Anastasia Makarieva, fisikawan nuklir dari Institut Fisika Nuklir St. Petersburg, telah membela 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, ketika 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 cemara dan pinus, berenang dengan kayak di sepanjang sungai tak berujung di wilayah tersebut, 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 koleganya dari Institut Fisika Nuklir Petersburg (PNPI), tentang bagaimana hutan boreal (taiga) Rusia, hutan terbesar di Bumi, mengatur iklim Asia utara. Teori fisika sederhana namun luas 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 raksasa di Siberia Timur; angin ini menyirami dataran utara Cina, lumbung negara terpadat di planet ini.
Karena kemampuannya menyerap karbon dioksida dan menghirup oksigen, hutan besar sering disebut paru-paru planet. Tapi Makarieva dan Gorshkov (dia meninggal tahun lalu) yakin bahwa mereka juga hatinya. “Hutan adalah sistem hujan yang kompleks dan mandiri dan merupakan faktor utama dalam sirkulasi atmosfer di Bumi,” kata Makarieva. Mereka mensirkulasi ulang 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 membuat hujan - konsisten dengan penelitian ilmuwan lain dan semakin diingat saat mengelola sumber daya air di tengah deforestasi yang merajalela. Tetapi bagian kedua, teori yang disebut Makarieva sebagai pompa biotik, jauh lebih kontroversial.
Latar belakang teoritis dari pekerjaan tersebut diterbitkan - meskipun di jurnal yang kurang dikenal - dan sekelompok kecil rekan mendukung Makarieva. Tetapi teori pompa biotik telah menerima rentetan kritik - terutama dari pemodel iklim. Beberapa percaya bahwa dampak pompa tidak signifikan, sementara yang lain menyangkal sama sekali. Akibatnya, Makarieva mendapati dirinya berperan sebagai orang luar: fisikawan teoretis di antara pengembang model, seorang Rusia di antara ilmuwan Barat, dan seorang wanita di daerah yang diperintah oleh laki-laki.
Namun, jika teorinya benar, dia akan dapat menjelaskan mengapa, meskipun jaraknya cukup jauh dari lautan, di pedalaman benua berhutan ada curah hujan sebanyak di pesisir, dan mengapa bagian dalam benua tanpa pohon, 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, seorang ahli ekologi hutan di Universitas Ilmu Hayati Norwegia. Dengan mempertanyakan nasib hutan dunia, dia berkata, "Sekalipun ada kemungkinan sekecil apapun bahwa teori ini benar, penting untuk mencari tahu secara pasti."
Banyak buku pelajaran meteorologi yang masih menyajikan diagram siklus air di alam, di mana penyebab utama kelembaban atmosfer, yang mengembun di awan dan turun sebagai hujan, adalah penguapan laut. Skema ini sama sekali mengabaikan peran vegetasi dan terutama pohon, yang bertindak seperti air mancur raksasa. Akarnya menarik 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 area dedaunan yang luas, hutan seringkali melepaskan lebih banyak kelembapan ke udara daripada perairan dengan ukuran yang sama.
Peran kelembaban sekunder ini dalam pembentukan hujan nutrisi pada dasarnya diabaikan sampai tahun 1979, ketika ahli meteorologi Brazil Eneas Salati memeriksa komposisi isotop air hujan dari Amazon. Ternyata air yang dikembalikan oleh transpirasi mengandung lebih banyak molekul dengan isotop oksigen-18 yang berat daripada air yang menguap dari laut. Jadi Salati menunjukkan bahwa setengah dari curah hujan di Amazon turun sebagai akibat penguapan hutan.
Ahli meteorologi melacak jet 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 membawanya ke selatan. Salati dan yang lainnya mengatakan bahwa merekalah yang membawa sebagian besar uap air yang dilepaskan, dan menjuluki mereka "sungai terbang". Menurut ahli iklim Antonio Nobre di Institut Penelitian Luar Angkasa Nasional Brasil, Sungai Amazon yang terbang saat ini membawa air sebanyak sungai raksasa Bumi di bawahnya.
Untuk beberapa waktu diyakini bahwa sungai terbang terbatas di lembah Amazon. Tetapi pada 1990-an, ahli hidrologi Hubert Savenije di Delft University of Technology mulai mempelajari resirkulasi kelembaban di Afrika Barat. Dengan menggunakan model hidrologi pada data cuaca, ia menemukan bahwa semakin jauh ke pedalaman dari pantai, semakin tinggi proporsi curah hujan yang turun dari hutan - hingga 90% di pedalaman. Penemuan ini menjelaskan mengapa bagian dalam Sahel 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 kelembaban. Dia mengumpulkan pengamatan curah hujan, kelembaban, kecepatan angin dan suhu dan perkiraan teoritis penguapan dan transpirasi, dan menciptakan model pertama untuk transportasi kelembaban pada skala di luar wilayah sungai.
Pada tahun 2010, Van der Ent dan rekannya mengungkapkan temuan mereka bahwa secara global, 40% dari semua curah hujan terjadi di darat, bukan di lautan. Bahkan lebih sering. Sungai Amazon yang terbang menyediakan 70% curah hujan di Cekungan Rio de la Plata, yang membentang di tenggara Amerika Selatan. Van der Ent cukup terkejut saat mengetahui bahwa China menerima 80% airnya dari barat - dan ini terutama uap air Atlantik, yang diproses oleh hutan taiga di Skandinavia dan Rusia. Perjalanan ini memiliki beberapa tahapan - 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 samudra, Samudera Pasifik, tetapi sebagian besar curah hujannya adalah kelembaban dari daratan di ujung barat."
***
Jika Makarieva benar, hutan tidak hanya menyediakan 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, institut terbesar Rusia untuk penelitian nuklir, baik sipil maupun militer. Sejak awal, mereka bekerja di lapangan dan terlibat dalam ekologi di institut, tempat para fisikawan mempelajari materi menggunakan reaktor nuklir dan berkas neutron. Sebagai ahli teori, kenangnya, mereka memiliki "kebebasan penelitian dan pemikiran yang luar biasa" - mereka terlibat dalam fisika atmosfer ke mana pun itu membawa mereka. "Victor mengajari saya: jangan takut apa pun," katanya.
Pada tahun 2007, mereka pertama kali mempresentasikan teori pompa biotik mereka di 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 naik, udara hangat menurunkan tekanan lapisan di bawahnya, yang 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 sejuk.
Makarieva dan Gorshkov berpendapat bahwa terkadang proses yang berbeda terjadi. Ketika uap air dari hutan mengembun menjadi awan, gas menjadi cair - dan volume yang dibutuhkan lebih sedikit. Ini mengurangi tekanan udara dan menarik udara secara horizontal dari area dengan kondensasi yang lebih sedikit. Dalam praktiknya, ini berarti bahwa kondensasi di atas hutan pantai memaksa angin laut, mendorong udara lembab ke pedalaman, di mana akhirnya mengembun dan jatuh sebagai hujan. Jika hutan membentang ke pedalaman, siklusnya terus berlanjut, mempertahankan kelembapan angin 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 lebih dari sepuluh tahun yang lalu, menganggapnya sebagai pengembangan dari gagasan sungai terbang. “Mereka tidak eksklusif satu sama lain,” katanya. "Pompa menjelaskan kekuatan sungai." Dia yakin pompa biotik menjelaskan "paradoks Amazon dingin". Dari Januari hingga Juni, ketika cekungan Amazon lebih dingin dari 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 fundamental."
Bahkan mereka yang meragukan teori tersebut setuju bahwa hilangnya hutan memiliki konsekuensi yang luas terhadap iklim. Banyak ilmuwan berpendapat bahwa penggundulan hutan ribuan tahun yang lalu menyebabkan penggurunan di daratan Australia dan Afrika Barat. Terdapat resiko deforestasi di masa depan akan mengakibatkan kekeringan di wilayah lain, misalnya sebagian hutan hujan Amazon akan berubah menjadi sabana. Area pertanian China, Sahel Afrika, dan pampa Argentina juga berisiko, kata Patrick Keys, ahli kimia atmosfer di Colorado State University, Fort Collins.
Pada 2018, Kees dan rekannya menggunakan model yang mirip dengan van der Ent untuk melacak sumber curah hujan untuk 29 wilayah metropolitan global. Ia menemukan bahwa sebagian besar dari 19 pasokan air di antaranya bergantung pada hutan terpencil, termasuk Karachi (Pakistan), Wuhan dan Shanghai (China), New Delhi dan Kolkata (India). “Bahkan perubahan kecil dalam curah hujan yang disebabkan oleh perubahan tata guna lahan melawan arah angin dapat berdampak besar pada kerapuhan pasokan air perkotaan,” katanya.
Beberapa model bahkan menunjukkan bahwa penggundulan hutan, dengan menghancurkan sumber kelembaban, mengancam untuk mengubah kondisi cuaca jauh di luar sungai yang mengapung. 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 pula, 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. Tidak masuk akal? “Tidak sama sekali,” jawabnya. “Kami tahu El Niño mampu melakukan ini, karena, tidak seperti deforestasi, fenomena ini berulang, dan kami mengamati polanya. Keduanya disebabkan oleh perubahan kecil pada suhu dan kelembapan yang dilepaskan ke atmosfer."
Peneliti Universitas Stockholm, Lan Wang-Erlandsson, yang sedang meneliti interaksi tanah, air, dan iklim, mengatakan inilah saatnya untuk beralih dari air dan penggunaan bawah permukaan dalam wilayah sungai tertentu ke perubahan penggunaan lahan di luarnya. “Kesepakatan hidrologi internasional yang baru dibutuhkan untuk menjaga hutan di wilayah di mana massa udara terbentuk,” katanya.
Dua tahun lalu, pada pertemuan Forum Hutan PBB, di mana pemerintah dari semua negara berpartisipasi, peneliti tanah di Universitas Bern David Ellison mempresentasikan studi kasus. Dia menunjukkan bahwa hingga 40% dari total curah hujan di Dataran Tinggi Ethiopia, sumber utama Sungai Nil, berasal dari kelembapan yang kembali dari hutan di Cekungan Kongo. Mesir, Sudan dan Ethiopia sedang merundingkan kesepakatan yang sudah lama tertunda untuk membagi perairan Nil. Tetapi kesepakatan seperti itu tidak akan berarti jika penggundulan hutan di Lembah Kongo, jauh dari ketiga negara tersebut, mengeringkan sumber kelembaban, saran Ellison. "Hubungan antara hutan dan air dalam mengelola air tawar dunia hampir sepenuhnya diabaikan."
Teori pompa biotik akan semakin menekan taruhannya, 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.
***
Tapi sejauh ini pendukung teori itu minoritas. Pada tahun 2010, Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre dan Bai-Liang Li, seorang ahli ekologi di University of California, Riverside, mempresentasikan deskripsi historis mereka tentang pompa biotik di Atmospheric Chemistry and Physics, sebuah jurnal topik peer-review peer-review utama. 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. “Ini umumnya tidak signifikan dan, terlebih lagi, sudah diperhitungkan dalam sejumlah model atmosfer. Kritikus mengatakan bahwa pemuaian udara dari panas,yang dilepaskan selama kondensasi uap air, melawan efek spasial kondensasi. Tetapi Makarieva mengatakan bahwa kedua efek ini terpisah secara spasial: pemanasan terjadi di ketinggian, dan penurunan tekanan kondensasi terjadi lebih dekat ke permukaan, tempat angin biotik tercipta.
Pengulas lainnya adalah Judith Curry, seorang fisikawan atmosfer di Institut Teknologi Georgia. Dia telah lama mengkhawatirkan keadaan atmosfer dan merasa bahwa artikel tersebut harus dipublikasikan, karena "konfrontasi berdampak 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 dia mencatat bahwa publikasi tidak dapat dianggap persetujuan, tetapi itu akan berfungsi sebagai dialog ilmiah tentang teori kontroversial - untuk mengkonfirmasi atau membantahnya.
Sejak itu, tidak ada konfirmasi atau sanggahan yang keluar - konfrontasi terus berlanjut. Simulator iklim Universitas Columbia Gavin Schmidt berkata, "Ini tidak masuk akal." Penulis menanggapi kritik seperti ini: "Sebenarnya, karena matematika, mereka tidak yakin apakah akan melanjutkan dialog." Ahli meteorologi Brasil dan kepala Pusat Nasional untuk Pencegahan dan Pemantauan Bencana Jose Marengo berkata: “Saya pikir ada pompa, tapi sekarang semuanya pada level teori. Para ahli model iklim tidak menerimanya, tetapi Rusia adalah ahli teori terbaik di dunia, jadi eksperimen lapangan yang tepat harus dilakukan untuk memeriksa semuanya. " Namun sejauh ini, tidak seorang pun, bahkan Makarieva sendiri, yang mengusulkan eksperimen semacam itu.
Sementara itu, Makarieva mengacu pada teori tersebut, dengan menyatakan dalam serangkaian karya terbaru bahwa mekanisme yang sama dapat memengaruhi siklon tropis - mereka didorong oleh panas yang dilepaskan ketika uap air mengembun di atas lautan. Dalam surat kabar Atmospheric Research 2017, dia dan rekan-rekannya menyarankan bahwa pompa biotik seperti hutan menarik udara yang kaya kelembaban dari asal siklon. Hal ini, katanya, menjelaskan mengapa siklon jarang terbentuk di Samudra Atlantik Selatan: hutan hujan Amazon dan Kongo mengeringkan begitu banyak kelembapan sehingga terlalu sedikit yang tersisa untuk badai.
Peneliti badai utama di MIT, Kerry Emanuel, mengatakan efek yang diusulkan "signifikan, tetapi dapat diabaikan." Dia lebih memilih penjelasan lain daripada tidak adanya badai di Atlantik Selatan, misalnya, perairan dingin di wilayah tersebut melepaskan lebih sedikit kelembapan ke udara, dan angin kencang mencegah pembentukan siklon. Makarieva, pada bagiannya, sama-sama meremehkan kaum 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 meskipun ada dukungan editor, pekerjaan kami akan ditolak lagi,” katanya.
Meskipun gagasan Makaryeva dianggap marjinal di Barat, gagasan itu secara bertahap berakar di Rusia. 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 lindung 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 kekal, adalah hal baru dan tidak biasa.
Musim panas ini, perjalanannya ke hutan utara terganggu oleh wabah dan karantina virus corona. Di rumahnya di St. Petersburg, dia duduk untuk menerima keberatan dari pengulas anonim. Dia yakin bahwa teori pompa cepat atau lambat akan menang. “Ada kelembaman alami dalam sains,” katanya. Dengan humor gelap Rusia, dia mengingat kata-kata fisikawan Jerman legendaris Max Planck, yang memberikan gambaran terkenal tentang kemajuan sains: "serangkaian pemakaman".
