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Wälder regulieren das Klima und produzieren Wind - Biotische Pumpentheorie
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Anonim

Anastasia Makarieva, Kernphysikerin vom St. Petersburger Institut für Kernphysik, verteidigt seit mehr als zehn Jahren die Theorie, dass die Taiga-Wälder Russlands das Klima der nördlichen Regionen Asiens regulieren. Viele westliche Meteorologen widersprechen ihr, aber die Regierung und Wissenschaftler in Russland sind an dieser Theorie interessiert.

Jeden Sommer, wenn die Tage länger werden, verlässt Anastasia Makarieva ihr Labor in St. Petersburg und macht Urlaub in den endlosen Wäldern des russischen Nordens. Ein Atomphysiker schlägt am Ufer des Weißen Meeres zwischen Tannen und Kiefern ein Zelt auf, schwimmt im Kajak auf den endlosen Flüssen der Region und macht sich Notizen über Natur und Wetter. „Wälder sind ein großer Teil meines Privatlebens“, sagt sie. Seit 25 Jahren jährlicher Pilgerfahrt in den Norden sind sie zu einem wichtigen Bestandteil ihres Berufslebens geworden.

Seit mehr als zehn Jahren verteidigt Makarieva die Theorie, die sie zusammen mit Viktor Gorshkov, ihrem Mentor und Kollegen vom Petersburger Institut für Kernphysik (PNPI), entwickelt hat, wie die borealen (Taiga) Wälder Russlands, der größte Wald auf der Erde das Klima Nordasiens regulieren. Diese einfache, aber weitreichende physikalische Theorie beschreibt, wie der von Bäumen ausgeatmete Wasserdampf Winde erzeugt – diese Winde durchqueren den Kontinent und tragen feuchte Luft von Europa über Sibirien und weiter in die Mongolei und China; diese Winde tragen den Regen, der die riesigen Flüsse Ostsibiriens speist; Diese Winde bewässern die nördliche Ebene Chinas, die Kornkammer des bevölkerungsreichsten Landes der Erde.

Wegen seiner Fähigkeit, Kohlendioxid aufzunehmen und Sauerstoff auszuatmen, werden große Wälder oft als die Lungen des Planeten bezeichnet. Aber Makarieva und Gorshkov (er starb letztes Jahr) sind überzeugt, dass sie auch ihr Herz sind. „Wälder sind komplexe, sich selbst erhaltende Regensysteme und ein wichtiger Faktor für die Zirkulation der Atmosphäre auf der Erde“, sagt Makarieva. Sie führen riesige Mengen an Feuchtigkeit in die Luft zurück und erzeugen dabei Winde, die dieses Wasser um die Welt pumpen. Der erste Teil dieser Theorie – dass Wälder Regen machen – stimmt mit der Forschung anderer Wissenschaftler überein und wird bei der Bewirtschaftung von Wasserressourcen inmitten zügelloser Abholzung zunehmend in Erinnerung gerufen. Aber der zweite Teil, die Theorie, die Makarieva die biotische Pumpe nennt, ist viel umstrittener.

Der theoretische Hintergrund der Arbeit wurde veröffentlicht – wenn auch in weniger bekannten Zeitschriften – und Makarieva wurde von einer kleinen Gruppe von Kollegen unterstützt. Aber die biotische Pumpentheorie hat viel Kritik erfahren – insbesondere von Klimamodellierern. Manche meinen, die Wirkung der Pumpe sei unbedeutend, andere bestreiten dies ganz. Dadurch fand sich Makarieva in der Rolle einer Außenseiterin wieder: eine theoretische Physikerin unter den Modellentwicklern, eine Russin unter den westlichen Wissenschaftlern und eine Frau in einem von Männern beherrschten Gebiet.

Wenn ihre Theorie jedoch zutrifft, wird sie erklären können, warum trotz der beträchtlichen Entfernung von den Ozeanen im Inneren bewaldeter Kontinente genauso viel Niederschlag fällt wie an der Küste, und warum das Innere baumloser Kontinente auf den im Gegenteil, ist normalerweise trocken. Es impliziert auch, dass Wälder – von der russischen Taiga bis zu den Regenwäldern des Amazonas – nicht nur dort wachsen, wo das Wetter stimmt. Sie machen es selbst. „Aus dem, was ich gelesen habe, bin ich zu dem Schluss gekommen, dass die biotische Pumpe funktioniert“, sagt Douglas Sheil, Waldökologe an der norwegischen Universität für Biowissenschaften. Da das Schicksal der Wälder der Welt fraglich ist, sagt er: "Auch wenn die geringste Chance besteht, dass diese Theorie richtig ist, ist es unbedingt erforderlich, es genau herauszufinden."

Viele Lehrbücher der Meteorologie liefern noch immer ein Diagramm des Wasserkreislaufs in der Natur, wobei die Hauptursache für die Luftfeuchtigkeit, die in Wolken kondensiert und in Form von Regen fällt, die Verdunstung des Ozeans ist. Dieses Schema ignoriert die Rolle der Vegetation und insbesondere der Bäume, die wie riesige Springbrunnen wirken, vollständig. Ihre Wurzeln entziehen dem Boden Wasser für die Photosynthese, und mikroskopisch kleine Poren in den Blättern verdampfen ungenutztes Wasser in die Luft. Dieser Vorgang – eine Art Schweiß, nur bei Bäumen – wird Transpiration genannt. So setzt ein ausgewachsener Baum täglich Hunderte Liter Wasser frei. Aufgrund der großen Laubfläche gibt der Wald oft mehr Feuchtigkeit an die Luft ab als ein Gewässer gleicher Größe.

Regenparade

Die sogenannten "fliegenden Flüsse" sind die vorherrschenden Winde, die aus Wäldern austretenden Wasserdampf aufnehmen und Regen an entfernte Gewässer liefern. Eine umstrittene Theorie besagt, dass die Wälder selbst die Winde bestimmen.

Nach der biotischen Pumpentheorie verursachen Wälder nicht nur Regen, sondern auch Wind. Wenn Wasserdampf über Küstenwäldern kondensiert, sinkt der Luftdruck und es entstehen Winde, die feuchte Meeresluft ansaugen. Zyklen von Transpiration und Kondensation erzeugen Winde, die Regen Tausende von Kilometern ins Landesinnere tragen.

Dank des transsibirischen Flugstroms kommen also etwa 80% des Niederschlags in China aus dem Westen. Und der fliegende Amazonas sorgt für 70 % der Niederschläge im südöstlichen Teil Südamerikas.

Die Rolle dieser Sekundärfeuchtigkeit bei der Bildung von Nährstoffregen wurde bis 1979 weitgehend übersehen, als der brasilianische Meteorologe Eneas Salati die Isotopenzusammensetzung von Regenwasser aus dem Amazonasbecken untersuchte. Es stellte sich heraus, dass das durch Transpiration zurückgeführte Wasser mehr Moleküle mit dem schweren Isotop Sauerstoff-18 enthält als aus dem Ozean verdunstetes Wasser. So zeigte Salati, dass die Hälfte des Regens über dem Amazonas als Folge der Waldverdunstung fiel.

Meteorologen verfolgten den atmosphärischen Jet in etwa 1,5 Kilometer Höhe über dem Wald. Diese Winde - zusammenfassend als südamerikanischer Lower Jet Stream bezeichnet - wehen mit der Geschwindigkeit eines Rennrades von West nach Ost über den Amazonas, woraufhin die Anden sie nach Süden ziehen. Salati und andere schlugen vor, dass sie den größten Teil der freigesetzten Feuchtigkeit trugen, und nannten sie "den fliegenden Fluss". Laut dem Klimatologen Antonio Nope vom brasilianischen Nationalen Weltraumforschungsinstitut führt der fliegende Amazonas heute so viel Wasser wie der riesige Fluss der Erde darunter.

Eine Zeitlang glaubte man, die fliegenden Flüsse seien auf das Amazonasbecken beschränkt. Aber in den 1990er Jahren begann der Hydrologe Hubert Savenije von der Technischen Universität Deltfe mit der Untersuchung der Feuchtigkeitszirkulation in Westafrika. Anhand eines hydrologischen Modells zu Wetterdaten stellte er fest, dass der Anteil der Regenfälle aus Wäldern umso höher ist, je weiter landeinwärts von der Küste entfernt - bis zu 90 % im Landesinneren. Diese Entdeckung erklärt, warum die innere Sahelzone trockener wird: Küstenwälder sind im letzten halben Jahrhundert verschwunden.

Einer von Saveniers Schülern, Ruud van der Ent, entwickelte seine Idee, indem er ein globales Modell des Feuchtigkeitsluftstroms erstellte. Er führte Beobachtungen von Niederschlag, Feuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Temperatur sowie theoretische Schätzungen von Verdunstung und Transpiration zusammen und erstellte das erste Modell des Feuchtigkeitstransports in Skalen jenseits von Flusseinzugsgebieten.

Im Jahr 2010 stellten Van der Ent und seine Kollegen ihre Entdeckung vor, dass 40 % aller Niederschläge weltweit auf dem Land und nicht auf dem Ozean fallen. Oft sogar noch mehr. Der fliegende Amazonas sorgt für 70 % der Niederschläge im Becken des Rio de la Plata, das sich über das südöstliche Südamerika erstreckt. Überraschend stellte Van der Ent fest, dass China 80 % seines Wassers aus dem Westen bezieht – außerdem ist es hauptsächlich atlantische Feuchtigkeit, die von den Taigawäldern Skandinaviens und Russlands verarbeitet wird. Die Reise hat mehrere Etappen – Transpirationszyklen mit zugehörigem Regen – und dauert sechs Monate oder länger. „Das widerspricht den bisherigen Informationen, die jeder in der High School lernt“, sagt er. "China liegt in der Nähe des Ozeans, des Pazifischen Ozeans, aber der Großteil seiner Niederschläge ist Feuchtigkeit vom Land im äußersten Westen."

Wenn Makarieva recht hat, liefern Wälder nicht nur Feuchtigkeit, sondern erzeugen auch den Wind, der sie trägt.

Sie arbeitete ein Vierteljahrhundert mit Gorshkov zusammen. Sie begann als Studentin am PNPI, einer Unterabteilung des Kurchatov-Instituts, dem größten russischen zivilen und militärischen Nuklearforschungsinstitut. Von Anfang an arbeiteten sie im Feld und beschäftigten sich mit Ökologie am Institut, wo Physiker Materialien mit Kernreaktoren und Neutronenstrahlen untersuchen. Als Theoretiker, erinnert sie sich, hatten sie "außergewöhnliche Forschungs- und Gedankenfreiheit" - sie beschäftigten sich mit der Atmosphärenphysik, wo immer sie hinführte. „Victor hat mir beigebracht: Fürchte nichts“, sagt sie.

2007 stellten sie ihre Theorie der biotischen Pumpe erstmals in der Fachzeitschrift Hydrology and Earth Sciences vor. Sie galt von vornherein als provokant, weil sie einem langjährigen Prinzip der Meteorologie widersprach: Winde werden hauptsächlich durch unterschiedliche Erwärmung der Atmosphäre verursacht. Wenn die warme Luft aufsteigt, senkt sie den Druck der darunter liegenden Schichten und schafft sich so im Wesentlichen neuen Raum an der Oberfläche. Im Sommer beispielsweise erwärmt sich die Landoberfläche schneller und zieht feuchte Brisen aus dem kühleren Ozean an.

Makarieva und Gorshkov argumentieren, dass manchmal ein anderer Prozess vorherrscht. Wenn Wasserdampf aus dem Wald zu Wolken kondensiert, wird das Gas flüssig – und nimmt weniger Volumen ein. Dadurch wird der Luftdruck reduziert und Luft aus Bereichen mit geringerer Kondensation horizontal angesaugt. In der Praxis bedeutet dies, dass Kondensation über Küstenwäldern eine Meeresbrise erzeugt, die feuchte Luft ins Landesinnere drückt, wo sie schließlich kondensiert und als Regen fällt. Wenn sich Wälder ins Landesinnere erstrecken, geht der Kreislauf weiter und hält tausende von Kilometern feuchten Wind aufrecht.

Diese Theorie kippt die traditionelle Ansicht: Nicht die atmosphärische Zirkulation steuert den Wasserkreislauf, sondern der Wasserkreislauf reguliert im Gegenteil die Massenzirkulation der Luft.

Sheel, und er wurde vor mehr als zehn Jahren zu einem Befürworter der Theorie, sieht darin eine Weiterentwicklung der Idee fliegender Flüsse. „Sie schließen sich nicht gegenseitig aus“, sagt er. "Die Pumpe erklärt die Stärke der Flüsse." Er glaubt, dass die biotische Pumpe das "kalte Amazonas-Paradoxon" erklärt. Von Januar bis Juni, wenn das Amazonasbecken kälter ist als der Ozean, wehen starke Winde vom Atlantik zum Amazonas – obwohl die Theorie der Differentialheizung etwas anderes vermuten lässt. Nobre, ein weiterer langjähriger Befürworter, erklärt begeistert: "Sie kommen nicht aus Daten, sondern aus zugrunde liegenden Prinzipien."

Auch diejenigen, die an der Theorie zweifeln, sind sich einig, dass der Verlust von Wäldern weitreichende Folgen für das Klima hat. Viele Wissenschaftler argumentieren, dass die Entwaldung vor Tausenden von Jahren zur Wüstenbildung im australischen Landesinneren und in Westafrika führte. Es besteht die Gefahr, dass die Entwaldung in Zukunft zu Dürren in anderen Regionen führt, beispielsweise wird ein Teil des Amazonas-Regenwaldes zu Savanne. Auch Chinas Agrarregionen, die afrikanische Sahelzone und die argentinische Pampa seien gefährdet, sagt Patrick Keys, Atmosphärenchemiker an der University of Colorado in Fort Collins.

Im Jahr 2018 verwendeten Kees und Kollegen ein ähnliches Modell wie das von van der Ent, um Niederschlagsquellen für 29 globale Ballungsräume zu verfolgen. Er stellte fest, dass der größte Teil der Wasserversorgung von 19 von ihnen von abgelegenen Wäldern abhängt, darunter Karatschi (Pakistan), Wuhan und Shanghai (China), Neu-Delhi und Kolkata (Indien).„Selbst kleine Niederschlagsänderungen, die durch Landnutzungsänderungen in Windrichtung verursacht werden, können große Auswirkungen auf die Brüchigkeit der städtischen Wasserversorgung haben“, sagt er.

Einige Modelle legen sogar nahe, dass die Entwaldung durch die Zerstörung der Feuchtigkeitsquelle die Wetterbedingungen weit über die schwimmenden Flüsse hinaus zu verändern droht. Wie Sie wissen, beeinflusst El Niño – Schwankungen der Windtemperatur und Strömungen im tropischen Pazifik – indirekt das Wetter an abgelegenen Orten. Ebenso könnte die Abholzung des Amazonas die Niederschläge im Mittleren Westen der USA und die Schneedecke in der Sierra Nevada reduzieren, sagt der Klimatologe Roni Avissar von der University of Miami, der solche Zusammenhänge modelliert. Weit hergeholt? „Überhaupt nicht“, antwortet er. „Wir wissen, dass El Niño dazu in der Lage ist, denn im Gegensatz zur Abholzung wiederholt sich dieses Phänomen und wir beobachten ein Muster. Beides wird durch kleine Temperaturänderungen und Feuchtigkeit verursacht, die in die Atmosphäre abgegeben wird.“

Lan Wang-Erlandsson, Forscher der Universität Stockholm, der die Interaktion von Land, Wasser und Klima erforscht, sagt, dass es an der Zeit ist, von der Wasser- und unterirdischen Nutzung innerhalb eines bestimmten Flussgebiets auf eine Landnutzungsänderung darüber hinaus umzustellen. „Um Wälder in Gebieten zu erhalten, in denen sich Luftmassen bilden, sind neue internationale hydrologische Abkommen erforderlich“, sagt sie.

Vor zwei Jahren präsentierte der Landforscher der Universität Bern David Ellison an einem Treffen des UN-Forums für Wälder, an dem Regierungen aller Länder teilnehmen, eine Fallstudie. Er zeigte, dass bis zu 40 % des Gesamtniederschlags im äthiopischen Hochland, der Hauptquelle des Nils, von Feuchtigkeit stammt, die aus den Wäldern des Kongobeckens zurückkehrt. Ägypten, Sudan und Äthiopien verhandeln über einen längst überfälligen Deal, um das Nilwasser zu teilen. Aber ein solches Abkommen wäre bedeutungslos, wenn die Entwaldung im Kongobecken, weit entfernt von den drei Ländern, die Feuchtigkeitsquelle austrocknet, schlug Ellison vor. "Die Beziehung zwischen Wäldern und Wasser bei der Bewirtschaftung des Süßwassers der Welt wird fast vollständig ignoriert."

Die Theorie der biotischen Pumpe wird den Einsatz noch weiter erhöhen, da erwartet wird, dass der Waldverlust nicht nur Feuchtigkeitsquellen, sondern auch Windmuster beeinflusst. Ellison warnt davor, dass die Theorie, wenn sie bestätigt wird, "kritisch für planetare Luftzirkulationsmodelle" sein wird - insbesondere für diejenigen, die feuchte Luft ins Landesinnere transportieren.

Doch bislang sind die Anhänger der Theorie in der Minderheit. Im Jahr 2010 reichten Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre und Bai-Liang Li, ein Ökologe an der University of California, Riverside, ihre historische Beschreibung der biotischen Pumpe in Atmospheric Chemistry and Physics, einer wichtigen Fachzeitschrift mit offenem Peer-Review, ein. Aber der Artikel "Woher kommen die Winde?" wurde im Internet kritisiert, und es dauerte viele Monate, bis das Magazin nur zwei Wissenschaftler gefunden hatte, die es rezensierten. Isaac Held, Meteorologe am Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der Princeton University, meldete sich freiwillig – und empfahl, die Veröffentlichung abzulehnen. „Das ist kein mysteriöser Effekt“, sagt er. "Sie ist im Allgemeinen unbedeutend und wird zudem bereits in einer Reihe von atmosphärischen Modellen berücksichtigt." Kritiker sagen, dass die Ausdehnung der Luft aus der durch die Kondensation von Wasserdampf erzeugten Wärme der räumlichen Wirkung der Kondensation entgegenwirkt. Makarieva sagt jedoch, dass diese beiden Effekte räumlich getrennt sind: Die Erwärmung erfolgt in der Höhe und der Kondensationsdruckabfall tritt näher an der Oberfläche auf, wo biotischer Wind entsteht.

Eine weitere Gutachterin war Judith Curry, Atmosphärenphysikerin am Georgia Institute of Technology. Sie macht sich schon lange Sorgen um den Zustand der Atmosphäre und meinte, der Artikel sollte veröffentlicht werden, weil "die Konfrontation einen schlechten Einfluss auf die Klimatologie hat und sie für Physiker Blut aus der Nase braucht". Nach dreijähriger Debatte lehnte der Herausgeber des Magazins Helds Empfehlung ab und veröffentlichte den Artikel. Gleichzeitig stellte er jedoch fest, dass die Veröffentlichung nicht als Genehmigung angesehen werden kann, sondern als wissenschaftlicher Dialog über eine umstrittene Theorie dienen wird – um sie zu bestätigen oder zu widerlegen.

Seitdem ist keine Bestätigung oder Widerlegung herausgekommen - die Konfrontation ging weiter. Der Klimasimulator der Columbia University, Gavin Schmidt, sagt: "Das ist einfach Unsinn." Auf Kritik reagieren die Autoren so: "Tatsächlich sind sie sich wegen der Mathematik nicht sicher, ob es sich lohnt, den Dialog fortzusetzen." Der brasilianische Meteorologe und Leiter des Nationalen Zentrums für die Überwachung und Verhütung von Naturkatastrophen, Jose Marengo, sagt: „Ich denke, die Pumpe existiert, aber jetzt ist alles auf dem Niveau der Theorie. Experten für Klimamodelle haben das nicht akzeptiert, aber die Russen sind die besten Theoretiker der Welt, daher müssen entsprechende Feldexperimente durchgeführt werden, um alles zu testen. Aber bisher hat niemand, nicht einmal Makarieva selbst, solche Experimente vorgeschlagen.

Makarieva ihrerseits stützt sich auf die Theorie und argumentiert in einer Reihe neuerer Arbeiten, dass der gleiche Mechanismus tropische Wirbelstürme beeinflussen kann – sie werden durch die Wärme angetrieben, die freigesetzt wird, wenn Feuchtigkeit über dem Ozean kondensiert. In der Zeitung Atmospheric Research 2017 schlugen sie und ihre Kollegen vor, dass waldförmige biotische Pumpen feuchtigkeitsreiche Luft aus Zyklonen ansaugen. Dies erklärt, warum sich im Südatlantik selten Zyklone bilden: Die Regenwälder des Amazonas und des Kongo entwässern so viel Feuchtigkeit, dass für Wirbelstürme zu wenig übrig bleibt.

Der leitende Hurrikanforscher am MIT, Kerry Emanuel, sagt, die vorgeschlagenen Auswirkungen seien "signifikant, aber vernachlässigbar". Dem Ausbleiben von Hurrikanen im Südatlantik zieht er andere Erklärungen vor: So geben die kühlen Gewässer der Region weniger Feuchtigkeit an die Luft ab und ihre starken Winde verhindern die Bildung von Wirbelstürmen. Makarieva ihrerseits lehnt Traditionalisten gleichermaßen ab, da sie glaubt, dass einige der bestehenden Theorien über die Intensität von Hurrikanen "den Gesetzen der Thermodynamik widersprechen". Sie hat einen weiteren Artikel im Journal of Atmospheric Sciences - noch zu prüfen. „Wir befürchten, dass unsere Arbeit trotz der Unterstützung der Redaktion erneut abgelehnt wird“, sagt sie.

Während Makaryevas Ideen im Westen als marginal gelten, finden sie in Russland allmählich Fuß. Im vergangenen Jahr hat die Regierung einen öffentlichen Dialog zur Revision des Forstgesetzes eingeleitet. Mit Ausnahme der alten Schutzgebiete sind russische Wälder für die kommerzielle Nutzung geöffnet, aber die Regierung und das Bundesforstamt erwägen eine neue Kategorie - Klimaschutzwälder. „Einige in unserer Forstabteilung sind von der Idee der Biotischen Pumpe beeindruckt und wollen eine neue Kategorie einführen“, sagt sie. Die Idee wurde auch von der Russischen Akademie der Wissenschaften unterstützt. Makarieva sagt, dass es neu und ungewöhnlich sei, Teil des Konsenses und nicht ewiger Außenseiter zu sein.

Diesen Sommer wurde ihre Reise in die nördlichen Wälder durch die Coronavirus-Epidemie und Quarantäne gestört. Zu Hause in St. Petersburg setzte sie sich zu einer weiteren Einspruchsrunde anonymer Gutachter ein. Sie ist überzeugt, dass sich die Pumpentheorie früher oder später durchsetzen wird. „In der Wissenschaft gibt es eine natürliche Trägheit“, sagt sie. Mit schwarzem Humor erinnert sie sich an die Worte des legendären deutschen Physikers Max Planck, der die berühmte Beschreibung des Fortschritts der Wissenschaft gab: "eine Reihe von Begräbnissen".

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