有争议的理论认为森林不仅仅造雨--它们还造风

每年夏天，随着白天变得漫长，阿纳斯塔西娅·马卡里耶娃(Anastassia Makarieva)会离开她在圣彼得堡的实验室，前往俄罗斯北部广袤的森林度假。这位核物理学家在白海岸边的云杉和松树之间扎营，沿着该地区宽阔的河流划着皮划艇，记录自然和天气。“森林是我内心生活的重要组成部分，”她说。在她每年一度的北上朝圣的25年里，它们也成为她职业生活中很重要的一部分。

十多年来，马卡里耶娃一直在倡导一种理论，该理论是与她在彼得堡核物理研究所(PNPI)的导师兼同事维克多·戈尔什科夫(Victor Gorshkov)共同开发的，该理论关于俄罗斯的北方森林-地球上最大的树木-如何调节北亚的气候。这是一种简单的物理学，有着深远的影响，描述了树木呼出的水蒸气是如何驱动风的：穿过欧洲大陆的风，将潮湿的空气从欧洲带到西伯利亚，然后进入蒙古和中国；风带来降雨，让东西伯利亚的大河保持流动；风给中国北部平原浇水，那里是地球上人口最多的国家的粮仓。

凭借其吸收二氧化碳和呼出氧气的能力，世界上的大森林通常被称为地球的肺。但去年去世的马卡里耶娃和戈尔什科夫表示，他们也是它跳动的心脏。“森林是复杂的自我维持的造雨系统，也是地球大气循环的主要驱动力，”马卡里耶娃说。它们将大量的水分循环到空气中，在这个过程中，还会激起风，将水泵送到世界各地。这个想法的第一部分-森林造雨-起源于其他科学家，在森林砍伐猖獗的世界里，越来越受到水资源管理者的赞赏。但第二部分，马卡里耶娃称之为生物泵的理论，更具争议性。

这项工作的理论基础已经发表在不太知名的期刊上，马卡里耶娃也得到了一小群同事的支持。但生物水泵面临着批评的逆风，特别是来自气候建模人员的批评，他们中的一些人说它的影响可以忽略不计，并完全驳斥了这个想法。这场争论让马卡里耶娃成为了一个局外人：在模型师的世界里，她是一名理论物理学家；在西方科学家领导的领域里，她是一名俄罗斯人；在一个由男性主导的领域里，她是一名女性。

然而，如果这个想法是正确的，这个想法可能有助于解释为什么尽管远离海洋，但偏远的有森林的大陆的内部接收的雨水与海岸一样多-以及为什么没有森林的大陆的内部往往是干旱的。这也意味着，从俄罗斯泰加到亚马逊热带雨林的森林并不只生长在气候适宜的地方。它们也会影响天气。挪威生命科学大学的森林生态学家道格拉斯·谢尔说：“到目前为止，我所了解到的一切都表明，生物泵是正确的。”在世界森林的未来充满疑问的情况下，“即使我们认为这一理论只有很小的可能性是正确的，但了解其中的一种或另一种方式将是极其重要的。”

许多气象学教科书仍然教授水循环的漫画，海洋蒸发是大部分大气水分凝结在云中并以雨的形式降落的原因。这幅图忽略了植被的作用，特别是树木，它们的作用就像巨大的饮水机。它们的根从土壤中吸收水分进行光合作用，叶子中的微小孔隙将未使用的水分以蒸汽的形式释放到空气中。这个过程，在树上相当于出汗，被称为蒸腾作用。这样，一棵成熟的树一天可以释放数百升水。由于树叶为交换提供了充足的表面积，森林通常比同样大小的水体的蒸发量能向空气中输送更多的水分。

飞河湿空气蒸腾冷凝冷凝蒸腾。雨天游行，即所谓的飞扬的河流，是盛行的风，它吸收森林呼出的水蒸气，将雨水送到远处的流域。一种有争议的理论认为，森林本身驱动着风(见下图)。生物泵理论表明，森林不仅能造雨，还能造风。当沿海森林上空的水蒸气凝结时，它会降低大气压力，产生风，将潮湿的海洋空气吸引进来。蒸腾和凝结的循环可以形成风，将降雨带到内陆数千公里处。多亏了一条横跨西伯利亚的飞扬的河流，中国大约80%的降雨来自西部。亚马逊的飞河为南美东南部提供了70%的降雨。播种风向。

重要的是

到这个时候，气象学家正在森林上空追踪到一股大气急流，高度约为1.5公里。被称为南美低空喷气式飞机，风从东向西吹过亚马逊，速度大约和赛车一样快，然后安第斯山脉将它们转向南。萨拉蒂和其他人猜测，这架喷气式飞机携带了大部分泄漏的水分，并将其称为“飞行的河流”。巴西国家空间研究所的气候研究员安东尼奥·诺布雷(Antonio Nobre)说，亚马逊飞河现在被认为携带的水量与它下面的巨大陆河一样多。

多年来，人们认为飞扬的河流仅限于亚马逊地区。上世纪90年代，代尔夫特理工大学(Delft University Of Technology)的水文学家休伯特·萨文尼耶(Hubert Savenije)开始研究西非的水分循环。使用基于天气数据的水文模型，他发现，当人们从海岸向内陆移动时，来自森林的降雨量比例增加，内陆达到90%。这一发现有助于解释为什么在过去的半个世纪里，随着沿海森林的消失，萨赫勒内陆地区变得更加干燥。

Savenije的一名学生Ruud van der Ent进一步提出了这个想法，创建了一个空气湿气流动的全球模型。他将降雨、湿度、风速和温度的观测数据与蒸发和蒸腾的理论估计相结合，创建了第一个比河流流域规模更大的湿气流动模型。

2010年，范德恩特和他的同事们报告了该模型的结论：在全球范围内，40%的降水来自陆地，而不是海洋。通常情况下，它是更多的。亚马逊的飞河提供了里奥德拉普拉塔盆地70%的降雨量，该盆地横跨南美洲东南部。范德恩特最惊讶地发现，中国80%的水来自西方，其中大部分是由斯堪的纳维亚和俄罗斯的北方森林循环利用的大西洋湿气。这一旅程包括几个阶段-蒸腾周期，然后是顺风向雨，然后是蒸腾-需要6个月或更长时间。“这与你在高中学到的以前的知识相矛盾，”他说。中国毗邻太平洋，但它的大部分降雨是从遥远的西部陆地循环过来的湿气。

如果马卡里耶娃是正确的，森林不仅提供水分，还提供携带水分的风。

四分之一个世纪以来，她与戈尔什科夫一起在PNPI工作，最初是他的学生。PNPI是俄罗斯最重要的民用和军用核研究机构库尔恰托夫研究所(Kurchat Ov Institute)的一部分。他们从一开始就是特立独行的人，在一个到处都是物理学家的地方研究生态学，这些物理学家使用核反应堆的中子束来研究材料。她说，作为理论家，他们拥有“非凡的研究和思想自由”，无论走到哪里，他们都会追求大气物理学。“维克多教会我：什么都不要害怕，”她说。

2007年，在“水文学和地球系统科学”杂志上，他们首次概述了他们对生物泵的愿景。这从一开始就具有挑衅性，因为它与气象学的一个长期信条相矛盾：风在很大程度上是由大气的差异加热驱动的。当暖空气上升时，它降低了下面的气压，实际上在空气进入的表面创造了空间。例如，在夏天，陆地表面往往加热得更快，并从较冷的海洋吸收潮湿的微风。

马卡里耶娃和戈尔什科夫认为，第二个过程有时可能占主导地位。当森林中的水蒸气凝结成云时，气体就会变成体积较小的液体。这降低了空气压力，并从凝结较少的地区水平吸入空气。在实践中，这意味着沿海森林上空的凝结会推动海风，将潮湿的空气吸入内陆，在那里最终会凝结并以雨的形式降落。如果森林继续向内陆蔓延，这个循环就会继续下去，使湿润的风持续数千公里。

该理论颠覆了传统思维：驱动水循环的不是大气环流，而是驱动空气质量循环的水循环。

谢尔在十多年前成为这一理论的支持者，他认为这是对飞河想法的点缀。“它们并不是相互排斥的，”他说。“这个水泵解释了河流的力量。”他说，生物泵可以解释“冰冷的亚马逊悖论”。从1月到6月，当亚马逊盆地比海洋更冷的时候，强风从大西洋吹到亚马逊-如果它们是由差异加热造成的，预计会出现相反的情况。另一位早期的追随者诺布尔(Nobre)热情洋溢地说：“他们不是从数据开始的，他们是从基本原则开始的。”

即使是那些怀疑这一理论的人也同意，森林丧失可能会对气候产生深远的影响。许多科学家认为，数千年前的森林砍伐是澳大利亚内陆和西非沙漠化的罪魁祸首。令人担忧的是，未来的森林砍伐可能会使其他地区干涸，例如，亚马逊雨林的部分地区将变成稀树草原。科罗拉多州立大学柯林斯堡分校的大气化学家帕特里克·凯斯(Patrick Keys)说，中国、非洲萨赫勒和阿根廷潘帕斯的农业区也处于危险之中。

2018年，凯斯和他的同事使用了一个类似于范德恩特的模型，追踪了29个全球特大城市的降雨源。他发现，19个地区的大部分供水高度依赖遥远的森林，包括巴基斯坦的卡拉奇，中国的武汉和上海，以及印度的新德里和加尔各答。他说：“即使是迎风向土地利用变化引起的降水量的微小变化，也可能对城市供水的脆弱性产生重大影响。”

一些模型甚至表明，通过去除湿气来源，森林砍伐可能会改变河流飞行路径以外的天气模式。迈阿密大学(University Of Miami)的气候学家罗尼·阿维萨尔(Roni Avissar)对这种远程联系进行了建模，他说，就像热带太平洋洋流和风向的变化厄尔尼诺现象通过“远程联系”影响遥远地区的天气一样，亚马逊砍伐森林也会减少美国中西部的降雨量，减少内华达山脉的积雪。牵强吗？“一点也不，”他说。“我们知道厄尔尼诺现象可以做到这一点，因为与砍伐森林不同，厄尔尼诺现象会反复出现，我们可以看到这种模式。两者都是由投射到大气中的温度和湿度的微小变化造成的。“。

斯德哥尔摩大学研究土地、水和气候之间相互作用的兰王-厄兰德松(Lan Wang-Erlandsson)表示，现在是水资源管理者将重点从流域内的水和土地利用转移到流域外发生的土地利用变化的时候了。“我们需要新的国际水文协议来维护源头地区的森林，”她说。

两年前，在各国政府都参加的联合国森林论坛的一次会议上，伯尔尼大学的土地研究员大卫·埃里森(David Ellison)提出了一个恰当的例子：一项研究显示，尼罗河的主要源头埃塞俄比亚高地总降雨量的40%来自刚果盆地森林中循环的水分。埃及、苏丹和埃塞俄比亚正在就共享尼罗河水域进行谈判，这是一项拖延已久的协议。但埃里森表示，如果远离这三个国家的刚果盆地的森林砍伐导致湿气来源枯竭，这样的协议将一文不值。“在全球淡水资源的管理中，森林和水之间的相互作用几乎完全被忽视了。”

生物泵将进一步提高赌注，因为它表明森林损失不仅改变了湿润来源，还改变了风向。埃里森警告说，如果这一理论是正确的，将“对行星空气循环模式产生至关重要的影响”，特别是那些将潮湿空气带到大陆内部的理论。

这一理论的支持者可能是少数。2010年，Makarieva、Gorshkov、Sheil、Nobre和加州大学河滨分校(University of California，Riverside)的生态学家李柏莲(Bai-Lian Li)向开放同行评议的主要期刊《大气化学与物理》(The Air Chemical And Physical)提交了一份本应是对生物泵的里程碑式描述。题为“风从何而来？”这篇论文在网上遭到了铺天盖地的批评，该杂志花了几个月的时间才找到两名愿意对其进行评论的科学家。普林斯顿大学地球物理流体动力学实验室的气象学家艾萨克·赫尔德(Isaac Hold)最终自愿-并建议拒绝。“这不是一种神秘的效应，”他说。“它很小，包含在一些大气模型中。”批评人士说，水蒸气冷凝时释放的热量导致空气膨胀，抵消了冷凝创造空间的效果。但马卡里耶娃说，这两种影响在空间上是分开的，变暖效应发生在高空，凝结压降发生在更接近地表的地方，在那里产生了生物风。

另一位评论家是朱迪思·库里(Judith Curry)，他当时是佐治亚理工学院的大气物理学家，长期以来一直对气候模型核心的大气动力学感到担忧。她认为发表这篇论文很重要，并表示这种僵局“对气候科学非常不利，它非常需要核心物理学家的注入”。经过3年的辩论，该杂志的编辑否决了霍尔德的建议，并发表了这篇论文，称发表这篇论文“不是为了支持”，而是“为了促进关于这一有争议的理论的科学对话的继续，这可能会导致反证或验证。”

从那时起，既没有证实也没有反驳，但在很大程度上是一种僵局。哥伦比亚大学的气候模型师加文·施密特(Gavin Schmidt)说，“这简直是胡说八道。”两位作者对批评的回应是“实际上只是数学，没有人相信继续对话有任何意义。”巴西气象学家、国家自然灾害监测和预警中心主任何塞·马伦戈说：“我认为抽水机是存在的，但现在这只是理论上的。气候模型界还没有接受它，但俄罗斯人是世界上最好的理论家，所以我们需要适当的实地实验来检验它。“。然而，包括马卡里耶娃在内，还没有人明确提出这样的测试可能是什么样子的。

就马卡里耶娃而言，她是在这一理论的基础上发展起来的，她在最近的一系列论文中辩称，同样的机制也会影响热带气旋，热带气旋是由海洋上空水汽凝结时释放的热量驱动的。在2017年发表在《大气研究》杂志上的一篇论文中，她和她的同事们提出，陆地上森林设置的生物泵将富含水分的空气从气旋苗圃中抽走。她说，这可能解释了为什么南大西洋很少形成气旋：亚马逊和刚果热带雨林之间的雨林吸收了如此多的水分，以至于剩下的为飓风提供燃料的东西太少了。

麻省理工学院(Massachusetts Institute Of Technology)主要飓风研究员克里·伊曼纽尔(Kerry Emanuel)表示，拟议中的影响“虽然不可忽略，但非常小”。他更喜欢对没有南大西洋飓风的其他解释，比如该地区的凉爽海水给空气带来的湿气较少，以及它的强烈切变风破坏了龙卷风的形成。马卡里耶娃同样对传统论者不屑一顾，他说，一些现有的飓风强度理论“与热力学定律相冲突”。她还有另一篇关于这个主题的论文在美国大气科学杂志上接受同行评审。“我们担心，尽管有编辑的鼓励，我们的作品还是会再次遭到拒绝，”她说。

即使马卡里耶娃的想法在西方是边缘的，但它们正在俄罗斯扎根。去年，政府开始了一场公众对话，以修改其森林法。除了严格保护的地区，俄罗斯的森林对商业开发是开放的，但政府和联邦林业局正在考虑将其命名为“气候保护林”。“我们林业部门的一些代表对生物水泵印象深刻，想要引入一个新的类别，”她说。这个想法得到了俄罗斯科学院的支持。马卡里耶娃说，成为共识的一部分，而不是长期的局外人标志着一种变化。

今年夏天，冠状病毒的封锁扼杀了她一年一度的北部森林之旅。回到圣彼得堡，她已经静下心来回应匿名同行评论家对她作品的又一轮反对。她坚称泵理论最终会占上风。“科学有一种天然的惰性，”她说。她带着一种俄罗斯的黑色幽默，引用了德国传奇物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)的话，据说普朗克曾说过，科学“一次推进一个葬礼”。