Hutan Mengatur Iklim dan Menghasilkan Angin - Teori Pompa Biotik

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Anastasia Makarieva, fisikawan nuklir dari Institut Fisika Nuklir St. Petersburg, telah mempertahankan teori bahwa hutan taiga Rusia mengatur iklim wilayah utara Asia selama lebih dari sepuluh tahun. Banyak ahli meteorologi Barat tidak setuju dengannya, tetapi pemerintah dan ilmuwan di Rusia tertarik dengan teori ini.

Setiap musim panas, saat hari semakin panjang, Anastasia Makarieva meninggalkan laboratoriumnya di St. Petersburg dan pergi berlibur ke hutan tak berujung di Rusia Utara. Seorang fisikawan nuklir mendirikan tenda di tepi Laut Putih, di antara pohon cemara dan pinus, berenang dengan kayak di sungai tak berujung di wilayah itu dan mencatat tentang alam dan cuaca. “Hutan adalah bagian besar dari kehidupan pribadi saya,” katanya. Selama 25 tahun ziarah tahunan ke utara, mereka telah menjadi bagian penting dari kehidupan profesionalnya.

Selama lebih dari sepuluh tahun, Makarieva telah mempertahankan teori, yang ia kembangkan bersama dengan Viktor Gorshkov, mentor dan rekannya dari Institut Fisika Nuklir Petersburg (PNPI), tentang bagaimana hutan boreal (taiga) Rusia, hutan terbesar di Bumi, mengatur iklim Asia utara. Teori fisika yang sederhana namun luas jangkauannya ini menjelaskan bagaimana uap air yang dihembuskan oleh pepohonan menciptakan angin - angin ini melintasi benua, membawa udara lembab dari Eropa melintasi Siberia dan selanjutnya ke Mongolia dan Cina; angin ini membawa hujan yang mengaliri sungai-sungai raksasa di Siberia Timur; angin ini mengairi dataran utara Cina, lumbung negara terpadat di planet ini.

Karena kemampuannya menyerap karbon dioksida dan menghirup oksigen, hutan besar sering disebut sebagai paru-paru planet ini. Tetapi Makarieva dan Gorshkov (dia meninggal tahun lalu) yakin bahwa mereka juga adalah hatinya. “Hutan adalah sistem hujan yang kompleks dan mandiri dan merupakan faktor utama dalam sirkulasi atmosfer di Bumi,” kata Makarieva. Mereka mensirkulasikan kembali sejumlah besar uap air ke udara dan dalam prosesnya menciptakan angin yang memompa air ini ke seluruh dunia. Bagian pertama dari teori ini - bahwa hutan menghasilkan hujan - konsisten dengan penelitian ilmuwan lain dan semakin diingat ketika mengelola sumber daya air di tengah maraknya penggundulan hutan. Tetapi bagian kedua, teori yang disebut Makarieva sebagai pompa biotik, jauh lebih kontroversial.

Latar belakang teoretis dari karya tersebut diterbitkan - meskipun dalam jurnal yang kurang dikenal - dan Makarieva didukung oleh sekelompok kecil rekan kerja. Tetapi teori pompa biotik telah menerima banyak kritik - terutama dari pemodel iklim. Beberapa percaya bahwa dampak pompa tidak signifikan, sementara yang lain menyangkalnya sama sekali. Akibatnya, Makarieva mendapati dirinya dalam peran sebagai orang luar: seorang fisikawan teoretis di antara para pengembang model, seorang Rusia di antara para ilmuwan Barat, dan seorang wanita di daerah yang dikuasai oleh pria.

Namun, jika teorinya benar, ia akan dapat menjelaskan mengapa, meskipun jaraknya cukup jauh dari lautan, di bagian dalam benua berhutan ada curah hujan sebanyak di pantai, dan mengapa bagian dalam benua tanpa pohon, di sebaliknya, biasanya gersang. Ini juga menyiratkan bahwa hutan - dari taiga Rusia hingga hutan hujan Amazon - tidak hanya tumbuh di tempat yang cuacanya tepat. Mereka membuatnya sendiri. “Dari apa yang saya baca, saya menyimpulkan bahwa pompa biotik bekerja,” kata Douglas Sheil, ahli ekologi hutan di Norwegian University of Life Sciences. Karena nasib hutan dunia sedang dipertanyakan, dia berkata, "Bahkan jika ada kemungkinan sekecil apa pun bahwa teori ini benar, sangat penting untuk mencari tahu dengan pasti."

Banyak buku teks tentang meteorologi masih memberikan diagram siklus air di alam, di mana penyebab utama kelembaban atmosfer, yang mengembun di awan dan jatuh dalam bentuk hujan, adalah penguapan laut. Skema ini sama sekali mengabaikan peran vegetasi dan terutama pohon, yang bertindak seperti air mancur raksasa. Akar mereka mengambil air dari tanah untuk fotosintesis, dan pori-pori mikroskopis di daun menguapkan air yang tidak terpakai ke udara. Proses ini - semacam keringat, hanya di pohon - disebut transpirasi. Jadi, satu pohon dewasa melepaskan ratusan liter air per hari. Karena luasnya dedaunan, hutan sering kali melepaskan lebih banyak uap air ke udara daripada badan air dengan ukuran yang sama.

Parade hujan

Yang disebut "sungai terbang" adalah angin yang berlaku yang menyerap uap air yang dipancarkan dari hutan dan mengantarkan hujan ke badan air yang jauh. Sebuah teori kontroversial menunjukkan bahwa hutan itu sendiri mengatur angin.

Menurut teori pompa biotik, hutan tidak hanya menyebabkan hujan, tetapi juga angin. Ketika uap air mengembun di atas hutan pantai, tekanan udara berkurang dan terciptalah angin yang menyedot udara laut yang lembab. Siklus transpirasi dan kondensasi menciptakan angin yang membawa hujan ribuan kilometer ke daratan.

Jadi, sekitar 80% curah hujan di Cina berasal dari barat berkat sungai terbang Trans-Siberia. Dan Sungai Amazon yang terbang menyediakan 70% curah hujan di bagian tenggara Amerika Selatan.

Peran kelembaban sekunder ini dalam pembentukan hujan nutrisi sebagian besar diabaikan sampai tahun 1979, ketika ahli meteorologi Brasil Eneas Salati memeriksa komposisi isotop air hujan dari Cekungan Amazon. Ternyata air yang dikembalikan oleh transpirasi mengandung lebih banyak molekul dengan isotop berat oksigen-18 daripada air yang diuapkan dari laut. Jadi Salati menunjukkan bahwa setengah dari curah hujan di atas Amazon turun sebagai akibat dari penguapan hutan.

Ahli meteorologi melacak pancaran atmosfer di atas hutan pada ketinggian sekitar 1,5 kilometer. Angin ini - secara kolektif disebut sebagai aliran jet bawah Amerika Selatan - bertiup dari barat ke timur melintasi Amazon dengan kecepatan sepeda balap, setelah itu pegunungan Andes menyeretnya ke selatan. Salati dan yang lainnya menyarankan bahwa merekalah yang membawa sebagian besar uap air yang dilepaskan, dan menjuluki mereka "sungai terbang." Menurut ahli iklim Antonio Nope di Institut Penelitian Luar Angkasa Nasional Brasil, Sungai Amazon yang terbang saat ini membawa air sebanyak sungai raksasa Bumi di bawahnya.

Untuk sementara waktu diyakini bahwa sungai-sungai terbang terbatas di lembah Amazon. Namun pada 1990-an, ahli hidrologi Hubert Savenije di Deltfe University of Technology mulai mempelajari resirkulasi kelembaban di Afrika Barat. Menggunakan model hidrologi pada data cuaca, ia menemukan bahwa semakin jauh ke pedalaman dari pantai, semakin tinggi proporsi curah hujan yang jatuh dari hutan - hingga 90% di pedalaman. Penemuan ini menjelaskan mengapa Sahel bagian dalam menjadi lebih kering: hutan pantai telah menghilang selama setengah abad terakhir.

Salah satu siswa Savenier, Ruud van der Ent, mengembangkan idenya dengan menciptakan model global aliran udara lembab. Dia menyatukan pengamatan curah hujan, kelembaban, kecepatan angin dan suhu dan perkiraan teoritis penguapan dan transpirasi, dan menciptakan model pertama transportasi kelembaban pada skala di luar daerah aliran sungai.

Pada tahun 2010, Van der Ent dan rekan-rekannya mengungkap temuan mereka bahwa secara global, 40% dari semua curah hujan terjadi di darat, bukan di lautan. Seringkali bahkan lebih. Sungai Amazon yang terbang menyediakan 70% dari curah hujan di Rio de la Plata Basin, yang membentang di tenggara Amerika Selatan. Van der Ent cukup terkejut mengetahui bahwa Cina menerima 80% airnya dari barat - apalagi, itu terutama kelembaban Atlantik, yang diproses oleh hutan taiga Skandinavia dan Rusia. Perjalanan ini memiliki beberapa tahap - siklus transpirasi dengan hujan terkait - dan memakan waktu enam bulan atau lebih. “Ini bertentangan dengan informasi sebelumnya yang dipelajari semua orang di sekolah menengah,” katanya. "Cina dekat dengan lautan, Samudra Pasifik, tetapi sebagian besar curah hujannya adalah uap air dari daratan di barat jauh."

Jika Makarieva benar, hutan tidak hanya memberikan kelembapan, tetapi juga menciptakan angin yang membawanya.

Dia bekerja dengan Gorshkov selama seperempat abad. Dia mulai sebagai mahasiswa di PNPI, sebuah subdivisi dari Institut Kurchatov, lembaga penelitian nuklir terbesar Rusia, baik sipil dan militer. Sejak awal, mereka bekerja di lapangan dan terlibat dalam ekologi di institut, tempat fisikawan mempelajari materi menggunakan reaktor nuklir dan sinar neutron. Sebagai ahli teori, kenangnya, mereka memiliki "kebebasan penelitian dan pemikiran yang luar biasa", - mereka terlibat dalam fisika atmosfer, ke mana pun mereka pergi. “Victor mengajari saya: jangan takut apa pun,” katanya.

Pada tahun 2007, mereka pertama kali mempresentasikan teori pompa biotik dalam jurnal Hydrology and Earth Sciences. Itu dianggap provokatif sejak awal, karena bertentangan dengan prinsip meteorologi yang sudah lama ada: angin terutama disebabkan oleh pemanasan atmosfer yang berbeda. Saat udara hangat naik, ia menurunkan tekanan lapisan di bawahnya, pada dasarnya menciptakan ruang baru untuk dirinya sendiri di permukaan. Di musim panas, misalnya, permukaan tanah memanas lebih cepat dan menarik angin lembab dari laut yang lebih dingin.

Makarieva dan Gorshkov berpendapat bahwa terkadang proses yang berbeda terjadi. Ketika uap air dari hutan mengembun menjadi awan, gas menjadi cair - dan volumenya lebih sedikit. Ini mengurangi tekanan udara dan menarik udara secara horizontal dari area dengan kondensasi yang lebih sedikit. Dalam praktiknya, ini berarti kondensasi di atas hutan pantai membentuk angin laut, mendorong udara lembab ke bagian dalam, di mana akhirnya mengembun dan jatuh sebagai hujan. Jika hutan membentang ke pedalaman, siklusnya berlanjut, mempertahankan angin lembab selama ribuan kilometer.

Teori ini membalikkan pandangan tradisional: bukan sirkulasi atmosfer yang mengontrol siklus hidrologi, tetapi, sebaliknya, siklus hidrologi mengatur sirkulasi massa udara.

Sheel, dan dia menjadi pendukung teori itu lebih dari sepuluh tahun yang lalu, menganggapnya sebagai pengembangan dari gagasan sungai terbang. "Mereka tidak saling eksklusif," katanya. "Pompa menjelaskan kekuatan sungai." Dia percaya bahwa pompa biotik menjelaskan "paradoks Amazon yang dingin". Dari Januari hingga Juni, ketika lembah Amazon lebih dingin daripada lautan, angin kencang bertiup dari Atlantik ke Amazon - meskipun teori pemanasan diferensial menyarankan sebaliknya. Nobre, pendukung lama lainnya, dengan antusias menjelaskan, "Mereka tidak berasal dari data, tetapi dari prinsip-prinsip yang mendasarinya."

Bahkan mereka yang meragukan teori tersebut setuju bahwa hilangnya hutan memiliki konsekuensi yang luas bagi iklim. Banyak ilmuwan berpendapat bahwa penggundulan hutan ribuan tahun yang lalu menyebabkan penggurunan daratan Australia dan Afrika Barat. Ada risiko deforestasi di masa depan akan menyebabkan kekeringan di wilayah lain, misalnya, sebagian hutan hujan Amazon akan berubah menjadi sabana. Daerah pertanian China, Sahel Afrika dan pampas Argentina juga berisiko, kata Patrick Keys, ahli kimia atmosfer di University of Colorado, Fort Collins.

Pada tahun 2018, Kees dan rekannya menggunakan model yang mirip dengan model van der Ent untuk melacak sumber presipitasi di 29 wilayah metropolitan global. Dia menemukan bahwa sebagian besar pasokan air dari 19 di antaranya bergantung pada hutan terpencil, termasuk Karachi (Pakistan), Wuhan dan Shanghai (Cina), New Delhi dan Kolkata (India).“Bahkan perubahan kecil dalam curah hujan yang disebabkan oleh perubahan penggunaan lahan melawan arah angin dapat berdampak besar pada rapuhnya pasokan air perkotaan,” katanya.

Beberapa model bahkan menyarankan bahwa penggundulan hutan, dengan menghancurkan sumber kelembaban, mengancam untuk mengubah kondisi cuaca jauh di luar sungai terapung. Seperti yang Anda ketahui, El Niño - fluktuasi suhu angin dan arus di Samudra Pasifik tropis - secara tidak langsung mempengaruhi cuaca di tempat-tempat terpencil. Demikian juga, penggundulan hutan di Amazon dapat mengurangi curah hujan di Midwest AS dan tutupan salju di Sierra Nevada, kata ahli iklim Universitas Miami Roni Avissar, yang memodelkan hubungan semacam itu. dibuat-buat? "Tidak sama sekali," jawabnya. “Kami tahu bahwa El Niño mampu melakukan ini, karena, tidak seperti deforestasi, fenomena ini berulang, dan kami mengamati sebuah pola. Keduanya disebabkan oleh perubahan kecil pada suhu dan kelembaban yang dilepaskan ke atmosfer."

Peneliti Universitas Stockholm Lan Wang-Erlandsson, yang meneliti interaksi tanah, air dan iklim, mengatakan sudah waktunya untuk beralih dari penggunaan air dan bawah permukaan di dalam daerah aliran sungai tertentu ke perubahan penggunaan lahan di luarnya. “Perjanjian hidrologi internasional baru diperlukan untuk menjaga hutan di daerah di mana massa udara terbentuk,” katanya.

Dua tahun lalu, pada pertemuan Forum PBB tentang Hutan, di mana pemerintah dari semua negara berpartisipasi, peneliti tanah dari Universitas Bern David Ellison mempresentasikan studi kasus. Dia menunjukkan bahwa hingga 40% dari total curah hujan di Dataran Tinggi Etiopia, sumber utama Sungai Nil, berasal dari kelembapan yang kembali dari hutan di Cekungan Kongo. Mesir, Sudan dan Ethiopia sedang merundingkan kesepakatan yang telah lama tertunda untuk berbagi perairan Nil. Tapi kesepakatan seperti itu tidak akan ada artinya jika deforestasi di Lembah Kongo, jauh dari tiga negara, mengeringkan sumber kelembaban, saran Ellison. “Hubungan antara hutan dan air dalam pengelolaan air tawar dunia hampir sama sekali diabaikan.”

Teori pompa biotik akan meningkatkan taruhannya lebih jauh, karena hilangnya hutan diperkirakan tidak hanya mempengaruhi sumber kelembaban, tetapi juga pola angin. Ellison memperingatkan bahwa teori tersebut, jika dikonfirmasi, akan menjadi "penting untuk model sirkulasi udara planet" - terutama yang mengangkut udara lembab ke pedalaman.

Namun sejauh ini, pendukung teori tersebut masih minoritas. Pada tahun 2010, Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre, dan Bai-Liang Li, seorang ahli ekologi di University of California, Riverside, menyerahkan deskripsi sejarah mereka tentang pompa biotik di Atmospheric Chemistry and Physics, sebuah jurnal subjek utama dengan peer review terbuka. Tapi artikel "Dari Mana Angin Berasal?" dikritik di Internet, dan majalah itu membutuhkan waktu berbulan-bulan untuk menemukan hanya dua ilmuwan untuk meninjaunya. Isaac Held, seorang ahli meteorologi di Laboratorium Dinamika Fluida Geofisika di Universitas Princeton, mengajukan diri - dan merekomendasikan agar publikasi tersebut ditolak. "Ini bukan efek misterius," katanya. "Umumnya tidak signifikan dan, terlebih lagi, sudah diperhitungkan dalam sejumlah model atmosfer." Kritikus mengatakan ekspansi udara dari panas yang dihasilkan oleh kondensasi uap air melawan efek spasial kondensasi. Tetapi Makarieva mengatakan bahwa dua efek ini terpisah secara spasial: pemanasan terjadi di ketinggian, dan penurunan tekanan kondensasi terjadi lebih dekat ke permukaan, di mana angin biotik tercipta.

Pengulas lain adalah Judith Curry, seorang fisikawan atmosfer di Institut Teknologi Georgia. Dia telah lama khawatir tentang keadaan atmosfer dan merasa bahwa artikel itu harus diterbitkan, karena "konfrontasi memiliki efek buruk pada klimatologi, dan dia membutuhkan darah dari hidungnya untuk fisikawan." Setelah tiga tahun berdebat, editor majalah tersebut menolak rekomendasi Held dan menerbitkan artikel tersebut. Tetapi pada saat yang sama, ia mencatat bahwa publikasi tersebut tidak dapat dianggap sebagai persetujuan, tetapi akan berfungsi sebagai dialog ilmiah tentang teori kontroversial - untuk mengkonfirmasi atau menyangkalnya.

Sejak itu, tidak ada konfirmasi atau sanggahan yang keluar - konfrontasi berlanjut. Simulator iklim Universitas Columbia Gavin Schmidt mengatakan, "Ini hanya omong kosong." Para penulis menanggapi kritik seperti ini: "Faktanya, karena matematika, mereka tidak yakin apakah dialog itu layak dilanjutkan." Ahli meteorologi Brasil dan kepala Pusat Nasional untuk Pemantauan dan Pencegahan Bencana Alam, Jose Marengo, mengatakan: “Saya pikir pompa itu ada, tetapi sekarang semuanya pada tingkat teori. Para ahli model iklim tidak menerimanya, tetapi Rusia adalah ahli teori terbaik di dunia, jadi eksperimen lapangan yang tepat harus dilakukan untuk menguji semuanya." Tetapi sejauh ini tidak ada seorang pun, bahkan Makarieva sendiri, yang mengusulkan eksperimen semacam itu.

Sementara itu, Makarieva mengandalkan teori, dengan alasan dalam serangkaian karya terbaru bahwa mekanisme yang sama dapat mempengaruhi siklon tropis - mereka didorong oleh panas yang dilepaskan ketika uap air mengembun di atas lautan. Di surat kabar Atmospheric Research 2017, dia dan rekan-rekannya menyarankan bahwa pompa biotik berbentuk hutan menarik udara yang kaya kelembaban dari asal topan. Ini, katanya, menjelaskan mengapa siklon jarang terbentuk di Samudra Atlantik Selatan: hutan hujan Amazon dan Kongo menguras begitu banyak kelembapan sehingga hanya sedikit yang tersisa untuk badai.

Peneliti utama badai di MIT, Kerry Emanuel, mengatakan efek yang diusulkan "signifikan, tetapi dapat diabaikan." Dia lebih suka penjelasan lain daripada tidak adanya badai di Atlantik Selatan, misalnya, perairan dingin di wilayah itu melepaskan lebih sedikit uap air ke udara, dan angin kencangnya mencegah pembentukan siklon. Makarieva, pada bagiannya, sama-sama meremehkan tradisionalis, percaya bahwa beberapa teori yang ada tentang intensitas badai "bertentangan dengan hukum termodinamika." Dia memiliki artikel lain di Journal of Atmospheric Sciences - menunggu tinjauan. “Kami khawatir, terlepas dari dukungan editor, pekerjaan kami akan ditolak lagi,” katanya.

Meskipun di Barat ide-ide Makaryeva dianggap marginal, di Rusia secara bertahap mereka berakar. Tahun lalu, pemerintah meluncurkan dialog publik tentang revisi undang-undang kehutanan. Dengan pengecualian kawasan lindung lama, hutan Rusia terbuka untuk eksploitasi komersial, tetapi pemerintah dan Badan Kehutanan Federal sedang mempertimbangkan kategori baru - hutan perlindungan iklim. “Beberapa di departemen kehutanan kami terkesan dengan ide pompa biotik dan ingin memperkenalkan kategori baru,” katanya. Ide tersebut juga didukung oleh Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia. Makarieva mengatakan bahwa menjadi bagian dari konsensus, dan bukan orang luar yang abadi, adalah hal baru dan tidak biasa.

Musim panas ini, perjalanannya ke hutan utara terganggu oleh epidemi dan karantina virus corona. Di rumahnya di Sankt Peterburg, dia duduk untuk satu putaran lagi keberatan dari pengulas anonim. Dia yakin bahwa teori pompa akan menang cepat atau lambat. “Ada kelembaman alami dalam sains,” katanya. Dengan humor Rusia yang kelam, dia mengingat kata-kata fisikawan legendaris Jerman Max Planck, yang memberikan deskripsi terkenal tentang kemajuan sains: "serangkaian pemakaman."