Anastasia Makarieva, eine Kernphysikerin vom St. Petersburger Institut für Kernphysik, verteidigt seit mehr als zehn Jahren die Theorie, dass die Taiga-Wälder Russlands das Klima in den nördlichen Regionen Asiens regulieren. Viele westliche Meteorologen sind mit ihr nicht einverstanden, 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 Nuklearphysiker baut ein Zelt am Ufer des Weißen Meeres zwischen Tannen und Kiefern auf, schwimmt mit einem Kajak entlang der endlosen Flüsse der Region und macht sich Notizen über Natur und Wetter. "Wälder sind ein großer Teil meines persönlichen Lebens", sagt sie. Seit 25 Jahren jährlicher Pilgerreise in den Norden sind sie zu einem wichtigen Bestandteil ihres Berufslebens geworden.
Seit mehr als zehn Jahren verteidigt Makarieva eine Theorie, die sie gemeinsam mit Viktor Gorshkov, ihrem Mentor und Kollegen vom Petersburger Institut für Kernphysik (PNPI), entwickelt hat, wie die borealen (Taiga) Wälder Russlands, des größten Waldes 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 transportieren feuchte Luft von Europa über Sibirien bis in die Mongolei und nach China. Diese Winde tragen die Regenfälle, die die riesigen Flüsse Ostsibiriens speisen. Diese Winde bewässern die nördliche Ebene Chinas, den Getreidespeicher des bevölkerungsreichsten Landes der Welt.
Aufgrund ihrer Fähigkeit, Kohlendioxid zu absorbieren und Sauerstoff auszuatmen, werden große Wälder oft als 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 tragende Regensysteme und der Hauptfaktor für die Zirkulation der Atmosphäre auf der Erde“, sagt Makarieva. Sie zirkulieren große Mengen an Feuchtigkeit in die Luft und erzeugen dabei Winde, die dieses Wasser um die Welt pumpen. Der erste Teil dieser Theorie - dass Wälder es regnen lassen - steht im Einklang mit Forschungen anderer Wissenschaftler und wird bei der Bewirtschaftung der Wasserressourcen inmitten der grassierenden Entwaldung zunehmend in Erinnerung gerufen. Der zweite Teil, die Theorie, die Makarieva als biotische Pumpe bezeichnet, ist jedoch viel kontroverser.
Der theoretische Hintergrund der Arbeit wurde veröffentlicht - wenn auch in weniger bekannten Zeitschriften - und eine kleine Gruppe von Kollegen unterstützte Makarieva. Die Theorie der biotischen Pumpe wurde jedoch kritisiert - insbesondere von Klimamodellierern. Einige glauben, dass die Wirkung der Pumpe unbedeutend ist, während andere dies insgesamt leugnen. Infolgedessen befand sich Makarieva in der Rolle eines Außenseiters: eines theoretischen Physikers unter Modellentwicklern, eines Russen unter westlichen Wissenschaftlern und einer Frau in einem von Männern regierten Gebiet.
Wenn ihre Theorie jedoch richtig ist, wird sie erklären können, warum das Innere bewaldeter Kontinente trotz der beträchtlichen Entfernung von den Ozeanen so viel Niederschlag erhält wie die Küste, und warum das Innere baumloser Kontinente im Gegensatz dazu normalerweise trocken ist. Dies bedeutet 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. „Nach 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 Lebenswissenschaften. Angesichts des Schicksals der Wälder der Welt sagt er: "Auch wenn die geringste Wahrscheinlichkeit besteht, dass diese Theorie richtig ist, ist es unerlässlich, dies mit Sicherheit herauszufinden."
Viele Lehrbücher zur Meteorologie liefern immer noch ein Diagramm des Wasserkreislaufs in der Natur, wobei die Hauptursache für Luftfeuchtigkeit, die in Wolken kondensiert und als Regen fällt, die Verdunstung des Ozeans ist. Dieses Schema ignoriert völlig die Rolle der Vegetation und insbesondere der Bäume, die wie riesige Brunnen wirken. Ihre Wurzeln ziehen Wasser aus dem Boden für die Photosynthese, und mikroskopisch kleine Poren in den Blättern verdampfen nicht verwendetes Wasser in die Luft. Dieser Prozess - eine Art Schweiß, nur bei Bäumen - wird Transpiration genannt. So setzt ein ausgewachsener Baum pro Tag Hunderte Liter Wasser frei. Aufgrund der großen Laubfläche gibt der Wald häufig mehr Feuchtigkeit an die Luft ab als ein gleich großes Gewässer.
Die Rolle dieser Sekundärfeuchtigkeit bei der Bildung von Nährstoffregen wurde bis 1979 weitgehend übersehen, als der brasilianische Meteorologe Eneas Salati die Isotopenzusammensetzung des Regenwassers aus dem Amazonas untersuchte. Es stellte sich heraus, dass das durch Transpiration zurückgegebene Wasser mehr Moleküle mit dem schweren Isotop Sauerstoff-18 enthält als aus dem Ozean verdunstetes Wasser. So zeigte Salati, dass die Hälfte des Niederschlags über dem Amazonas infolge der Waldverdunstung fiel.
Meteorologen verfolgten den atmosphärischen Jet über dem Wald in einer Höhe von etwa 1,5 Kilometern. Diese Winde - zusammenfassend als südamerikanischer unterer Jetstream bezeichnet - wehen mit der Geschwindigkeit eines Rennrads von West nach Ost über den Amazonas, woraufhin die Anden sie nach Süden tragen. Salati und andere schlugen vor, dass sie den größten Teil der freigesetzten Feuchtigkeit trugen, und nannten sie "den fliegenden Fluss". Laut dem Klimatologen Antonio Nobre vom brasilianischen Nationalen Weltraumforschungsinstitut führt der fliegende Amazonas heute so viel Wasser wie der Fluss der riesigen Erde darunter.
Eine Zeit lang glaubte man, dass die fliegenden Flüsse auf das Amazonasbecken beschränkt waren. In den 1990er Jahren begann der Hydrologe Hubert Savenije von der Technischen Universität Delft, die Feuchtigkeitsumwälzung in Westafrika zu untersuchen. Anhand eines hydrologischen Modells für Wetterdaten stellte er fest, dass der Anteil der Niederschläge aus Wäldern umso höher ist, je weiter das Landesinnere von der Küste entfernt ist - bis zu 90% im Landesinneren. Diese Entdeckung erklärt, warum die innere Sahelzone trockener wird: Die 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 schuf. Er brachte Beobachtungen von Niederschlag, Feuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Temperatur sowie theoretische Schätzungen von Verdunstung und Transpiration zusammen und erstellte das erste Modell des Feuchtigkeitstransports in Maßstäben jenseits von Flusseinzugsgebieten.
Im Jahr 2010 enthüllten Van der Ent und seine Kollegen ihre Feststellung, dass weltweit 40% aller Niederschläge an Land und nicht auf dem Meer fallen. Oft sogar noch mehr. Der fliegende Amazonas liefert 70% des Niederschlags im Rio de la Plata-Becken, das sich über den Südosten Südamerikas erstreckt. Van der Ent war ziemlich überrascht, dass China 80% seines Wassers aus dem Westen bezieht - und dies ist hauptsächlich atlantische Feuchtigkeit, die von den Taiga-Wäldern Skandinaviens und Russlands verarbeitet wird. Die Reise hat mehrere Phasen - Transpirationszyklen mit damit verbundenem Regen - und dauert sechs Monate oder länger. "Dies steht im Widerspruch zu den vorherigen Informationen, die jeder in der High School lernt", sagt er. "China liegt in der Nähe des Ozeans, des Pazifischen Ozeans, aber der größte Teil seines Niederschlags ist Feuchtigkeit vom Land im äußersten Westen."
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Wenn Makarieva Recht hat, liefern Wälder nicht nur Feuchtigkeit, sondern erzeugen auch den Wind, der sie trägt.
Sie arbeitete ein Vierteljahrhundert mit Gorshkov. Sie begann als Studentin am PNPI, einer Unterabteilung des Kurchatov-Instituts, dem größten russischen Institut für zivile und militärische Nuklearforschung. Sie waren von Anfang an vor Ort tätig und beschäftigten sich am Institut mit Ökologie, wo Physiker Materialien mit Kernreaktoren und Neutronenstrahlen untersuchen. Als Theoretiker, erinnert sie sich, hatten sie "außergewöhnliche Freiheit der Forschung und des Denkens" - sie beschäftigten sich mit der Physik der Atmosphäre, wohin sie auch führte. "Victor hat mir beigebracht: Fürchte nichts", sagt sie.
2007 präsentierten sie ihre Theorie der biotischen Pumpe erstmals in der Zeitschrift Hydrology and Earth Sciences. Es galt von Anfang an als provokativ, weil es einem langjährigen Prinzip der Meteorologie widersprach: Winde werden hauptsächlich durch unterschiedliche Erwärmung der Atmosphäre verursacht. Beim Aufsteigen senkt die warme Luft den Druck der darunter liegenden Schichten und schafft so im Wesentlichen neuen Raum für sich selbst auf 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 einem Wald zu Wolken kondensiert, wird das Gas flüssig - und nimmt weniger Volumen auf. Dies reduziert den Luftdruck und zieht Luft horizontal aus Bereichen mit weniger Kondensation. In der Praxis bedeutet dies, dass Kondensation über Küstenwäldern eine Meeresbrise erzeugt und feuchte Luft in das Innere drückt, wo sie schließlich kondensiert und als Regen fällt. Wenn sich die Wälder im Landesinneren erstrecken, geht der Zyklus weiter und hält den feuchten Wind über Tausende von Kilometern aufrecht.
Diese Theorie kippt die traditionelle Sichtweise um: Es ist nicht die atmosphärische Zirkulation, die den Wasserkreislauf steuert, sondern im Gegenteil, der Wasserkreislauf reguliert die Massenzirkulation der Luft.
Sheel, und er wurde vor mehr als zehn Jahren ein Befürworter der Theorie, betrachtet sie als eine Entwicklung der Idee, Flüsse zu fliegen. "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 als der Ozean ist, wehen starke Winde vom Atlantik zum Amazonas - obwohl die Theorie der differentiellen Erwärmung etwas anderes nahelegen würde. Nobre, ein weiterer langjähriger Unterstützer, erklärt begeistert: "Sie stammen nicht aus Daten, sondern aus Grundprinzipien."
Selbst 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 der australischen Binnenländer und Westafrikas führte. Es besteht die Gefahr, dass die Entwaldung in Zukunft zu Dürren in anderen Regionen führt. Beispielsweise wird ein Teil des Amazonas-Regenwaldes zur Savanne. Chinas Landwirtschaftsregionen, die afrikanische Sahelzone und die argentinische Pampa sind ebenfalls gefährdet, sagt Patrick Keys, Atmosphärenchemiker an der Colorado State University in Fort Collins.
Im Jahr 2018 verwendeten Kees und Kollegen ein ähnliches Modell wie van der Ent, um die Niederschlagsquellen für 29 globale Ballungsräume zu verfolgen. Er fand heraus, dass der größte Teil der Wasserversorgung von 19 von abgelegenen Wäldern abhängt, darunter Karachi (Pakistan), Wuhan und Shanghai (China), Neu-Delhi und Kolkata (Indien). „Selbst kleine Niederschlagsänderungen, die durch Landnutzungsänderungen vor dem Wind verursacht werden, können einen großen Einfluss auf die Fragilität der städtischen Wasserversorgung haben“, sagt er.
Einige Modelle deuten sogar darauf hin, dass die Entwaldung durch Zerstörung der Feuchtigkeitsquelle die Wetterbedingungen weit über die schwimmenden Flüsse hinaus zu verändern droht. Wie Sie wissen, beeinflusst El Niño - Schwankungen der Windtemperatur und der Strömungen im tropischen Pazifik - indirekt das Wetter an abgelegenen Orten. Ebenso könnte die Entwaldung im Amazonasgebiet die Niederschläge im Mittleren Westen der USA und die Schneedecke in der Sierra Nevada verringern, sagt der Klimatologe der Universität Miami, Roni Avissar, der solche Verbindungen modelliert. Weit hergeholt? "Überhaupt nicht", antwortet er. „Wir wissen, dass El Niño dazu in der Lage ist, weil sich dieses Phänomen im Gegensatz zur Entwaldung wiederholt und wir ein Muster beobachten. Beide werden durch kleine Änderungen der Temperatur und der Feuchtigkeit verursacht, die an die Atmosphäre abgegeben werden."
Der Forscher der Universität Stockholm, Lan Wang-Erlandsson, der das Zusammenspiel von Land, Wasser und Klima erforscht, sagt, es sei an der Zeit, von der Nutzung von Wasser und Untergrund innerhalb eines bestimmten Flusseinzugsgebiets auf eine darüber hinausgehende Änderung der Landnutzung umzusteigen. "Neue internationale hydrologische Abkommen sind erforderlich, um Wälder in Gebieten zu erhalten, in denen sich Luftmassen bilden", sagt sie.
Vor zwei Jahren präsentierte der Landforscher an der Universität Bern, David Ellison, auf 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, aus Feuchtigkeit stammt, die aus den Wäldern des Kongobeckens zurückkehrt. Ägypten, Sudan und Äthiopien verhandeln über ein längst überfälliges Abkommen zur Aufteilung der Nilgewässer. Ein solches Abkommen wäre jedoch bedeutungslos, wenn die Entwaldung im Kongobecken, weit entfernt von den drei Ländern, die Feuchtigkeitsquelle austrocknet, schlug Ellison vor. "Die Beziehung zwischen Wald und Wasser bei der Bewirtschaftung des Süßwassers der Welt wird fast vollständig ignoriert."
Die Theorie der biotischen Pumpe wird den Einsatz noch weiter vorantreiben, da erwartet wird, dass der Waldverlust nicht nur die Feuchtigkeitsquellen, sondern auch die Windmuster beeinflusst. Ellison warnt davor, dass die Theorie, wenn sie bestätigt wird, "kritisch für planetare Luftzirkulationsmodelle" sein wird - insbesondere für solche, die feuchte Luft ins Landesinnere transportieren.
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Bisher sind die Befürworter der Theorie jedoch in der Minderheit. Im Jahr 2010 legten Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre und Bai-Liang Li, ein Ökologe an der University of California in Riverside, ihre historische Beschreibung der biotischen Pumpe in Atmospheric Chemistry and Physics vor, einem wichtigen Fachjournal mit offenem Peer Review. Aber der Artikel "Woher kommen die Winde?" wurde im Internet kritisiert, und es dauerte viele Monate, bis das Magazin nur zwei Wissenschaftler gefunden hatte, um es zu überprüfen. Isaac Held, Meteorologe am Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der Princeton University, meldete sich freiwillig - und empfahl, die Veröffentlichung abzulehnen. "Es ist kein mysteriöser Effekt", sagt er. "Es ist im Allgemeinen unbedeutend und wird darüber hinaus bereits in einer Reihe von atmosphärischen Modellen berücksichtigt." Kritiker sagen, dass die Ausdehnung der Luft aus Wärme,die bei der Kondensation von Wasserdampf freigesetzt wird, wirkt dem räumlichen Effekt der Kondensation entgegen. Makarieva sagt jedoch, dass diese beiden Effekte räumlich getrennt sind: Erwärmung tritt in der Höhe auf, und der Abfall des Kondensationsdrucks tritt näher an der Oberfläche auf, wo biotischer Wind erzeugt wird.
Eine weitere Gutachterin war Judith Curry, Atmosphärenphysikerin am Georgia Institute of Technology. Sie hat sich lange Sorgen um den Zustand der Atmosphäre gemacht und war der Meinung, dass der Artikel veröffentlicht werden sollte, 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 die Empfehlung von Held ab und veröffentlichte den Artikel. Gleichzeitig stellte er fest, dass die Veröffentlichung nicht als Genehmigung angesehen werden kann, sondern als wissenschaftlicher Dialog über eine kontroverse 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 nur Unsinn." Die Autoren antworten auf Kritik wie diese: "Aufgrund der Mathematik sind sie sich nicht sicher, ob sie den Dialog fortsetzen sollen." Der brasilianische Meteorologe und Leiter des Nationalen Zentrums für Katastrophenschutz und -überwachung, Jose Marengo, sagt: „Ich denke, es gibt eine Pumpe, aber jetzt ist alles auf theoretischer Ebene. Experten für Klimamodelle haben dies nicht akzeptiert, aber die Russen sind die besten Theoretiker der Welt. Daher müssen geeignete Feldversuche durchgeführt werden, um alles zu überprüfen. " 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 waldähnliche biotische Pumpen feuchtigkeitsreiche Luft aus Zyklonquellen beziehen. Dies erklärt, warum sich im Südatlantik selten Wirbelstürme bilden: Die Regenwälder des Amazonas und des Kongo leiten so viel Feuchtigkeit ab, dass für Hurrikane zu wenig übrig bleibt.
Kerry Emanuel, leitender Hurrikanforscher am MIT, sagt, die vorgeschlagenen Auswirkungen seien "signifikant, aber vernachlässigbar". Er zieht andere Erklärungen der Abwesenheit von Hurrikanen im Südatlantik vor, zum Beispiel, dass das kühle Wasser der Region weniger Feuchtigkeit in die Luft abgibt und seine starken Winde die Bildung von Zyklonen verhindern. Makarieva seinerseits lehnt Traditionalisten ebenso ab und 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 - bis zur Überprüfung. "Wir sind besorgt, dass unsere Arbeit trotz der Unterstützung des Herausgebers erneut abgelehnt wird", sagt sie.
Obwohl Makaryevas Ideen im Westen als marginal angesehen werden, wurzeln sie allmählich in Russland. Im vergangenen Jahr hat die Regierung einen öffentlichen Dialog über die Überarbeitung der Forstgesetze aufgenommen. Mit Ausnahme der alten Schutzgebiete sind die russischen Wälder für die kommerzielle Nutzung offen, aber die Regierung und das Bundesforstamt erwägen eine neue Kategorie - Klimaschutzwälder. „Einige in unserer Forstabteilung sind von der Idee der biotischen Pumpe beeindruckt und möchten eine neue Kategorie einführen“, sagt sie. Die Idee wurde auch von der Russischen Akademie der Wissenschaften unterstützt. Makarieva sagt, dass es neu und ungewöhnlich ist, Teil des Konsenses zu sein und kein ewiger Außenseiter.
In diesem Sommer wurde ihre Reise in die nördlichen Wälder durch die Coronavirus-Epidemie und Quarantäne gestört. Zu Hause in St. Petersburg setzte sie sich für eine weitere Runde von Einwänden anonymer Gutachter zusammen. Sie ist überzeugt, dass die Pumpentheorie früher oder später gewinnen wird. "Es gibt natürliche Trägheit in der Wissenschaft", sagt sie. Mit dunklem russischem 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 Beerdigungen".
