Anastasia Makarieva, seorang ahli fizik nuklear dari Institut Fizik Nuklear St Petersburg, telah mempertahankan teori bahawa hutan taiga di Rusia mengatur iklim wilayah utara Asia selama lebih dari sepuluh tahun. Banyak pakar meteorologi Barat tidak setuju dengannya, tetapi pemerintah dan saintis di Rusia berminat dengan teori ini.
Setiap musim panas, ketika hari semakin lama, Anastasia Makarieva meninggalkan makmalnya di St Petersburg dan pergi bercuti ke hutan-hutan Utara Rusia yang tidak berkesudahan. Seorang ahli fizik nuklear mendirikan khemah di pesisir Laut Putih, di antara cemara dan pain, berenang di kayak di sepanjang sungai yang tidak berkesudahan di rantau ini, dan membuat catatan mengenai alam dan cuaca. "Hutan adalah sebahagian besar dari kehidupan peribadi saya," katanya. Selama 25 tahun ziarah tahunan ke utara, mereka telah menjadi bahagian penting dalam kehidupan profesionalnya.
Selama lebih dari sepuluh tahun, Makarieva mempertahankan teori yang dikembangkannya bersama Viktor Gorshkov, mentor dan rakannya dari Institut Fizik Nuklear Petersburg (PNPI), mengenai bagaimana hutan boreal (taiga) Rusia, hutan terbesar di Bumi, mengatur iklim Asia utara. Teori fizikal yang mudah tetapi luas ini menerangkan bagaimana wap air yang dihembuskan oleh pokok menghasilkan angin - angin ini menyeberangi benua, membawa udara lembap dari Eropah melintasi Siberia dan seterusnya ke Mongolia dan China; angin ini membawa hujan yang memenuhi sungai-sungai raksasa di Siberia Timur; angin ini menyiram dataran utara China, lumbung negara paling ramai penduduk di planet ini.
Kerana kemampuannya menyerap karbon dioksida dan menghirup oksigen, hutan besar sering disebut paru-paru planet ini. Tetapi Makarieva dan Gorshkov (dia meninggal tahun lalu) yakin bahawa mereka juga adalah jantungnya. "Hutan adalah sistem hujan yang mandiri dan kompleks dan faktor utama dalam peredaran atmosfer di Bumi," kata Makarieva. Mereka mengedarkan sejumlah besar kelembapan ke udara dan dalam prosesnya menghasilkan angin yang mengepam air ini ke seluruh dunia. Bahagian pertama teori ini - bahawa hutan menjadikannya hujan - sesuai dengan penyelidikan oleh saintis lain dan semakin dikenang ketika menguruskan sumber air di tengah penebangan hutan yang berleluasa. Tetapi bahagian kedua, teori yang disebut Makarieva sebagai pam biotik, jauh lebih kontroversial.
Latar belakang teori karya itu diterbitkan - walaupun dalam jurnal yang kurang dikenali - dan sekumpulan kecil rakan sekerja menyokong Makarieva. Tetapi teori pam biotik telah menerima banyak kritikan - terutamanya dari pemodel iklim. Ada yang percaya bahawa kesan pam tidak signifikan, sementara yang lain menafikannya sama sekali. Akibatnya, Makarieva mendapati dirinya berperanan sebagai orang luar: seorang ahli fizik teori di kalangan pemaju model, seorang Rusia di kalangan saintis Barat, dan seorang wanita di daerah yang diperintah oleh lelaki.
Namun, jika teorinya betul, dia akan dapat menjelaskan mengapa, walaupun jaraknya jauh dari lautan, di pedalaman benua berhutan terdapat curah hujan sebanyak di pesisir, dan mengapa bahagian dalam benua tanpa khasiat, sebaliknya, biasanya kering. Ini juga menunjukkan bahawa hutan - dari taiga Rusia hingga hutan hujan di Amazon - tidak tumbuh hanya di mana cuaca sesuai. Mereka membuatnya sendiri. "Dari apa yang telah saya baca, saya telah membuat kesimpulan bahawa pam biotik berfungsi," kata Douglas Sheil, ahli ekologi hutan di Universiti Sains Kehidupan Norway. Dengan nasib hutan dunia yang bersangkutan, dia berkata, "Walaupun ada kemungkinan sedikit pun teori ini betul, adalah mustahak untuk mencari tahu dengan pasti."
Banyak buku teks meteorologi masih memberikan gambaran tentang kitaran air di alam, di mana penyebab utama kelembapan atmosfera, yang mengembun di awan dan jatuh ketika hujan, adalah penyejatan lautan. Skema ini sepenuhnya mengabaikan peranan tumbuh-tumbuhan dan terutama pokok, yang bertindak seperti mata air raksasa. Akarnya menarik air dari tanah untuk fotosintesis, dan pori-pori mikroskopik di daun menguap air yang tidak digunakan ke udara. Proses ini - semacam peluh, hanya di pokok - dipanggil transpirasi. Oleh itu, satu pokok matang mengeluarkan beratus-ratus liter air setiap hari. Kerana kawasan dedaunan yang luas, hutan sering melepaskan lebih banyak kelembapan ke udara daripada badan air dengan ukuran yang sama.
Peranan kelembapan sekunder ini dalam pembentukan hujan nutrien banyak diabaikan hingga tahun 1979, ketika ahli meteorologi Brazil Eneas Salati memeriksa komposisi isotop air hujan dari Amazon. Ternyata air yang dikembalikan oleh transpirasi mengandungi lebih banyak molekul dengan isotop berat oksigen-18 daripada air yang tersejat dari lautan. Oleh itu, Salati menunjukkan bahawa separuh daripada hujan di Amazon turun akibat penyejatan hutan.
Ahli meteorologi mengesan jet atmosfera di atas hutan pada ketinggian kira-kira 1.5 kilometer. Angin ini - secara kolektif disebut sebagai aliran jet bawah Amerika Selatan - bertiup dari barat ke timur melintasi Amazon dengan kelajuan basikal lumba, selepas itu pergunungan Andes membawa mereka ke selatan. Salati dan yang lain menyarankan bahawa merekalah yang membawa sebagian besar kelembapan yang dilepaskan, dan menggelarnya sebagai "sungai terbang." Menurut ahli klimatologi Antonio Nobre di Institut Penyelidikan Angkasa Nasional Brazil, Sungai Amazon yang terbang membawa air sebanyak hari ini seperti sungai Bumi raksasa di bawahnya.
Untuk sementara waktu dipercayai bahawa sungai-sungai terbang hanya terbatas di lembah Amazon. Tetapi pada tahun 1990-an, ahli hidrologi Hubert Savenije di Universiti Teknologi Delft mula mengkaji peredaran semula kelembapan di Afrika Barat. Dengan menggunakan model hidrologi pada data cuaca, dia mendapati bahawa semakin jauh daratan dari pantai, semakin tinggi peratusan hujan yang turun dari hutan - sehingga 90% di kawasan pedalaman. Penemuan ini menjelaskan mengapa Sahel dalam menjadi lebih kering: hutan pesisir telah hilang sejak setengah abad yang lalu.
Salah seorang pelajar Savenier, Ruud van der Ent, mengembangkan ideanya dengan membuat model aliran udara kelembapan global. Dia mengumpulkan pengamatan pemendakan, kelembapan, kelajuan dan suhu angin dan anggaran teori penyejatan dan transpirasi dan membuat model pertama pengangkutan kelembapan pada skala di luar lembangan sungai.
Pada tahun 2010, Van der Ent dan rakan-rakannya mengungkap penemuan mereka bahawa secara global, 40% daripada semua hujan berlaku di darat, bukan di lautan. Selalunya lebih banyak lagi. Sungai Amazon yang terbang memberikan 70% hujan di Rio de la Plata Basin, yang membentang di tenggara Amerika Selatan. Van der Ent agak terkejut apabila mendapati China menerima 80% airnya dari barat - dan ini terutama kelembapan Atlantik, yang diproses oleh hutan taiga di Skandinavia dan Rusia. Perjalanan ini mempunyai beberapa peringkat - kitaran transpirasi dengan hujan yang berkaitan - dan memakan masa enam bulan atau lebih. "Ini bertentangan dengan maklumat sebelumnya yang setiap orang belajar di sekolah menengah," katanya. "China dekat dengan lautan, Lautan Pasifik, tetapi sebagian besar hujannya adalah kelembapan dari daratan di barat jauh."
***
Sekiranya Makarieva betul, hutan tidak hanya memberikan kelembapan, tetapi juga menghasilkan angin yang membawanya.
Dia bekerja dengan Gorshkov selama seperempat abad. Dia bermula sebagai pelajar di PNPI, bahagian dari Institut Kurchatov, sebuah institusi penyelidikan nuklear terbesar di Rusia, baik awam dan tentera. Sejak awal, mereka bekerja di lapangan dan terlibat dalam ekologi di institut, di mana ahli fizik mempelajari bahan menggunakan reaktor nuklear dan sinar neutron. Sebagai ahli teori, dia ingat, mereka memiliki "kebebasan penyelidikan dan pemikiran yang luar biasa" - mereka terlibat dalam fisika atmosfer di mana sahaja mereka membawa mereka. "Victor mengajar saya: jangan takut apa-apa," katanya.
Pada tahun 2007, mereka pertama kali memaparkan teori mereka tentang pam biotik dalam jurnal Hydrology and Earth Sciences. Ini dianggap provokatif sejak awal kerana bertentangan dengan prinsip meteorologi yang sudah lama berlaku: angin disebabkan terutamanya oleh pemanasan atmosfera yang berbeza. Semasa naik, udara hangat menurunkan tekanan lapisan di bawah, pada dasarnya mewujudkan ruang baru untuk dirinya di permukaan. Sebagai contoh, pada musim panas, permukaan tanah memanas dengan lebih cepat dan menarik angin lembap dari lautan yang lebih sejuk.
Makarieva dan Gorshkov berpendapat bahawa kadang-kadang proses yang berbeza berlaku. Apabila wap air dari hutan mengembun menjadi awan, gas menjadi cecair - dan jumlahnya lebih sedikit. Ini mengurangkan tekanan udara dan menarik udara secara mendatar dari kawasan yang kurang pemeluwapannya. Dalam praktiknya, ini bermaksud bahawa pemeluwapan di hutan pesisir memaksa angin laut, mendorong udara lembap ke pedalaman, di mana ia akhirnya mengembun dan jatuh ketika hujan. Sekiranya hutan meluas ke pedalaman, kitaran akan berterusan, mengekalkan angin lembab sejauh ribuan kilometer.
Teori ini membalikkan pandangan tradisional: bukan peredaran atmosfera yang mengawal kitaran hidrologi, tetapi sebaliknya, kitaran hidrologi mengatur peredaran massa udara.
Tumit, dan dia menjadi penyokong teori ini lebih dari sepuluh tahun yang lalu, menganggapnya sebagai pengembangan idea untuk terbang sungai. "Mereka tidak saling eksklusif," katanya. "Pam menerangkan kekuatan sungai." Dia yakin pam biotik menerangkan "paradoks Amazon sejuk." Dari Januari hingga Jun, ketika lembangan Amazon lebih sejuk dari lautan, angin kencang bertiup dari Atlantik ke Amazon - walaupun teori pemanasan berbeza akan mencadangkan sebaliknya. Nobre, seorang lagi penyokong lama, dengan bersemangat menjelaskan, "Mereka bukan berasal dari data, tetapi dari prinsip asas."
Bahkan mereka yang meragui teori tersebut bersetuju bahawa kehilangan hutan mempunyai akibat yang besar bagi iklim. Ramai saintis berpendapat bahawa penebangan hutan ribuan tahun yang lalu menyebabkan pengabaian tanah Australia dan Afrika Barat. Terdapat risiko bahawa penebangan hutan di masa depan akan menyebabkan kekeringan di wilayah lain, misalnya, sebahagian dari hutan hujan Amazon akan berubah menjadi savana. Kawasan pertanian China, Sahel Afrika dan pampas Argentina juga berisiko, kata Patrick Keys, ahli kimia atmosfera di Colorado State University, Fort Collins.
Pada tahun 2018, Kees dan rakan sekerja menggunakan model yang serupa dengan model van der Ent untuk mengesan sumber pemendakan untuk 29 kawasan metropolitan global. Dia mendapati bahawa sebahagian besar bekalan air dari 19 daripadanya bergantung pada hutan terpencil, termasuk Karachi (Pakistan), Wuhan dan Shanghai (China), New Delhi dan Kolkata (India). "Bahkan perubahan kecil dalam curah hujan yang disebabkan oleh perubahan penggunaan tanah yang dapat menyebabkan dampak besar terhadap kerapuhan bekalan air bandar," katanya.
Beberapa model bahkan menyatakan bahawa penebangan hutan, dengan menghancurkan sumber kelembapan, mengancam untuk mengubah keadaan cuaca yang jauh di luar sungai terapung. Seperti yang anda ketahui, El Niño - turun naik suhu angin dan arus di Lautan Pasifik tropika - secara tidak langsung mempengaruhi cuaca di tempat-tempat terpencil. Begitu juga, penebangan hutan di Amazon dapat mengurangkan hujan di Midwest AS dan penutup salji di Sierra Nevada, kata ahli klimatologi Universiti Miami Roni Avissar, yang memodelkan hubungan tersebut. Jauh? "Tidak sama sekali," jawabnya. "Kami tahu bahawa El Niño mampu melakukan ini, kerana, tidak seperti penebangan hutan, fenomena ini berulang, dan kita melihat satu corak. Keduanya disebabkan oleh perubahan suhu dan kelembapan kecil yang dilepaskan ke atmosfer."
Penyelidik Universiti Stockholm Lan Wang-Erlandsson, yang meneliti interaksi darat, air dan iklim, mengatakan sudah waktunya untuk beralih dari penggunaan air dan permukaan bawah tanah di lembangan sungai tertentu ke perubahan penggunaan tanah di luar. "Perjanjian hidrologi antarabangsa baru diperlukan untuk memelihara hutan di kawasan di mana massa udara terbentuk," katanya.
Dua tahun yang lalu, pada pertemuan Forum PBB mengenai Hutan, di mana pemerintah semua negara mengambil bahagian, penyelidik tanah dari University of Bern David Ellison memberikan kajian kes. Dia menunjukkan bahawa hingga 40% daripada jumlah hujan di Dataran Tinggi Ethiopia, sumber utama Sungai Nil, berasal dari kelembapan yang kembali dari hutan-hutan di Congo Basin. Mesir, Sudan dan Ethiopia sedang merundingkan perjanjian yang telah lama berlaku untuk membahagikan perairan Sungai Nil. Tetapi perjanjian seperti itu tidak akan bermakna jika penebangan hutan di Lembangan Congo, jauh dari tiga negara, mengeringkan sumber kelembapan, kata Ellison. "Hubungan antara hutan dan air dalam menguruskan air tawar dunia hampir tidak diendahkan."
Teori pam biotik akan mendorong taruhannya lebih jauh, kerana kehilangan hutan diharapkan tidak hanya mempengaruhi sumber kelembapan, tetapi juga corak angin. Ellison memberi amaran bahawa teori itu, jika disahkan, akan menjadi "penting bagi model peredaran udara planet" - terutama yang mengangkut udara lembap ke pedalaman.
***
Tetapi setakat ini penyokong teori tersebut berada dalam minoriti. Pada tahun 2010, Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre, dan Bai-Liang Li, seorang ahli ekologi di University of California, Riverside, menyampaikan keterangan sejarah mereka mengenai pam biotik dalam Kimia dan Fizik Atmosfera, jurnal subjek utama dengan tinjauan rakan sebaya terbuka. Tetapi artikel "Dari mana Angin Berasal?" dikritik di Internet, dan memerlukan beberapa bulan majalah itu untuk menemui hanya dua saintis untuk mengulang kaji. Isaac Held, seorang ahli meteorologi di Laboratorium Dinamika Fluida Geofizik di Universiti Princeton, secara sukarela - dan mengesyorkan agar penerbitan ditolak. "Ini bukan kesan misteri," katanya. "Umumnya tidak penting dan, apalagi, sudah diperhitungkan dalam sejumlah model atmosfera." Pengkritik mengatakan bahawa pengembangan udara dari panas,yang dilepaskan semasa pemeluwapan wap air, mengatasi kesan spasial pemeluwapan. Tetapi Makarieva mengatakan bahawa dua kesan ini terpisah secara spasial: pemanasan berlaku pada ketinggian, dan penurunan tekanan pemeluwapan berlaku lebih dekat ke permukaan, di mana angin biotik diciptakan.
Pengulas lain ialah Judith Curry, seorang ahli fizik atmosfera di Institut Teknologi Georgia. Dia sudah lama khawatir tentang keadaan suasananya dan merasa artikel itu harus diterbitkan, kerana "konfrontasi tersebut memiliki pengaruh buruk pada klimatologi, dan dia memerlukan darah dari hidungnya untuk ahli fizik." Setelah tiga tahun berdebat, editor majalah itu menolak cadangan Held dan menerbitkan artikel tersebut. Tetapi pada saat yang sama dia menyatakan bahawa penerbitan itu tidak boleh dianggap sebagai persetujuan, tetapi ia akan berfungsi sebagai dialog ilmiah mengenai teori kontroversial - untuk mengesahkannya atau membantahnya.
Sejak itu, tidak ada pengesahan atau sanggahan - konfrontasi berlanjutan. Simulator iklim Universiti Columbia Gavin Schmidt berkata, "Ini hanya omong kosong." Penulis menjawab kritikan seperti ini: "Sebenarnya, kerana matematik, mereka tidak pasti sama ada akan meneruskan dialog." Ahli meteorologi Brazil dan ketua Pusat Nasional Pencegahan dan Pemantauan Bencana Jose Marengo mengatakan: "Saya rasa ada pam, tetapi sekarang semuanya berada pada tahap teori. Pakar model iklim tidak menerimanya, tetapi orang Rusia adalah ahli teori terbaik di dunia, jadi eksperimen lapangan yang sesuai mesti dilakukan untuk memeriksa semuanya. " Tetapi setakat ini, tidak seorang pun, bahkan Makarieva sendiri, yang mengusulkan percubaan seperti itu.
Bagi pihaknya, Makarieva bergantung pada teori, dengan alasan beberapa karya baru-baru ini bahawa mekanisme yang sama dapat mempengaruhi siklon tropika - mereka didorong oleh panas yang dilepaskan ketika kelembapan mengembun di lautan. Di akhbar Atmospheric Research 2017, dia dan rakannya mencadangkan agar pam biotik berbentuk hutan menarik udara yang kaya dengan kelembapan dari asal siklon. Ini, katanya, menjelaskan mengapa taufan jarang terbentuk di Lautan Atlantik Selatan: hutan hujan di Amazon dan Congo mengalirkan begitu banyak kelembapan sehingga tidak banyak yang tersisa untuk taufan.
Penyelidik taufan utama di MIT, Kerry Emanuel, mengatakan kesan yang dicadangkan adalah "ketara, tetapi boleh diabaikan." Dia lebih suka penjelasan lain daripada ketiadaan taufan di Atlantik Selatan, misalnya, perairan sejuk di rantau ini melepaskan sedikit kelembapan ke udara, dan angin kencangnya menghalang pembentukan siklon. Makarieva, dari pihaknya, sama-sama menolak tradisi, percaya bahawa beberapa teori yang ada mengenai intensiti taufan "bertentangan dengan undang-undang termodinamik." Dia mempunyai artikel lain dalam Journal of Atmospheric Sciences - menunggu tinjauan. "Kami bimbang bahawa walaupun sokongan editor, kerja kami akan ditolak lagi," katanya.
Walaupun idea-idea Makaryeva dianggap marginal di Barat, mereka secara beransur-ansur berakar di Rusia. Tahun lalu, pemerintah melancarkan dialog publik mengenai revisi undang-undang kehutanan. Dengan pengecualian kawasan lindung lama, hutan Rusia terbuka untuk eksploitasi komersial, tetapi pemerintah dan Badan Perhutanan Persekutuan mempertimbangkan kategori baru - hutan perlindungan iklim. "Beberapa di jabatan perhutanan kami terkesan dengan idea pam biotik dan ingin memperkenalkan kategori baru," katanya. Idea ini juga disokong oleh Akademi Sains Rusia. Makarieva mengatakan bahawa menjadi sebahagian daripada konsensus, dan bukan orang luar yang kekal, adalah baru dan tidak biasa.
Musim panas ini, perjalanannya ke hutan utara terganggu oleh wabak dan karantina coronavirus. Di rumahnya di St Petersburg, dia duduk untuk satu lagi bantahan dari pengulas tanpa nama. Dia yakin bahawa teori pam akan menang cepat atau lambat. "Terdapat inersia semula jadi dalam sains," katanya. Dengan humor Rusia yang gelap, dia mengingat kata-kata ahli fizik Jerman legenda Max Planck, yang memberikan penerangan yang terkenal mengenai kemajuan sains: "satu siri pengebumian."
