teorici, ricorda, avevano "un'eccezionale libertà di ricerca e di pensiero" - erano impegnati nella fisica atmosferica, ovunque li portasse. “Victor mi ha insegnato: non temere nulla”, dice.

Nel 2007, hanno presentato per la prima volta la loro teoria della pompa biotica sulla rivista Hydrology and Earth Sciences. È stato considerato provocatorio fin dall'inizio, perché contraddiceva un principio di vecchia data della meteorologia: i venti sono causati principalmente dal riscaldamento differenziale dell'atmosfera. Quando l'aria calda sale, abbassa la pressione degli strati sottostanti, creando essenzialmente nuovo spazio per se stessa sulla superficie. In estate, ad esempio, la superficie terrestre si riscalda più velocemente e attira le brezze umide dall'oceano più fresco.

Makarieva e Gorshkov sostengono che a volte prevale un processo diverso. Quando il vapore acqueo della foresta si condensa in nuvole, il gas diventa un liquido e occupa meno volume. Ciò riduce la pressione dell'aria e aspira l'aria orizzontalmente dalle aree con meno condensa. In pratica, ciò significa che la condensazione sulle foreste costiere crea una brezza marina, spingendo l'aria umida all'interno, dove alla fine si condensa e cade sotto forma di pioggia. Se le foreste si estendono verso l'interno, il ciclo continua, mantenendo venti umidi per migliaia di chilometri.

Questa teoria ribalta la visione tradizionale: non è la circolazione atmosferica che controlla il ciclo idrologico, ma, al contrario, il ciclo idrologico regola la circolazione di massa dell'aria.

Sheel, ed è diventato un sostenitore della teoria più di dieci anni fa, lo considera uno sviluppo dell'idea dei fiumi volanti. "Non si escludono a vicenda", dice. "La pompa spiega la forza dei fiumi." Crede che la pompa biotica spieghi il "paradosso freddo dell'Amazzonia". Da gennaio a giugno, quando il bacino amazzonico è più freddo dell'oceano, i forti venti soffiano dall'Atlantico all'Amazzonia, anche se la teoria del riscaldamento differenziale suggerirebbe il contrario. Nobre, un altro sostenitore di lunga data, spiega con entusiasmo: "Non provengono da dati, ma da principi sottostanti".

Anche coloro che dubitano della teoria concordano sul fatto che la perdita di foreste abbia conseguenze di vasta portata per il clima. Molti scienziati sostengono che la deforestazione migliaia di anni fa abbia portato alla desertificazione delle terre interne dell'Australia e dell'Africa occidentale. C'è il rischio che la deforestazione in futuro porti a siccità in altre regioni, ad esempio parte della foresta pluviale amazzonica si trasformi in savana. Anche le regioni agricole della Cina, il Sahel africano e la pampa argentina sono a rischio, afferma Patrick Keys, chimico atmosferico dell'Università del Colorado, a Fort Collins.

Nel 2018, Kees e colleghi hanno utilizzato un modello simile a quello di van der Ent per tracciare le fonti di precipitazioni per 29 aree metropolitane globali. Ha scoperto che la maggior parte dell'approvvigionamento idrico di 19 di loro dipende da foreste remote, tra cui Karachi (Pakistan), Wuhan e Shanghai (Cina), Nuova Delhi e Calcutta (India)."Anche piccoli cambiamenti nelle precipitazioni causati dai cambiamenti nell'uso del suolo sottovento possono avere un grande impatto sulla fragilità delle forniture idriche urbane", afferma.

Alcuni modelli suggeriscono addirittura che la deforestazione, distruggendo la fonte di umidità, minaccia di modificare le condizioni meteorologiche ben oltre i fiumi galleggianti. Come sai, El Niño - le fluttuazioni della temperatura del vento e delle correnti nell'Oceano Pacifico tropicale - influenza indirettamente il tempo in luoghi remoti. Allo stesso modo, la deforestazione in Amazzonia potrebbe ridurre le precipitazioni nel Midwest degli Stati Uniti e il manto nevoso nella Sierra Nevada, afferma il climatologo dell'Università di Miami Roni Avissar, che sta modellando tali connessioni. Inverosimile? “Niente affatto”, risponde. “Sappiamo che El Niño è capace di questo, perché, a differenza della deforestazione, questo fenomeno si ripete e osserviamo uno schema. Entrambi sono causati da piccoli cambiamenti di temperatura e umidità che viene rilasciata nell'atmosfera.

Il ricercatore dell'Università di Stoccolma Lan Wang-Erlandsson, che sta studiando l'interazione tra terra, acqua e clima, afferma che è ora di passare dall'uso dell'acqua e del sottosuolo all'interno di un particolare bacino fluviale al cambiamento dell'uso del suolo al di là. "Sono necessari nuovi accordi idrologici internazionali per mantenere le foreste nelle aree in cui si formano le masse d'aria", afferma.

Due anni fa, in una riunione del Forum delle Nazioni Unite sulle foreste, a cui partecipano i governi di tutti i paesi, il ricercatore agrario dell'Università di Berna David Ellison ha presentato un caso di studio. Ha dimostrato che fino al 40% delle precipitazioni totali negli altopiani etiopi, la principale fonte del Nilo, proviene dall'umidità che ritorna dalle foreste del bacino del Congo. Egitto, Sudan ed Etiopia stanno negoziando un accordo da tempo atteso per condividere le acque del Nilo. Ma un tale accordo non avrebbe senso se la deforestazione nel bacino del Congo, lontano dai tre paesi, prosciugasse la fonte di umidità, ha suggerito Ellison. "La relazione tra foreste e acqua nella gestione dell'acqua dolce mondiale è quasi completamente ignorata".

La teoria della pompa biotica aumenterà ulteriormente la posta in gioco, poiché si prevede che la perdita di foreste influirà non solo sulle fonti di umidità, ma anche sui modelli del vento. Ellison avverte che la teoria, se confermata, sarà "critica per i modelli di circolazione dell'aria planetaria", specialmente quelli che trasportano l'aria umida nell'entroterra.

Ma finora i sostenitori della teoria sono in minoranza. Nel 2010, Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre e Bai-Liang Li, un ecologista dell'Università della California, Riverside, hanno presentato la loro descrizione storica della pompa biotica in Atmospheric Chemistry and Physics, una delle principali riviste tematiche con peer review aperta. Ma l'articolo "Da dove vengono i venti?" è stato criticato su Internet e la rivista ha impiegato molti mesi per trovare solo due scienziati per recensirlo. Isaac Held, un meteorologo del Geophysical Fluid Dynamics Laboratory dell'Università di Princeton, si è offerto volontario e ha raccomandato di rifiutare la pubblicazione. "Questo non è un effetto misterioso", dice. "È generalmente insignificante e, inoltre, è già preso in considerazione in numerosi modelli atmosferici". I critici affermano che l'espansione dell'aria dal calore generato dalla condensazione del vapore acqueo contrasta l'effetto spaziale della condensazione. Ma Makarieva afferma che questi due effetti sono spazialmente separati: il riscaldamento si verifica in altitudine e il calo della pressione di condensazione si verifica più vicino alla superficie, dove si crea il vento biotico.

Un'altra recensione è stata Judith Curry, un fisico atmosferico presso il Georgia Institute of Technology. Si è a lungo preoccupata per lo stato dell'atmosfera e ha ritenuto che l'articolo dovesse essere pubblicato, perché "il confronto ha un effetto negativo sulla climatologia e ha bisogno di sangue dal naso per i fisici". Dopo tre anni di dibattito, il direttore della rivista ha respinto la raccomandazione di Held e ha pubblicato l'articolo. Ma allo stesso tempo, ha notato che la pubblicazione non può essere considerata approvazione, ma servirà come dialogo scientifico su una teoria controversa - per confermarla o confutarla.

Da allora, nessuna conferma o smentita è emersa - il confronto è continuato. Il simulatore climatico della Columbia University Gavin Schmidt afferma: "Questa è solo una sciocchezza". Gli autori rispondono alle critiche così: "In effetti, a causa della matematica, non sono sicuri se valga la pena continuare il dialogo". Il meteorologo brasiliano e capo del Centro nazionale per il monitoraggio e la prevenzione dei disastri naturali, Jose Marengo, afferma: “Penso che la pompa esista, ma ora è tutto a livello di teoria. Gli esperti sui modelli climatici non l'hanno accettato, ma i russi sono i migliori teorici al mondo, quindi bisogna fare degli esperimenti sul campo appropriati per testare il tutto». Ma finora nessuno, nemmeno la stessa Makarieva, ha proposto tali esperimenti.

Da parte sua, Makarieva si basa sulla teoria, sostenendo in una serie di lavori recenti che lo stesso meccanismo può influenzare i cicloni tropicali: sono guidati dal calore rilasciato quando l'umidità si condensa sull'oceano. Nel giornale Atmospheric Research del 2017, lei e i suoi colleghi hanno suggerito che le pompe biotiche a forma di foresta attingono aria ricca di umidità dalle origini dei cicloni. Questo, dice, spiega perché i cicloni si formano raramente nell'Oceano Atlantico meridionale: le foreste pluviali dell'Amazzonia e del Congo drenano così tanta umidità che ne rimane troppo poco per gli uragani.

Il ricercatore capo sugli uragani del MIT, Kerry Emanuel, afferma che gli effetti proposti sono "significativi, ma trascurabili". Preferisce altre spiegazioni all'assenza di uragani nell'Atlantico meridionale, ad esempio le fresche acque della regione rilasciano meno umidità nell'aria e i suoi forti venti impediscono la formazione di cicloni. Makarieva, da parte sua, è ugualmente sprezzante nei confronti dei tradizionalisti, ritenendo che alcune delle teorie esistenti sull'intensità degli uragani "contraddicano le leggi della termodinamica". Ha un altro articolo sul Journal of Atmospheric Sciences - in attesa di revisione. "Siamo preoccupati che, nonostante il sostegno dell'editore, il nostro lavoro venga nuovamente rifiutato", afferma.

Sebbene in Occidente le idee di Makaryeva siano considerate marginali, in Russia stanno gradualmente mettendo radici. L'anno scorso il governo ha avviato un dialogo pubblico sulla revisione delle leggi forestali. Ad eccezione delle vecchie aree protette, le foreste russe sono aperte allo sfruttamento commerciale, ma il governo e l'Agenzia federale delle foreste stanno prendendo in considerazione una nuova categoria: le foreste per la protezione del clima. "Alcuni nel nostro dipartimento forestale sono rimasti colpiti dall'idea della pompa biotica e vogliono introdurre una nuova categoria", afferma. L'idea è stata sostenuta anche dall'Accademia Russa delle Scienze. Makarieva dice che essere parte del consenso, e non un eterno estraneo, è nuovo e insolito.

Quest'estate, il suo viaggio nelle foreste del nord è stato interrotto dall'epidemia di coronavirus e dalla quarantena. Nella sua casa di San Pietroburgo, si è seduta per l'ennesima serie di obiezioni da parte di revisori anonimi. È convinta che la teoria della pompa prima o poi prevarrà. "C'è un'inerzia naturale nella scienza", dice. Con cupo umorismo russo, ricorda le parole del leggendario fisico tedesco Max Planck, che ha dato la famosa descrizione del progresso della scienza: "una serie di funerali".