Les forêts régulent le climat et produisent du vent - Théorie de la pompe biotique

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Anastasia Makarieva, physicienne nucléaire de l'Institut de physique nucléaire de Saint-Pétersbourg, défend depuis plus de dix ans la théorie selon laquelle les forêts de la taïga de Russie régulent le climat des régions du nord de l'Asie. De nombreux météorologues occidentaux ne sont pas d'accord avec elle, mais le gouvernement et les scientifiques russes s'intéressent à cette théorie.

Chaque été, alors que les jours rallongent, Anastasia Makarieva quitte son laboratoire de Saint-Pétersbourg et part en vacances dans les forêts infinies du Nord russe. Un physicien nucléaire plante une tente sur les rives de la mer Blanche, parmi les sapins et les pins, nage en kayak sur les rivières sans fin de la région et prend des notes sur la nature et la météo. « Les forêts sont une grande partie de ma vie personnelle », dit-elle. Depuis 25 ans de pèlerinage annuel dans le nord, ils sont devenus une part importante de sa vie professionnelle.

Depuis plus de dix ans, Makarieva défend la théorie, qu'elle a développée avec Viktor Gorshkov, son mentor et collègue de l'Institut de physique nucléaire de Saint-Pétersbourg (PNPI), sur la façon dont les forêts boréales (taïga) de Russie, la plus grande forêt sur Terre, régulent le climat de l'Asie du Nord. Cette théorie physique simple mais de grande envergure décrit comment la vapeur d'eau exhalée par les arbres crée des vents - ces vents traversent le continent, transportant de l'air humide d'Europe à travers la Sibérie et plus loin vers la Mongolie et la Chine; ces vents portent les pluies qui alimentent les fleuves géants de la Sibérie orientale; ces vents arrosent la plaine du nord de la Chine, le grenier du pays le plus peuplé de la planète.

En raison de sa capacité à absorber le dioxyde de carbone et à expirer de l'oxygène, les grandes forêts sont souvent appelées les poumons de la planète. Mais Makarieva et Gorshkov (il est décédé l'année dernière) sont convaincus qu'ils sont aussi son cœur. « Les forêts sont des systèmes pluviaux complexes et autonomes et un facteur majeur dans la circulation de l'atmosphère sur Terre », explique Makarieva. Ils font recirculer d'énormes quantités d'humidité dans l'air et, ce faisant, créent des vents qui pompent cette eau dans le monde entier. La première partie de cette théorie - que les forêts font pleuvoir - est cohérente avec les recherches d'autres scientifiques et est de plus en plus retenue lors de la gestion des ressources en eau dans un contexte de déforestation galopante. Mais la deuxième partie, la théorie que Makarieva appelle la pompe biotique, est beaucoup plus controversée.

Le contexte théorique du travail a été publié - bien que dans des revues moins connues - et Makarieva a été soutenue par un petit groupe de collègues. Mais la théorie de la pompe biotique a reçu une vague de critiques, en particulier de la part des modélisateurs climatiques. Certains pensent que l'impact de la pompe est insignifiant, tandis que d'autres le nient complètement. En conséquence, Makarieva s'est retrouvée dans le rôle d'une étrangère: une physicienne théoricienne parmi les développeurs de modèles, une Russe parmi les scientifiques occidentaux et une femme dans un domaine gouverné par les hommes.

Cependant, si sa théorie est correcte, elle pourra expliquer pourquoi, malgré l'éloignement considérable des océans, à l'intérieur des continents boisés il y a autant de précipitations que sur la côte, et pourquoi l'intérieur des continents sans arbres, sur la contraire, est généralement aride. Cela implique également que les forêts - de la taïga russe aux forêts tropicales amazoniennes - ne poussent pas seulement là où le temps le permet. Ils le font eux-mêmes. « D'après ce que j'ai lu, j'ai conclu que la pompe biotique fonctionne », déclare Douglas Sheil, écologiste forestier à l'Université norvégienne des sciences de la vie. Étant donné que le sort des forêts du monde est en cause, dit-il, « même s'il y a la moindre chance que cette théorie soit correcte, il est impératif de le savoir avec certitude ».

De nombreux manuels de météorologie fournissent encore un schéma du cycle de l'eau dans la nature, où la principale cause de l'humidité atmosphérique, qui se condense dans les nuages et tombe sous forme de pluie, est l'évaporation de l'océan. Ce schéma ignore complètement le rôle de la végétation et surtout des arbres, qui agissent comme des fontaines géantes. Leurs racines puisent l'eau du sol pour la photosynthèse, et les pores microscopiques des feuilles évaporent l'eau inutilisée dans l'air. Ce processus - une sorte de transpiration, uniquement chez les arbres - est appelé transpiration. Ainsi, un arbre mature libère des centaines de litres d'eau par jour. En raison de la grande superficie de feuillage, la forêt libère souvent plus d'humidité dans l'air qu'un plan d'eau de même taille.

Défilé de la pluie

Les soi-disant « rivières volantes » sont les vents dominants qui absorbent la vapeur d'eau émise par les forêts et déversent la pluie dans les plans d'eau éloignés. Une théorie controversée suggère que les forêts elles-mêmes gouvernent les vents.

Selon la théorie de la pompe biotique, les forêts provoquent non seulement la pluie, mais aussi le vent. Lorsque la vapeur d'eau se condense au-dessus des forêts côtières, la pression atmosphérique diminue et des vents se créent qui aspirent l'air marin humide. Les cycles de transpiration et de condensation créent des vents qui transportent la pluie à des milliers de kilomètres à l'intérieur des terres.

Ainsi, environ 80% des précipitations en Chine proviennent de l'ouest grâce au fleuve volant transsibérien. Et le fleuve Amazone volant fournit 70% des précipitations dans la partie sud-est de l'Amérique du Sud.

Le rôle de cette humidité secondaire dans la formation des pluies nutritives a été largement ignoré jusqu'en 1979, lorsque le météorologue brésilien Eneas Salati a examiné la composition isotopique de l'eau de pluie du bassin amazonien. Il s'est avéré que l'eau renvoyée par transpiration contient plus de molécules avec l'isotope lourd oxygène-18 que l'eau évaporée de l'océan. Ainsi, Salati a montré que la moitié des précipitations sur l'Amazonie est tombée en raison de l'évaporation de la forêt.

Les météorologues ont suivi le jet atmosphérique au-dessus de la forêt à une altitude d'environ 1,5 kilomètre. Ces vents – appelés collectivement le courant-jet inférieur d'Amérique du Sud – soufflent d'ouest en est à travers l'Amazonie à la vitesse d'un vélo de course, après quoi les montagnes des Andes les entraînent vers le sud. Salati et d'autres ont suggéré que ce sont eux qui ont transporté la majeure partie de l'humidité libérée et les ont surnommés "la rivière volante". Selon le climatologue Antonio Nope de l'Institut national brésilien de recherche spatiale, le fleuve Amazone volant transporte aujourd'hui autant d'eau que le fleuve géant de la Terre en dessous.

Pendant un certain temps, on a cru que les fleuves volants étaient limités au bassin amazonien. Mais dans les années 1990, l'hydrologue Hubert Savenije de l'Université de technologie de Deltfe a commencé à étudier la recirculation de l'humidité en Afrique de l'Ouest. À l'aide d'un modèle hydrologique sur les données météorologiques, il a découvert que plus on s'éloignait de la côte, plus la proportion de précipitations tombant des forêts était élevée - jusqu'à 90 % à l'intérieur. Cette découverte explique pourquoi le Sahel intérieur s'assèche: les forêts côtières ont disparu depuis un demi-siècle.

L'un des étudiants de Savenier, Ruud van der Ent, a développé son idée en créant un modèle global de flux d'air humide. Il a rassemblé des observations des précipitations, de l'humidité, de la vitesse et de la température du vent et des estimations théoriques de l'évaporation et de la transpiration, et a créé le premier modèle de transport de l'humidité à des échelles au-delà des bassins fluviaux.

En 2010, Van der Ent et ses collègues ont dévoilé leur conclusion selon laquelle, à l'échelle mondiale, 40 % de toutes les précipitations se produisent sur terre et non sur l'océan. Souvent même plus. Le fleuve Amazone volant fournit 70% des précipitations dans le bassin du Rio de la Plata, qui s'étend à travers le sud-est de l'Amérique du Sud. Van der Ent a été assez surpris de constater que la Chine reçoit 80% de son eau de l'ouest - de plus, il s'agit principalement d'humidité de l'Atlantique, qui est traitée par les forêts de la taïga de Scandinavie et de Russie. Le voyage comporte plusieurs étapes - cycles de transpiration avec pluie associée - et dure six mois ou plus. «Cela contredit les informations précédentes que tout le monde apprend au lycée», dit-il. "La Chine est proche de l'océan, l'océan Pacifique, mais la plupart de ses précipitations proviennent de l'humidité des terres de l'extrême ouest."

Si Makarieva a raison, les forêts fournissent non seulement de l'humidité, mais créent également le vent qui la transporte.

Elle a travaillé avec Gorshkov pendant un quart de siècle. Elle a commencé comme étudiante au PNPI, une subdivision de l'Institut Kurchatov, le plus grand institut de recherche nucléaire russe, à la fois civil et militaire. Dès le début, ils ont travaillé sur le terrain et se sont engagés dans l'écologie à l'institut, où les physiciens étudient les matériaux à l'aide de réacteurs nucléaires et de faisceaux de neutrons. En tant que théoriciens, se souvient-elle, ils avaient « une liberté de recherche et de pensée exceptionnelle », ils étaient engagés dans la physique de l'atmosphère, partout où cela les menait. « Victor m'a appris: ne craignez rien », dit-elle.

En 2007, ils ont présenté pour la première fois leur théorie de la pompe biotique dans la revue Hydrology and Earth Sciences. Elle a été considérée dès le départ comme provocatrice, car elle contredisait un principe de longue date de la météorologie: les vents sont principalement dus au réchauffement différentiel de l'atmosphère. Au fur et à mesure que l'air chaud monte, il abaisse la pression des couches inférieures, créant essentiellement un nouvel espace pour lui-même à la surface. En été, par exemple, la surface terrestre se réchauffe plus rapidement et attire les brises humides de l'océan plus frais.

Makarieva et Gorshkov soutiennent que parfois un processus différent prévaut. Lorsque la vapeur d'eau de la forêt se condense en nuages, le gaz devient liquide et prend moins de volume. Cela réduit la pression de l'air et aspire l'air horizontalement des zones avec moins de condensation. En pratique, cela signifie que la condensation au-dessus des forêts côtières crée une brise marine, poussant l'air humide à l'intérieur, où il finit par se condenser et tomber sous forme de pluie. Si les forêts s'étendent à l'intérieur des terres, le cycle se poursuit, maintenant des vents humides sur des milliers de kilomètres.

Cette théorie renverse la vision traditionnelle: ce n'est pas la circulation atmosphérique qui contrôle le cycle hydrologique, mais, au contraire, le cycle hydrologique régule la circulation de masse de l'air.

Sheel, et il est devenu un partisan de la théorie il y a plus de dix ans, considère qu'il s'agit d'un développement de l'idée de faire voler des rivières. « Ils ne s'excluent pas mutuellement », dit-il. "La pompe explique la force des rivières." Il pense que la pompe biotique explique le "paradoxe de l'Amazonie froide". De janvier à juin, lorsque le bassin amazonien est plus froid que l'océan, des vents forts soufflent de l'Atlantique vers l'Amazone - bien que la théorie du réchauffement différentiel suggère le contraire. Nobre, un autre partisan de longue date, explique avec enthousiasme: « Elles ne proviennent pas de données, mais de principes sous-jacents ».

Même ceux qui doutent de la théorie s'accordent à dire que la perte de forêts a de lourdes conséquences sur le climat. De nombreux scientifiques soutiennent que la déforestation il y a des milliers d'années a conduit à la désertification des terres australiennes intérieures et de l'Afrique de l'Ouest. Il existe un risque que la déforestation à l'avenir entraîne des sécheresses dans d'autres régions, par exemple, une partie de la forêt amazonienne se transforme en savane. Les régions agricoles de la Chine, le Sahel africain et la pampa argentine sont également en danger, explique Patrick Keys, chimiste de l'atmosphère à l'Université du Colorado à Fort Collins.

En 2018, Kees et ses collègues ont utilisé un modèle similaire à celui de van der Ent pour suivre les sources de précipitations pour 29 zones métropolitaines mondiales. Il a découvert que la plus grande partie de l'approvisionnement en eau de 19 d'entre eux dépend de forêts isolées, notamment Karachi (Pakistan), Wuhan et Shanghai (Chine), New Delhi et Kolkata (Inde).« Même de petits changements de précipitations causés par des changements d'affectation des terres sous le vent peuvent avoir un impact important sur la fragilité des approvisionnements en eau en milieu urbain », dit-il.

Certains modèles suggèrent même que la déforestation, en détruisant la source d'humidité, menace de modifier les conditions météorologiques bien au-delà des rivières flottantes. Comme vous le savez, El Niño - les fluctuations de la température du vent et des courants dans l'océan Pacifique tropical - affecte indirectement le temps dans des endroits reculés. De même, la déforestation en Amazonie pourrait réduire les précipitations dans le Midwest américain et la couverture neigeuse dans la Sierra Nevada, explique Roni Avissar, climatologue de l'Université de Miami, qui modélise de telles connexions. Farfelu? "Pas du tout", répond-il. « Nous savons qu'El Niño en est capable, car, contrairement à la déforestation, ce phénomène se répète, et nous observons une tendance. Les deux sont causés par de petits changements de température et d'humidité qui sont libérés dans l'atmosphère. »

Le chercheur de l'Université de Stockholm, Lan Wang-Erlandsson, qui étudie l'interaction entre la terre, l'eau et le climat, dit qu'il est temps de passer de l'utilisation de l'eau et du sous-sol dans un bassin hydrographique particulier à un changement d'utilisation des terres au-delà. « De nouveaux accords hydrologiques internationaux sont nécessaires pour maintenir les forêts dans les zones où se forment des masses d'air », dit-elle.

Il y a deux ans, lors d'une réunion du Forum des Nations Unies sur les forêts, à laquelle participent les gouvernements de tous les pays, le chercheur en terres de l'Université de Berne David Ellison a présenté une étude de cas. Il a démontré que jusqu'à 40 % des précipitations totales dans les hauts plateaux éthiopiens, la principale source du Nil, proviennent de l'humidité qui revient des forêts du bassin du Congo. L'Égypte, le Soudan et l'Éthiopie négocient un accord attendu depuis longtemps pour partager les eaux du Nil. Mais un tel accord n'aurait aucun sens si la déforestation dans le bassin du Congo, loin des trois pays, tarissait la source d'humidité, a suggéré Ellison. "La relation entre les forêts et l'eau dans la gestion de l'eau douce du monde est presque complètement ignorée."

La théorie de la pompe biotique augmentera encore plus les enjeux, car la perte de forêt devrait affecter non seulement les sources d'humidité, mais aussi la configuration des vents. Ellison prévient que la théorie, si elle est confirmée, sera "critique pour les modèles de circulation d'air planétaire" - en particulier ceux qui transportent de l'air humide à l'intérieur des terres.

Mais jusqu'à présent, les partisans de la théorie sont minoritaires. En 2010, Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre et Bai-Liang Li, un écologiste à l'Université de Californie à Riverside, ont soumis leur description historique de la pompe biotique dans Atmospheric Chemistry and Physics, une revue thématique majeure avec examen ouvert par les pairs. Mais l'article « D'où viennent les vents ? a été critiqué sur Internet, et il a fallu plusieurs mois au magazine pour ne trouver que deux scientifiques pour l'examiner. Isaac Held, météorologue au Laboratoire de dynamique des fluides géophysiques de l'Université de Princeton, s'est porté volontaire - et a recommandé que la publication soit refusée. "Ce n'est pas un effet mystérieux", dit-il. "Il est généralement insignifiant et, de plus, est déjà pris en compte dans un certain nombre de modèles atmosphériques." Les critiques disent que l'expansion de l'air à partir de la chaleur générée par la condensation de la vapeur d'eau contrecarre l'effet spatial de la condensation. Mais Makarieva dit que ces deux effets sont spatialement séparés: le réchauffement se produit en altitude et la baisse de la pression de condensation se produit plus près de la surface, où le vent biotique est créé.

Un autre critique était Judith Curry, physicienne de l'atmosphère au Georgia Institute of Technology. Elle s'est longtemps inquiétée de l'état de l'atmosphère et a estimé que l'article devait être publié, car "la confrontation a un effet néfaste sur la climatologie, et elle a besoin de sang de son nez pour les physiciens". Après trois ans de débat, le rédacteur en chef du magazine a rejeté la recommandation de Held et a publié l'article. Mais en même temps, il a noté que la publication ne peut pas être considérée comme une approbation, mais qu'elle servira de dialogue scientifique sur une théorie controversée - pour la confirmer ou la réfuter.

Depuis lors, aucune confirmation ou réfutation n'a été faite - la confrontation s'est poursuivie. Le simulateur climatique de l'Université de Columbia, Gavin Schmidt, a déclaré: "Ce n'est qu'un non-sens." Les auteurs répondent ainsi aux critiques: « En fait, à cause des mathématiques, ils ne sont pas sûrs que cela vaut la peine de continuer le dialogue. Le météorologue brésilien et chef du Centre national de surveillance et de prévention des catastrophes naturelles, José Marengo, déclare: « Je pense que la pompe existe, mais maintenant tout est au niveau de la théorie. Les experts en modèles climatiques ne l'ont pas accepté, mais les Russes sont les meilleurs théoriciens du monde, donc des expériences de terrain appropriées doivent être menées pour tout tester. » Mais jusqu'à présent, personne, pas même Makarieva elle-même, n'a proposé de telles expériences.

Pour sa part, Makarieva s'appuie sur la théorie, affirmant dans une série de travaux récents que le même mécanisme peut affecter les cyclones tropicaux - ils sont entraînés par la chaleur libérée lorsque l'humidité se condense au-dessus de l'océan. Dans le journal Atmospheric Research 2017, elle et ses collègues ont suggéré que les pompes biotiques en forme de forêt aspirent l'air riche en humidité des origines des cyclones. Cela, dit-elle, explique pourquoi les cyclones se forment rarement dans l'océan Atlantique Sud: les forêts tropicales humides de l'Amazonie et du Congo drainent tellement d'humidité qu'il en reste trop peu pour les ouragans.

Kerry Emanuel, chercheur en chef sur les ouragans au MIT, déclare que les effets proposés sont « importants, mais négligeables ». Il préfère d'autres explications à l'absence d'ouragans dans l'Atlantique Sud, par exemple, les eaux fraîches de la région libèrent moins d'humidité dans l'air, et ses vents forts empêchent la formation de cyclones. Makarieva, pour sa part, rejette également les traditionalistes, estimant que certaines des théories existantes sur l'intensité des ouragans « contredisent les lois de la thermodynamique ». Elle a un autre article dans le Journal of Atmospheric Sciences - en attente de révision. « Nous craignons que, malgré le soutien de l'éditeur, notre travail soit à nouveau rejeté », dit-elle.

Bien qu'en Occident les idées de Makaryeva soient considérées comme marginales, en Russie elles prennent progressivement racine. L'année dernière, le gouvernement a lancé un dialogue public sur la révision des lois forestières. À l'exception des anciennes zones protégées, les forêts russes sont ouvertes à l'exploitation commerciale, mais le gouvernement et l'Agence fédérale des forêts envisagent une nouvelle catégorie - les forêts de protection climatique. « Certains dans notre service forestier sont impressionnés par l'idée de la pompe biotique et souhaitent introduire une nouvelle catégorie », dit-elle. L'idée a également été soutenue par l'Académie des sciences de Russie. Makarieva dit que faire partie du consensus, et non être un éternel étranger, est nouveau et inhabituel.

Cet été, son voyage dans les forêts du nord a été perturbé par l'épidémie de coronavirus et la quarantaine. Chez elle à Saint-Pétersbourg, elle s'est assise pour une autre série d'objections de critiques anonymes. Elle est convaincue que la théorie de la pompe prévaudra tôt ou tard. « Il y a une inertie naturelle dans la science », dit-elle. Avec un humour russe noir, elle rappelle les mots du légendaire physicien allemand Max Planck, qui donna la célèbre description des progrès de la science: « une série d'enterrements ».