Anastasia Makarieva, een kernfysicus van het St. Petersburg Institute of Nuclear Physics, verdedigt al meer dan tien jaar de theorie dat de taigabossen in Rusland het klimaat in de noordelijke regio's van Azië reguleren. Veel westerse meteorologen zijn het niet met haar eens, maar de regering en wetenschappers in Rusland zijn geïnteresseerd in deze theorie.
Elke zomer, als de dagen langer worden, verlaat Anastasia Makarieva haar laboratorium in Sint-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 sparren en dennen, zwemt in een kajak langs de eindeloze rivieren van de regio en maakt aantekeningen over de natuur en het weer. "Bossen maken een groot deel uit 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 een 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 veroorzaakt - deze winden steken het continent over en voeren vochtige lucht van Europa door Siberië en verder naar Mongolië en China; deze winden voeren de regens mee die de gigantische rivieren van Oost-Siberië voeden; deze winden bevloeien de noordelijke vlakte van China, de graanschuur van het meest bevolkte 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 zij ook haar hart zijn. "Bossen zijn complexe, zichzelf in stand houdende regensystemen en de belangrijkste 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 rond pompen. Het eerste deel van deze theorie - dat bossen het laten regenen - komt overeen met onderzoek van andere wetenschappers en wordt steeds meer herinnerd bij het beheer 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 - zij het in minder bekende tijdschriften - en een kleine groep collega's steunde Makarieva. Maar de biotische pomptheorie heeft een spervuur van kritiek gekregen - vooral van klimaatmodelbouwers. Sommigen geloven dat de impact van de pomp onbeduidend is, terwijl anderen het helemaal ontkennen. Als gevolg daarvan bevond Makarieva zich in de rol van een buitenstaander: een theoretisch fysicus onder modelontwikkelaars, een Rus onder westerse wetenschappers en een vrouw in een door mannen geregeerd gebied.
Als haar theorie echter correct is, zal ze kunnen uitleggen waarom, ondanks de aanzienlijke 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 daarentegen gewoonlijk droog is. Het impliceert ook dat bossen - van de Russische taiga tot de regenwouden van de Amazone - niet alleen groeien waar het weer goed is. Ze maken het zelf. "Uit wat ik heb gelezen, heb ik geconcludeerd dat de biotische pomp werkt", zegt Douglas Sheil, een bosecoloog aan de Noorse Universiteit voor Levenswetenschappen. Met het lot van de bossen in de wereld in het geding, zegt hij: "Zelfs als er de minste kans is dat deze theorie correct is, is het absoluut noodzakelijk om het zeker te weten te komen."
Veel studieboeken over meteorologie geven nog steeds een diagram van de waterkringloop in de natuur, waar de belangrijkste oorzaak van luchtvochtigheid, dat in wolken condenseert en als regen valt, de verdamping van de oceaan is. Dit schema negeert volledig de rol van vegetatie en vooral bomen, die fungeren 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 af. Vanwege het grote gebladerte geeft het bos vaak meer vocht af aan de lucht dan een waterlichaam van dezelfde grootte.
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 de Amazone onderzocht. Het bleek dat het door transpiratie teruggezonden water meer moleculen met de zware isotoop zuurstof-18 bevat dan water dat uit de oceaan is verdampt. Salati toonde dus aan dat de helft van de regenval boven de Amazone viel als gevolg van verdamping van het bos.
Meteorologen volgden de atmosferische jet boven het bos op een hoogte van ongeveer 1,5 kilometer. Deze winden - gezamenlijk de Zuid-Amerikaanse lagere straalstroom genoemd - waaien van west naar oost over de Amazone met de snelheid van een racefiets, waarna het Andesgebergte ze naar het zuiden voert. Salati en anderen suggereerden dat zij het waren die het grootste deel van het vrijkomende vocht droegen, en noemden hen 'de vliegende rivier'. Volgens klimatoloog Antonio Nobre van het Braziliaanse National Space Research Institute vervoert de vliegende Amazone-rivier tegenwoordig evenveel water als de gigantische aardse rivier eronder.
Een tijdlang werd aangenomen dat de vliegende rivieren beperkt waren tot het Amazonebekken. Maar in de jaren negentig begon Hubert Savenije, een hydroloog aan de Deltf University of Technology, vochtrecycling in West-Afrika te bestuderen. Aan de hand van een hydrologisch model op basis 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 de afgelopen halve eeuw verdwenen.
Een van de studenten van Savenier, 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 voor vochttransport op schaal buiten stroomgebieden.
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 regen 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 - en dit is voornamelijk Atlantisch vocht, dat wordt verwerkt door de taigabossen van Scandinavië en Rusland. De reis kent verschillende fasen - transpiratiecycli met bijbehorende regen - en duurt zes maanden of langer. "Dit is in strijd 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 land in het uiterste westen."
***
Als Makarieva gelijk heeft, zorgen bossen niet alleen voor vocht, maar ook voor de wind die het draagt.
Ze werkte een kwart eeuw met Gorshkov. Ze begon als student bij PNPI, een onderdeel van het Kurchatov Institute, het grootste Russische instituut voor nucleair onderzoek, zowel civiel als militair. Vanaf het allereerste begin werkten ze in het veld en hielden ze zich bezig met ecologie op 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 hielden zich bezig met atmosferische fysica, waar dat ook gebeurde. "Victor heeft me geleerd: wees nergens bang voor", zegt ze.
In 2007 presenteerden ze voor het eerst hun theorie van de biotische pomp 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 meteorologisch principe: winden worden voornamelijk veroorzaakt door differentiële verwarming van de atmosfeer. Naarmate het stijgt, verlaagt de warme lucht de druk van de onderliggende lagen, waardoor er in wezen nieuwe ruimte voor zichzelf op het oppervlak ontstaat. In de zomer warmt het landoppervlak bijvoorbeeld sneller op en trekt het vochtige briesjes aan uit de koelere oceaan.
Makarieva en Gorshkov stellen dat er soms een ander proces heerst. Wanneer waterdamp uit een bos tot wolken condenseert, wordt het gas een vloeistof - en neemt het minder volume in beslag. Dit verlaagt de luchtdruk en zuigt lucht horizontaal aan uit gebieden met minder condensatie. In de praktijk betekent dit dat condensatie boven kustbossen een zeebries veroorzaakt die vochtige lucht het binnenland in blaast, waar het uiteindelijk condenseert en als regen neervalt. Als bossen zich landinwaarts uitstrekken, gaat de cyclus door, waarbij de vochtige wind duizenden kilometers lang aanhoudt.
Deze theorie zet de traditionele opvatting omver: het is niet de atmosferische circulatie die de hydrologische cyclus regelt, maar integendeel, de hydrologische cyclus regelt de massacirculatie van lucht.
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 Amazoneparadox" verklaart. Van januari tot juni, wanneer het Amazonebekken kouder is dan de oceaan, waait er een sterke wind van de Atlantische Oceaan naar de Amazone - hoewel de differentiële verwarmingstheorie anders suggereert. Nobre, een andere langdurige supporter, legt enthousiast uit: "Ze komen niet uit data, maar uit fundamentele 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 heeft geleid tot de woestijnvorming van het binnenland van Australië en West-Afrika. Het risico bestaat dat ontbossing in de toekomst leidt tot droogte in andere regio's, zo verandert een deel van het Amazone-regenwoud in savanne. De Chinese landbouwgebieden, de Afrikaanse Sahel en de Argentijnse pampa's lopen ook gevaar, zegt Patrick Keys, een atmosferische chemicus aan de Colorado State University in Fort Collins.
In 2018 gebruikten Kees en collega's een model vergelijkbaar met dat van van der Ent om neerslagbronnen te volgen voor 29 grootstedelijke gebieden wereldwijd. Hij ontdekte dat het grootste deel van de watervoorziening van 19 daarvan afhangt van afgelegen bossen, waaronder Karachi (Pakistan), Wuhan en Shanghai (China), New Delhi en Kolkata (India). "Zelfs kleine veranderingen in neerslag als gevolg van veranderingen in landgebruik benedenwinds kunnen een grote impact hebben op de kwetsbaarheid van stedelijke watervoorzieningen", zegt hij.
Sommige modellen suggereren zelfs dat ontbossing, door het vernietigen van de vochtbron, de weersomstandigheden tot ver buiten de drijvende rivieren dreigt te veranderen. Zoals u weet, heeft El Niño - schommelingen in de windtemperatuur en stromingen in de tropische Stille Oceaan - indirect invloed op het weer op afgelegen plaatsen. Evenzo zou ontbossing in de Amazone de regenval in het middenwesten van de VS en de sneeuwbedekking in de Sierra Nevada kunnen verminderen, zegt klimatoloog Roni Avissar van de Universiteit van Miami, die dergelijke verbindingen modelleert. Vergezocht? "Helemaal niet," antwoordt hij. “We weten dat El Niño hiertoe in staat is, omdat dit fenomeen, in tegenstelling tot ontbossing, zich herhaalt en we een patroon waarnemen. Beide worden veroorzaakt door kleine veranderingen in temperatuur en vocht dat vrijkomt in de atmosfeer."
Onderzoeker Lan Wang-Erlandsson 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 water en ondergronds gebruik binnen een bepaald stroomgebied naar verandering van landgebruik daarbuiten. “Er zijn nieuwe internationale hydrologische overeenkomsten nodig om bossen te behouden in gebieden waar luchtmassa's ontstaan”, zegt ze.
Twee jaar geleden, tijdens een bijeenkomst van het VN-Bosforum, waaraan regeringen van alle landen deelnemen, leverde landonderzoeker van de Universiteit van Bern David Ellison een casestudy. Hij toonde aan dat tot 40% van de totale neerslag 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 wateren van de Nijl te verdelen. Maar zo'n overeenkomst zou zinloos zijn als ontbossing in het Congobekken, ver van de drie landen, de vochtbron opdroogt, stelde Ellison voor. "De relatie tussen bossen en water bij het beheer van zoet water in de wereld wordt bijna volledig genegeerd."
De biotische pomptheorie zal de inzet nog verder duwen, aangezien bosverlies naar verwachting niet alleen vochtbronnen zal beïnvloeden, maar ook windpatronen. Ellison waarschuwt dat de theorie, indien bevestigd, "cruciaal zal zijn voor planetaire luchtcirculatiemodellen" - vooral die die vochtige lucht landinwaarts transporteren.
***
Maar tot dusver zijn de aanhangers van de theorie in de minderheid. In 2010 dienden Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre en Bai-Liang Li, een ecoloog aan de University of California, Riverside, hun historische beschrijving van de biotische pomp in in Atmospheric Chemistry and Physics, een belangrijk vakblad met open peer review. Maar het artikel "Waar komt de wind vandaan?" kreeg kritiek op internet en het kostte het tijdschrift vele maanden om slechts twee wetenschappers te vinden om het te beoordelen. Isaac Held, een meteoroloog aan het Geophysical Fluid Dynamics Laboratory aan de Princeton University, bood zich aan als vrijwilliger - en raadde aan de publicatie te weigeren. "Het is geen mysterieus effect", zegt hij. "Het is over het algemeen onbeduidend en wordt bovendien al in een aantal atmosferische modellen meegenomen." Critici zeggen dat de uitzetting van lucht door warmte,die vrijkomt bij de condensatie van waterdamp, gaat het ruimtelijke effect van condensatie tegen. 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 maakte zich lange tijd 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 heeft bloed uit haar neus nodig voor natuurkundigen." Na drie jaar discussie 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 dat het zal dienen als een wetenschappelijke dialoog over een controversiële theorie - om het te bevestigen of te weerleggen.
Sindsdien is er geen bevestiging of weerlegging meer gekomen - de confrontatie ging door. Gavin Schmidt, klimaatsimulator 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 ze de dialoog moeten voortzetten." De Braziliaanse meteoroloog en hoofd van het National Center for Disaster Prevention and Monitoring Jose Marengo zegt: “Ik denk dat er een pomp is, 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 geschikte veldexperimenten worden uitgevoerd om alles te controleren. " Maar tot nu toe heeft niemand, zelfs Makarieva zelf niet, dergelijke experimenten voorgesteld.
Makarieva vertrouwt op haar beurt op theorie en stelt in een reeks recente werken dat hetzelfde mechanisme invloed kan hebben op tropische cyclonen - ze worden aangedreven door de warmte die vrijkomt wanneer vocht boven de oceaan condenseert. In de krant Atmospheric Research 2017 suggereerden zij en haar collega's dat bosvormige biotische pompen vochtrijke lucht uit de cycloon halen. Dit, zei ze, verklaart waarom cyclonen zich zelden vormen in de Zuid-Atlantische Oceaan: de regenwouden van de Amazone en Congo voeren zoveel vocht af dat er te weinig overblijft voor orkanen.
Hoofd orkaanonderzoeker bij MIT, Kerry Emanuel, zegt dat de voorgestelde effecten "significant, 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 geeft minder vocht af in de lucht en de sterke wind voorkomt de vorming van cyclonen. Makarieva, van haar kant, staat evenmin afwijzend tegenover traditionalisten, omdat ze gelooft dat sommige van de bestaande theorieën over orkaanintensiteit '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 redacteur, opnieuw zal worden afgewezen", zegt ze.
Hoewel Makaryeva's ideeën in het Westen als marginaal worden beschouwd, krijgen ze geleidelijk wortel in Rusland. Vorig jaar startte de regering een openbare dialoog over de herziening van bosbouwwetten. Met uitzondering van oude beschermde gebieden, staan Russische bossen open voor commerciële exploitatie, maar de regering en de Federal Forestry Agency overwegen een nieuwe categorie: klimaatbeschermende bossen. "Sommigen op 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 ondersteund door de Russische Academie van Wetenschappen. Makarieva zegt dat deel uitmaken van de consensus, en geen eeuwige buitenstaander, nieuw en ongebruikelijk is.
Deze zomer werd haar reis naar de noordelijke bossen verstoord door de coronavirus-epidemie en quarantaine. Thuis in Sint-Petersburg ging ze zitten voor een nieuwe reeks bezwaren van anonieme recensenten. Ze is ervan overtuigd dat de pomptheorie vroeg of laat zal winnen. "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'.
