Az erdők és az óceánok közötti kötélhúzás
Az esőfolyosó és a szárazföldi csapadék területi eloszlásának összefüggése
Tudom: a fáknak, de nekünk nem,
Az élet tökéletessége adott, egészben.
És a Földön - a csillagok testvérén -
Mi száműzetésben élünk, míg ők otthon.
Az eső szárazföldi eredetének és emberi befolyásolásának fontos megérteni a rendszerét, hogy vissza tudjuk fordítani Magyarország kiszáradását.
Sok kérdést kaptam az olvasóktól a biotikus pumpáról, az esőfolyosóról - mi az és hogyan jött létre. Az egész 2004 szeptemberében kezdődött, amikor Victor Gorshkov és én kaptunk egy e-mailt Antonio Donato Nobre-tól, akit akkor még nem ismertünk. Antonio épp akkor olvasta a 2000-ben megjelent Springer-könyvünket, a Biotic Regulation of the Environment (A környezet biotikus szabályozása) címűt: Key Issue of Global Change című könyvét, és izgatott volt. Azt írta, hogy mivel a könyvben azt állítottuk, hogy a természetes ökoszisztémák stabilizálják a Föld környezetét és éghajlatát, feltétlenül alkalmaznunk kell a biotikus szabályozás elméletét az Amazonas esőerdőre.
Tehát ez már a kezdetektől fogva kihívásként jelentkezett. Antonio lényegében azt mondta: Ti azt állítjátok, hogy van egy szilárd elméletetek arról, hogy az élet hogyan teszi lakhatóvá a Földet, és hogyan stabilizálja ezt a lakhatóságot. Itt Brazíliában, ahol én élek, terül el az Amazonas hatalmas esőerdeje - és nem véletlenül van ott. Bizonyítsátok be, hogy az erdő szabályozza az éghajlatot, és magyarázzátok el, hogyan!
Mielőtt egy eszme formát ölt a valóságunkban, részei időnként felbukkanhatnak a nemlét óceánjának mélyéről, de aligha ismerhetők fel egyetlen egységként. Bár nem emlékszem az előzményekre, egy napon Victor kijelentette:
A szárazföld folyamatosan veszít vizet, mivel a gravitáció hatására az óceánba folyik. A Jenyiszej folyó fő folyása több ezer kilométerre van minden óceántól. Hogy a fenébe jut oda a víz? Ahhoz, hogy az erdők meghódíthassák a kontinensek belsejét, valahogyan magukkal kell vinniük a vizet.
A Jenyiszej folyó tavasszal az ÉSZ 60° körül. A Jenyiszej az Amazonas, a Kongó, az Orinoco, a Csangcsiang (Jangce), a Brahmaputra és a Mississippi után a világ hetedik legnagyobb folyója az éves vízhozam alapján. A Kongó 3,7 millió négyzetkilométeres területen folyik, évi 1300 köbkilométeres vízhozammal, míg a Jenyiszej 2,6 millió négyzetkilométeren folyik, évi 600 köbkilométeres vízhozammal. Más szóval, egységnyi vízgyűjtő területre vetítve a Jenyiszej csak 1,5-szer kevesebb vizet szállít évente, mint az egyenlítői Kongó (230 cm/év szemben 350 cm/évvel), a Daiés Trenberth (2002) adatai alapján. Victor azért említette a Jenyiszej folyót, mert sokat utazott a szibériai vadonban, többek között a mellékfolyók mentén.
Ha megnézi a 2004 előtti publikációink listáját, nem sokat talál a hidrológiáról vagy a légköri dinamikáról. Még ha a PhD-m légkörfizikából is készült, az leginkább a szénciklusra összpontosított. Victor azonban nem fáradt el emlékeztetni, hogy nem az a jó tudós, aki a legtöbbet tudja, hanem az, aki képes tanulni, és a természet törvényei alapján mindennek értelmet adni. Így hát ezzel az új ötlettel- miszerint az erdők saját csapadékukkal érkeznek a szárazföld belsejébe - nekiláttunk, hogy ellenőrizzük, hogyan függ a csapadék mennyisége az óceántól való távolságtól az erdős és az erdőtlen régiókban. A következőket találtuk:
Ezek a grafikonok a helyi csapadék arányát mutatják az Atlanti-óceán feletti átlagos csapadékhoz képest ugyanazon a szélességi fokon (a és b) és az átlagos óceáni csapadékhoz képest ugyanazon a szélességi fokon (c), amelyet LOPR-nek nevezünk. A természetes logaritmust használják, így a nulla LOPR azt jelzi, hogy a csapadék az adott ponton megegyezik az óceáni átlaggal.
Láthatjuk, hogy az olyan nagy kiterjedésű erdők felett, mint az Amazonas és a Kongó esőerdei, a csapadékmennyiség még több ezer kilométerrel beljebb sem csökken, míg az olyan erdőtlen régiókban, mint Ausztrália, jelentősen csökken. Az irány, amelyben ez a csökkenés mérhető, az uralkodó szélirányhoz igazodik.
Ha elég sokáig nézzük az a) panel animációját, észrevehetjük, hogy az Atlanti-óceán feletti csapadék ezen a szélességi fokon (3° D) a középpont közelében éri el a minimumot, a legmesszebb az Amazonas és a Kongó esőerdőitől, amelyek az óceánt nyugatról, illetve keletről szegélyezik. Az esőerdők nyernek az óceánnal vívott kötélhúzásban a nedvességért - a párolgó víz elszáll az óceántól, majd kondenzálódik, és csapadék formájában lehull az erdők felett.
Az esőerdőkhöz hasonlóan a trópusi viharok is nedvességet szívnak magukba a környezetükből, és nagy mennyiségre van szükségük az erőteljes szelek táplálásához. De ahol a biotikus pumpa működik, ott nem sok vízgőz marad a hurrikánok számára. Az Amazonas és a Kongó esőerdői között soha nem alakulnak ki trópusi viharok.
Vessünk most egy pillantást az eurázsiai erdőövezetre, a b) panel. Az alábbiakban ugyanez a grafikon látható, de a csapadékot abszolút egységekben ábrázolva:
Láthatjuk, hogy amikor az erdő télen nyugalmi állapotban van, a legtöbb csapadék az óceán fölé koncentrálódik. A kontinens felett nyugatról kelet felé csökken, követve az uralkodó légmozgást. A nyári hónapokban, amikor az erdő a legaktívabb, elvonja a nedvességet az óceán felől. Ebben az időszakban az óceán feletti csapadékmennyiség többször alacsonyabb, mint télen - a magasabb nyári hőmérséklet ellenére! Eközben a hétezer kilométernyi nyári erdőkben viszonylag magas és térben egyenletes csapadék hullik.
Ezzel szemben Ausztráliában, ahol hiányzik a természetes növénytakaró, a csapadék gyorsan csökken a szárazföld belsejében, függetlenül attól, hogy száraz vagy nedves évszakról van szó (c panel). A növényzet nélküli kontinens szó szerint el van zárva a légköri nedvességtől.
Ez nem volt mindig így. Ausztrália sokkal zöldebb és nedvesebb volt, mielőtt az első emberek betették volna a lábukat a kontinensre. Az esőfolyosó témájában megjelent első publikációnkban azt írtuk:
Ausztráliában a kontinentális méretű erdős folyómedencék körülbelül 50-100 ezer évvel ezelőtt szűntek meg, ez az időszak nagyjából egybeesik az első emberek megjelenésével. Számos közvetett bizonyíték utal arra, hogy az ember felelős az ausztrál kontinens ősi erdőirtásáért (lásd Bowman, 2002). Világos, hogy ez hogyan történhetett. A kontinens erdőirtásához elég volt egy keskeny sávban a kontinens peremén elpusztítani az erdőket. Ezt az első emberi települések a háztartási tevékenységük során vagy az ember által okozott tüzek következtében könnyen megtehették. Ezáltal a kontinens belső, háborítatlan erdős részének biotikus pumpája elszakadt az óceántól és leállt. A gyors lefolyás és a párolgás megszüntette a talaj nedvességkészletét, és a szárazföldi erdők maguktól elpusztultak, még akkor is, ha a kontinens belső részein nem voltak intenzív antropogén tevékenységek vagy tüzek. A fenti becslések szerint ennek az erdőből sivataggá válásnak a geológiai időskálán azonnal kellett volna bekövetkeznie, így nem meglepő, hogy gyakorlatilag nem maradtak fenn paleodadatok, amelyek további részleteket tudnának mondani erről az ökológiai katasztrófáról.
Mivel a mi generációnkat megtanították arra, hogy az éghajlatról alkotott elképzeléseinket numerikus éghajlati modellekkel ellenőrizzük, felmerül a kérdés: mit mondanak a modellek a növényzettel kapcsolatos nedvességszállításról? Az évek során időnként hallottam olyan híreszteléseket, hogy az egyik modellező azt mondta a másiknak, hogy a globális éghajlati modelleknek nem okoz gondot a nedvesség szállítása a kontinensek belsejébe "bármiféle biotikus pumpa nélkül".
Mivel nem vagyok klímamodellező, csak olyan nyilvánvaló ellentmondásokra tudtam rámutatni, amelyek ellentmondanak ennek az állításnak. Például az utóbbi években a kilométeres skálájú modellek kifejlesztéséig (amelyeknek szintén megvannak a maguk problémái) a globális éghajlati modellek közel felével alulbecsülték az Amazonas esőerdőbe - a Föld legerősebb biotikus pumpájába - irányuló nedvességszállítást. A közelmúltban végzett kutatások azonban felfedeztek egy kulcsfontosságú technikai részletet, amely rávilágít arra, hogy a modellek általában nem képesek megfelelően ábrázolni a növényzet szerepét a nedvességszállításban.
Ez egy nagy téma, de rövidre fogom. A modern, globális klímamodellek nem egyszerűen a hidrodinamikai egyenleteket oldják meg, ahogy azt sokan gondolhatják. Ehelyett tartalmaznak egy beépített alprogramot - lényegében egy mesterséges kiegészítő szabadságfokot -, amely saját, többé-kevésbé önkényes szabályai alapján generálja a csapadékot és a légmozgásokat. Ezt nevezzük konvektív paraméterezésnek.
A konvektív paraméterezési sémák minden egyes időlépésnél felmérik, hogy a modell adott rácscellája mennyire instabil a konvekció szempontjából. A konvektív instabilitás akkor következik be, ha a levegő hőmérséklete a magassággal túl gyorsan csökken - pontosabban, ha a levegő hőmérsékletének függőleges eltolódási sebessége meghalad egy bizonyos kritikus értéket. Ebben az esetben az emelkedő, adiabatikusan emelkedő nedves légtömeg melegebb marad, mint a környező levegő, ami lehetővé teszi számára, hogy folytassa és felgyorsítsa függőleges mozgását.
Ha egy rácscellát a rendszer instabilnak talál, egy előre meghatározott nagyságrendű konvekciót mesterségesen indítanak el, hogy a hőmérsékleti profilt a nedves adiabát felé igazítsák. Tehát a konvektív paraméterezéssel rendelkező modellekben a csapadék egy részét a rácscellán belül a konvektív paraméterezési sémák generálják, míg a többi a modell által kifejezetten felbontott nagyobb léptékű légmozgásokból adódik.
Röviden összefoglalva, ha a konvektív paraméterezést kikapcsoljuk, a teljes globális csapadékmennyiség nem változik jelentősen, de a szárazföldre - különösen az amazóniai esőerdőbe, valamint Afrikába, Indiába és máshová - irányuló nedvességszállítás jelentősen csökken, míg az óceáni csapadék viszont fokozódik. Ebben a modellezett világban az erdők veszítenek az óceánokkal vívott kötélhúzásban!
A megfigyelt csapadék (GPCP), a konvektív paraméterezéssel rendelkező globális klímamodellek (AMIP) és ugyanezek a modellek a konvektív paraméterezés kikapcsolásával (ConvOff) közötti különbségek Maher et al. 2018szerint . A modellek felbontása 2,5x2,5 fok, bár a ConvOff-típusú problémák továbbra is fennállnak és növekednek a nagy felbontású modellekben, ez egy jövőbeli bejegyzés témája.
Ez azt jelenti, hogy a jelenlegi globális éghajlati modellekben a szárazföld-óceán légköri nedvességszállítása nagyrészt nem első elvekből származik. Ehelyett empirikus paraméterezésekkel reprezentálják, amelyeket azon kritérium alapján választanak ki, hogy a modell kimenete illeszkedjen a megfigyelésekhez. Ez csökkenti a modellek képességét az éghajlati válaszok előrejelzésére, ha a külső feltételek jelentősen eltérnek azoktól, amelyekre a modelleket kalibrálták. Példaként szolgálhat a közelmúltban bekövetkezett anomális felmelegedés, amelyet a modellek nem jeleztek előre, és amely az óceánból az Amazonas és a Kongó erdeibe irányuló nedvességszállítás megszakadásával függ össze.
Összefoglalva, az Antonio kérdésére adott kezdeti válaszunk - hogyan szabályozzák az erdők az éghajlatot - annak bemutatása volt, hogy az erdők vizet szállítanak a szárazföld belsejébe.
Képzeljük el, hogy megvizsgáltuk a csapadék eloszlását erdős és nem erdős régiókban, és megállapítottuk, hogy mindkettőben a csapadék mennyisége jelentősen csökken a kontinensek belső részei felé (ahogy télen a boreális erdőövezetben is, amikor az erdő nyugalmi állapotban van). Más szóval, képzeljünk el egy olyan Földet, ahol erdők csak az egyébként száraz kontinensek part menti zónáiban találhatók (mint most például Ausztráliában). A numerikus éghajlati modellek egy ilyen erdőtlen bolygón sikeresen szimulálnák a partoktól távol eső nedvességhiányt. A gyerekeknek megtanítanák az iskolákban, hogy ez egy robusztus tulajdonság: ahogy a nedves levegő az óceántól a szárazföld belseje felé halad, nedvességet veszít a csapadék és a lefolyás miatt, így a kontinensek belseje száraz lesz - ez szilárd fizika!
Szerencsések vagyunk, hogy egy másik, még mindig élénk és csodálatos bolygón élhetünk, ahol az erdők zöld óceánként működnek a szárazföldön, megosztják a vizet a környező régiókkal, és elősegítik a biológiai termelékenységet, így lehetővé teszik a gazdag emberi életet. A következő bejegyzésekben a biotikus szivattyú fizikai mechanizmusait fogom tárgyalni, amelyek lehetővé teszik a természetes erdők számára, hogy a vízpárát a szárazföld belsejébe vezessék és a földet öntözve tartsák.
Kapcsolódó kiadványok:
Bowman, D. M. J. S. (2002). The Australian summer monsoon: a biogeographic perspective. Australian Geographical Studies, 40(3), 261-277. https://doi.org/10.1111/1467-8470.00179
Dai, A., & Trenberth, K. E. (2002). Estimates of freshwater discharge from continents: Latitudinal and seasonal variations. Journal of hydrometeorology, 3(6), 660-687. https://doi.org/10.1175/1525-7541(2002)003<0660:EOFDFC>2.0.CO;2
Hagemann, S., Chen, C., Haerter, J. O., Heinke, J., Gerten, D., & Piani, C. (2011). Impact of a statistical bias correction on the projected hydrological changes obtained from three GCMs and two hydrology models. Journal of Hydrometeorology, 12(4), 556-578. https://doi.org/10.1175/2011JHM1336.1
Lilly, D. K. (1960). On the theory of disturbances in a conditionally unstable atmosphere. Monthly Weather Review, 88(1), 1-17. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1960)088<0001:OTTODI>2.0.CO;2
Maher, P., Vallis, G. K., Sherwood, S. C., Webb, M. J., & Sansom, P. G. (2018). The impact of parameterized convection on climatological precipitation in atmospheric global climate models. Geophysical Research Letters, 45(8), 3728-3736. https://doi.org/10.1002/2017GL076826
Makarieva, A. M., & Gorshkov, V. G. (2007). Biotic pump of atmospheric moisture as driver of the hydrological cycle on land. Hydrology and Earth System Sciences, 11(2), 1013-1033. https://doi.org/10.5194/hess-11-1013-2007
Makarieva, A. M., Gorshkov, V. G., & Li, B. L. (2013). Revisiting forest impact on atmospheric water vapor transport and precipitation. Theoretical and Applied Climatology, 111, 79-96. https://doi.org/10.1007/s00704-012-0643-9
Makarieva, A. M., Gorshkov, V. G., Nefiodov, A. V., Chikunov, A. V., Sheil, D., Nobre, A. D., & Li, B. L. (2017). Fuel for cyclones: The water vapor budget of a hurricane as dependent on its movement. Atmospheric research, 193, 216-230. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2017.04.006
 |
|