Леса и климат. Переосмысление понятия “Устойчивое лесное хозяйство”
Bulat Yessekin
Арьяна: Мы изучаем науку о климате, системное мышление и практические решения. Сегодня мы говорим о лесах не только как о поглотителях углерода, но и как о двигателях планетарного круговорота.
Кэти: Сегодня у нас в гостях доктор Анастасия Макарьева, физик-теоретик из Петербургского института ядерной физики в России.
Арьяна: Она известна своей работой над теорией биотического насоса: идеей о том, что леса не просто реагируют на климат, они активно влияют на циркуляцию атмосферы и характер выпадения осадков на континентах.
Кэти: Анастасия, добро пожаловать.
Анастасия: Спасибо, Кэти. Спасибо, Арьяна. Мне приятно быть здесь.
Арьяна: Сначала мы поговорим о вашем личном пути и происхождении. По образованию вы физик-теоретик. Как вы пришли к изучению лесов и физики атмосферы?
Анастасия: Я окончила физико-механический факультет Ленинградского политехнического института, но моим факультетом был факультет биофизики. Таким образом, моя подготовка была довольно обширной. Это было не совсем обучение наукам о жизни, но оно дало мне некоторое представление о них.
Наибольшее влияние на меня оказал один из наших профессоров, Виктор Горшков. Позже я стал его сотрудником. Он читал уникальный курс по экологии человека и стабильности биосферы. Благодаря его работе и этому курсу я познакомился с системным мышлением, о котором вы уже упоминали, и с более широким взглядом на устойчивость, стабильность биосферы и то, как природные экосистемы влияют на климат и окружающую среду Земли.
Именно благодаря его наставничеству я постепенно начал изучать эти вещи. Он также работал физиком-теоретиком в нашем институте, и я присоединился к тому же теоретическому отделу. Я очень горжусь тем, что являюсь его частью. Это создает уникальную атмосферу свободных исследований. Это не означает, что мы очень хорошо финансируемся, но свобода исследований глубоко уважается.
Арьяна: Итак, вы исходили не из традиционной метеорологии. Вы начинали с физических принципов.
Анастасия: Да. Я думаю, это одна из причин, по которой мы могли бы разработать что-то по-настоящему оригинальное. То, что это оригинально, не оспаривается: не все с этим согласны, но никто не оспаривает его оригинальность. Это был другой взгляд на эти проблемы.
Арьяна: Именно так, это так здорово, когда ученые из разных слоев общества приходят и смотрят на проблему климата с разных точек зрения. Это очень полезно.
Кэти: Совершенно верно, и я бы сказала, что аналогичным образом доктор Йе Тао, основатель MEER, также начинал с изучения химии и физики, прежде чем обратиться к проблеме изменения климата. Это дало ему уникальный подход: решение трехмерной проблемы нагрева атмосферы с помощью двумерной стратегии отражения поверхности.
Анастасия: Это очень обширная тема, потому что существуют также социальные законы, которые регулируют науку как социальное предприятие. Существуют социальные силы, которые подталкивают научные сообщества к групповому мышлению. Например, когда люди голосуют за нового коллегу, если есть хотя бы небольшая тенденция принять кого-то, кто думает аналогично, система может спонтанно эволюционировать в сторону более единообразного мышления. Это не требует злого умысла или заговора; просто так могут работать социальные системы. Это одна из причин, по которой нарушения дисциплины так часто приходят извне.
Чему учит дикий лес
Кэти: Возвращаясь к вашей теме, мы читали, что вы проводили лето в лесах на севере России. Как этот опыт повлиял на ваше мышление?
Анастасия: Это было очень важной частью моего образования — образования в глубоком смысле этого слова. То, что я теперь понимаю как главное свойство природных экосистем, - это их фантастическая сложность.
В нашей городской жизни нет ничего подобного. Мы просыпаемся и видим стол, стул, знакомые предметы, созданные человеком. Но в естественном лесу существуют потоки энергии и вещества, и в них участвуют бесчисленные живые существа, генетически запрограммированные и сформированные миллионами лет эволюции. Они занимаются совершенно разными вещами. Некоторые из них синтезируют органическое вещество, в то время как другие одновременно разлагают его. Однако это не приводит к разрушению или хаосу. Это работает безотказно и сохраняет естественную красоту.
Для меня изучение природных экосистем стало возможным только потому, что я увидел это и погрузился в это экологическое действо. По-настоящему понять такую систему полностью невозможно, но можно, пусть и скромным образом, участвовать в ней, принадлежать к ней, наблюдать ее изнутри. Это сформировало во мне чувство сложности, благоговения и скромности, с которыми следует подходить к аналитическому изучению природы.
Это имеет решающее значение, поскольку мы понимаем, что естественную экосистему нельзя описать одним, двумя или даже сотней чисел. Прежде всего, нужно думать о функциях: о том, что делают эти системы и как они организованы очень сложным и насыщенным информацией образом.
И недостаточно просто пойти в соседний парк и увидеть “природу”, находящуюся под контролем человека. Нужно увидеть место, развивающееся само по себе, благодаря изначальным силам. Тогда можно увидеть взаимодействие абиотических и биотических явлений. Лично для меня это было очень важно.
Кэти: Это прекрасная связь между наблюдением и теорией, которую вы объединяете в своей работе. Я разделяю вашу страсть и любовь к этим природным лесам и благоговейный трепет, который испытываешь, находясь в глухом лесу.
Анастасия: Да. Это очень необычное чувство сопричастности и погруженности. Это дает толчок идти дальше: пытаться понять и привести в равновесие нашу собственную человеческую деятельность с этой великолепной вещью, которой является природа.
Что такое биотический насос?
Арьяна: Давайте обратимся к биотическому насосу. Для слушателей, которые не сталкивались с этим раньше, что такое теория биотического насоса?
Анастасия: Теория биотического насоса заключается в том, как леса отводят влагу вглубь страны.
За этим стоит интересная история. У нас был коллега в Амазонии, доктор Антонио Нобре, который знал о другой нашей работе, посвященной тому, как природные системы регулируют климат и окружающую среду. Мы проводили исследования, связанные с углекислым газом и стабильностью климата. По сути, он сказал: посмотрите на Амазонку — у нас такой величественный круговорот воды и такие величественные леса. Не может быть, чтобы они не были связаны между собой. Если вы изучаете биотическую регуляцию, пожалуйста, приходите и объясните, что здесь происходит.
Итак, с самого начала это был вызов от друга. Мы начали с вопроса: как лес может это делать? Жизнь появилась из океана; в какой-то момент ей пришлось уйти вглубь материка от побережья. Как это привело к дождю?
Сегодня мы можем наблюдать, что в обширных лесных регионах количество осадков не уменьшается от побережья к континентальным глубинам, как можно было бы ожидать в безлесных регионах. Если воздух проникает вглубь материка, выпадает дождями, и эта вода стекает обратно в океан в виде рек, то количество осадков внутри материка должно уменьшиться. Но в больших лесах мы видим совсем другое.
Поэтому мы подумали: существует ли физический механизм, с помощью которого леса могли бы обеспечить достаточное количество осадков, чтобы компенсировать речной сток? Этот вопрос возникает потому, что суша принципиально отличается от океана тем, что суша постоянно теряет воду: она возвышается над океаном, и под действием силы тяжести вода возвращается в океан в виде стока, и делает это очень быстро. Следовательно, чтобы оставаться влажной, суша должна получать влагу из атмосферы. Другой возможности нет. Вопрос в том, как поддерживается этот приток?
Мы предположили, что когда водяной пар конденсируется и выпадает в виде дождя, в атмосфере остается меньше газообразных веществ и давление падает. Все очень просто. По какой-то причине этому эффекту не уделялось достаточного внимания. Мы теоретически оценили его количественно и показали, что он достаточно эффективен для объяснения потенциального воздействия лесов на атмосферную циркуляцию.
Появляется лес. Во время фотосинтеза зеленый лист должен открыть свои маленькие поры, чтобы впитать молекулы углекислого газа. Пока эти поры открыты, многие молекулы водяного пара покидают лист. Атмосфера становится влажной. Влажная атмосфера обладает принципиально иными динамическими свойствами, чем сухая: в ней возможны различные процессы.
Когда лес поддерживает влажность в атмосфере, воздух может подниматься и охлаждаться; водяной пар затем конденсируется и выпадает в осадок. Эта конденсация приводит к падению давления, и воздух движется навстречу этому падению из прилегающих районов. Если прилегающая территория находится на берегу океана, а лес граничит с океаном, влажный океанический воздух устремляется к лесу и далее в глубь материка.
В этом заключается основная идея функционирования биотического насоса.
Арьяна: Это увлекательно. Итак, в качестве краткого резюме для нашей аудитории: деревья выделяют огромное количество водяного пара; этот пар конденсируется; давление падает; и влажный воздух вытягивается вглубь материка. Таким образом, вместо того, чтобы считать тепло единственной движущей силой ветра, вы утверждаете, что конденсат сам по себе может вызвать перепад давления и втянуть влажный воздух вглубь страны. Это верно?
Анастасия: Дело не в том, что тепло не играет никакой роли. Оно делает. Новым в теории биотического насоса было то, что он продемонстрировал важность механизма снижения давления, связанного с конденсацией и выпадением осадков.
Распространенная точка зрения подчеркивает разницу в нагреве: разное количество солнечной энергии поступает в разные места, и это по-разному влияет на атмосферные потоки. В этом контексте леса могут изменять то или иное, но они не оказывают существенного влияния на динамику атмосферы, поскольку их нагревательное воздействие считается относительно небольшим.
Однако, как только мы сосредоточимся на падении давления, связанном с конденсацией и осадками, появляется новый физический аргумент: леса могут иметь решающее значение для динамики атмосферы, поскольку они поддерживают влажные условия, в которых работает этот механизм.
Обезлесение и возможность резких изменений
Арьяна: Если эта теория верна, что это меняет в том, как мы должны относиться к обезлесению?
Анастасия: Биотический насос является частью более широкой концепции, показывающей, какое значение имеют леса для стабильности климата. Прежде всего, если мы уничтожим леса, мы существенно подорвем стабильность круговорота воды на земле. Это трагическая перспектива в то время, когда все больше и больше людей испытывают нехватку воды.
Мы считаем, что в истории человечества уже произошло крупное событие: крупное опустынивание, вызванное разрушением биотического насоса. Это произошло в Австралии, которая раньше была зеленой.
Австралия, конечно, не была континентом с тропическими лесами, как экваториальная Амазония. Ее географическое положение отличается: большая ее часть расположена в регионе, где преобладает сухой воздух. Тем не менее, несколько десятков тысяч лет назад Австралия была гораздо более зеленой. Например, останки древесных кенгуру, которые сегодня встречаются только во влажных тропических лесах ближе к экватору, сохранились в гораздо более обширных районах континента. В настоящее время ученые находят их останки по всей Австралии.
Но когда первые люди появились на континенте примерно 40 000 лет назад, примерно в то же время произошел резкий переход к засушливым условиям. Это не было вызвано какими-либо крупномасштабными климатическими изменениями, которые были бы зарегистрированы. Таким образом, это оставалось практически необъяснимым.
С точки зрения биотического насоса, если эти люди использовали огонь для охоты, как мы знаем, и если они сжигали леса вдоль побережья, где они первоначально поселились, это могло бы лишить оставшийся древесный покров — то есть оставшийся биотический насос внутреннего континента — доступа к океанической влаге. Тогда в геофизическом масштабе времени засуха могла наступить почти мгновенно.
Этот предполагаемый механизм менее вероятен непосредственно на экваторе, где осадкам сильно способствуют геофизические условия и наличие теплого океана. Но там, где фоновые геофизические условия менее благоприятны, такой поворот может произойти в случае уничтожения растительности. Мы не знаем точно, где проходит эта граница и какой уровень возмущений может пересечь этот порог.
Экосистема не обязательно деградирует линейно. Как регуляторная система, когда ее нарушают, она сначала пытается компенсировать это. Таким образом, можно наблюдать, что нарушения усиливаются, хотя внешне изменения незначительны. Но внутренне сопротивление, необходимое для поддержания гомеостаза, возрастает. Система борется все сильнее и сильнее, а затем, в определенный момент, она может выйти из строя.
Это особенно актуально для круговорота воды, поскольку круговорот воды включает в себя множество положительных обратных связей, которые могут протекать бесконтрольно, когда теряется биотический контроль. Леса создают динамическое равновесие, благоприятное для нашего существования. Именно так мы должны относиться к ним. Они не просто стоят на месте. Они работают. Они функциональны. Уничтожая их, мы разрушаем функцию, которая делает нашу планету пригодной для жизни.
Арьяна: Это очень убедительно сказано. Предыдущий гость из Бразилии говорил о правах коренных народов и о том, что леса и деревья являются их защитниками. Это перекликается с тем, что вы говорите о лесах как работниках и защитниках.
Анастасия: Я думаю, что есть много истинных знаний, которые люди могут почерпнуть, живя в непосредственном контакте с экосистемой.
Но также важно, что леса важны не только для местного круговорота воды: леса Амазонки важны не только для Бразилии, а бореальные леса - не только для Евразии. Поскольку эти леса очень велики и от них зависит циркуляция атмосферы, они могут оказывать важное глобальное воздействие.
Это воздействие недостаточно изучено или учтено в глобальных климатических моделях. Климатические модели были разработаны главным образом для того, чтобы описать, как климат реагирует на увеличение содержания углекислого газа, и они вполне справляются с этой задачей: не существует моделей, предсказывающих похолодание из-за увеличения содержания углекислого газа; они надежно предсказывают потепление, хотя и с разной величиной.
Но если посмотреть на то, что модели предсказывают в отношении обезлесения в связи с круговоротом воды, то не существует четкой реакции и четких ограничений — нет четкого представления о том, какой она должна быть. Одни предсказывают сокращение стока рек, другие - увеличение стока рек, и масштабы реакции сильно различаются. Таким образом, в настоящее время они не дают никаких указаний относительно климатической значимости лесов.
Именно поэтому мы считаем, что существует достаточно возможностей для нового понимания и пересмотра наших представлений о важности лесов.
Уязвимы ли амазонские и бореальные леса?
Арьяна: Насколько, на ваш взгляд, сейчас уязвимы амазонские и бореальные леса?
Анастасия: Я могу говорить о бореальных лесах, обладая более глубокими знаниями, хотя, на мой взгляд, то же самое относится и к Амазонии. Я считаю, что нетронутые леса, если их не вырубать и не сжигать, имеют очень высокие шансы противостоять климатическим изменениям, которым они подвергаются в настоящее время. Для многих лесных видов изменение на несколько градусов находится в пределах естественных условий, которые они могут испытывать. Конечно, есть экосистемы, которые гораздо более уязвимы, например коралловые рифы; я говорю здесь конкретно о лесах.
Серьезная проблема заключается в том, что происходит, когда мы вырубаем лес. Мы сильно нарушаем круговорот воды и местный режим увлажнения. Мы раскрываем полог. Здесь больше ветра и, следовательно, больше неконтролируемого испарения, чем транспирации. Транспирация - это процесс, контролируемый деревом; испарение с открытой, потревоженной поверхности таким образом не контролируется. Когда крона деревьев открыта, влага может быстро теряться. Лес высыхает, а когда он становится сухим, он становится восприимчивым к жукам-короедам и другим вредителям. Деревья умирают; мертвые и ослабленные леса горят. Из-за вмешательства человека может начаться целая цепь катастроф.
К сожалению, идея “устойчивого ведения лесного хозяйства”, зародившаяся примерно сто или двести лет назад, основана на пренебрежении климатическими функциями лесов. Устойчивое развитие стало означать: мы можем вырубать столько древесины, сколько растет лес.
Но представьте себе естественный лес без людей. Он не “вырастает заново” в экономическом смысле этого слова. Как и биосфера в целом, он существует в стабильном равновесии. Каждое погибающее дерево дает жизнь огромному количеству живых существ, каждое из которых что-то делает в экосистеме. Рассмотрим, например, образование биологических аэрозолей, которые участвуют в образовании облаков, — процесс, в котором участвуют бактерии и грибы.
В естественном лесу ежегодный прирост, используемый в качестве показателя лесоводства, близок к нулю, потому что лес - это не сельскохозяйственная культура, а стабильная живая система. Когда мы его вырубаем, он начинает отрастать заново, и тогда у него появляется ежегодный прирост. Устойчивое лесоводство приводит лес к такому состоянию, при котором этот прирост достигает максимума, и продолжает получать максимум того, что он производит.
Это похоже на то, как если бы мы взяли человека и эксплуатировали его или ее таким образом, чтобы получить максимально возможную отдачу от работы, не оставляя ни свободного времени, ни отдыха, ни ресурсов для восстановления сил. Именно это мы делаем с европейскими лесами на протяжении двух или трех столетий. Лесные деревья могут жить два, три или четыре столетия. Таким образом, на протяжении всего срока службы леса мы не давали этим лесам ни минуты передышки. Мы постоянно эксплуатировали их и назвали это устойчивым процессом.
Что происходит с человеком, которого эксплуатируют подобным образом в течение всей жизни? Конечно, он или она ломаются. Именно это происходит сейчас с европейскими лесами: они разрушаются. Изменение климата является пусковым механизмом, но даже без изменения климата такая чрезмерная эксплуатация не может продолжаться бесконечно.
Сейчас, когда леса находятся в бедственном положении из-за изменения климата, мы должны использовать их меньше, а не больше. Они не могут просто давать нам гранулы, чтобы стать нашими “возобновляемыми источниками энергии”. Если мы будем продолжать в том же духе, мы потеряем их навсегда. Что нам следует сделать, так это уйти из лесов и дать им возможность хотя бы на сто лет — что по лесным меркам очень мало — побыть наедине с собой.
Кэти: Это мощная метафора и отрезвляющая картина.
Анастасия: Да. Это все равно что сказать: мы обеспечиваем этого человека достаточным количеством пищи, поэтому калорийность достаточна; почему же тогда он или она заболели? У каждой сложной системы должны быть ресурсы для внутренней устойчивости. Мы лишаем леса этих ресурсов.
Оглядываясь назад, я понимаю, что наш разговор немного отклонился от темы. Мы обсуждали необходимость дать лесам время для себя, но в то же время они работают над тем, чтобы сохранить мир пригодным для жизни. Но мы не придаем должного значения этой работе. — AM
Как можно протестировать биотический насос?
Арьяна: Что нужно сделать, чтобы должным образом проверить гипотезу о биотическом насосе?
Анастасия: Мы постоянно думаем об этом. Мы не можем уничтожить целый лес просто для того, чтобы посмотреть, что произойдет. К счастью, леса Амазонки по-прежнему устойчивы и функциональны. Даже если мы наблюдаем снижение притока влаги в засушливый сезон, что указывает на то, что система, возможно, уже находится на грани истощения, это снижение все равно компенсируется в сезон дождей. Мы видим, как лес пытается восстановить равновесие.
Леса чрезвычайно сложны. Поэтому нам нужны косвенные способы продемонстрировать правильность физического механизма: сначала установить физику, а затем с большей уверенностью применить это понимание к лесам.
Вот почему мы изучали тропические циклоны. Тропические циклоны - это удивительное явление, в центре которого происходит интенсивная конденсация и выпадение осадков. В отличие от лесов Амазонки, которые здесь только одни, тропических циклонов много, поэтому у нас есть статистика. Мы можем измерить их и выяснить, вызывает ли конденсация заданной интенсивности градиенты давления той величины, которая предсказывается нашей теорией. Именно этим мы и занимались, и пришли к хорошему согласию.
Другой возможностью является изучение общей циркуляции атмосферы — ячеек большой циркуляции, таких как ячейки Хэдли, — и выяснение того, могут ли наблюдаемые глобальные осадки вызывать наблюдаемые ветры в соответствии с предложенной физикой. Это также дает хорошее согласие. Мы продвигаемся шаг за шагом, пытаясь показать научному сообществу, что это обоснованное предположение.
Кэти: Вы также предположили, что леса могут влиять на формирование циклонов. Как это может сработать?
Анастасия: Это еще предстоит изучить более подробно. Основная идея заключается в том, что источником энергии для тропических циклонов является атмосферный водяной пар. Представьте себе огромный лес, который притягивает атмосферную влагу к суше. Если происходит постоянный отток влаги из прилегающего океана в сторону континента, тропические циклоны могут иметь меньше водяного пара для своего развития.
Это была одна из идей, которая пришла нам в голову на ранних этапах разработки концепции [см. Макарьева и Горшков 2010 и Макарьева и Горшков 2013]. Если посмотреть на следы тропических циклонов, то можно заметить, что Атлантический океан между Конго и лесами Амазонки практически свободен от тропических циклонов. Там нет обычных следов тропических циклонов. Если посмотреть на то, как ежегодно меняется количество осадков в двух лесах, то также наблюдается определенное чередование: в одно время в лесах Конго выпадает больше осадков, в другое время в лесах Амазонки - больше, но всегда кажется, что для развития циклонов остается немного.
[см. также Шейл Д. (2026) Как леса могут снизить частоту разрушительных тропических циклонов, ураганов и тайфунов. Леса, 17(3), 359; https://doi.org/10.3390/f17030359 — AM]
Конечно, это апостериорное объяснение. Это еще не является неопровержимой демонстрацией. Предлагаются и другие объяснения — например, что между двумя континентами просто недостаточно пространства для развития циклонов. Но, по крайней мере, одно такое событие произошло в Южной Атлантике — ураган "Катарина" в марте 2004 года, что указывает на возможность формирования тропических циклонов.
Арьяна: Даже в качестве гипотезы это позволяет по-новому взглянуть на леса: как на возможные стабилизаторы глобальных атмосферных систем.
Анастасия: Да. И этот аргумент распространяется еще дальше. Сегодня в климатологии активно обсуждается вопрос о возможных катастрофических изменениях в циркуляции океана: могут ли важные океанические потоки ослабнуть или разрушиться, что приведет к радикальным климатическим изменениям. Если атмосферная циркуляция в значительной степени зависит от лесов, то разрушение такой крупной лесной системы, как Амазонка, может также иметь последствия для циркуляции океанов. Это еще одна причина признать, что эти системы взаимосвязаны.
Леса и вертикальный перенос тепла
Анастасия: Есть еще один связанный с этим аспект, который мы изучаем: роль лесов в вертикальной передаче тепла.
При образовании лесов энергия, которая в противном случае нагревала бы поверхность, используется для испарения воды. Когда пар конденсируется в воздухе, там выделяется скрытое тепло. Если воздух остается в воздухе достаточно долго, часть этой энергии может излучаться в космос с более высокого уровня, чем если бы она была поглощена и преобразована в тепловое излучение вблизи поверхности.
Важным моментом является то, что этот эффект зависит от циркуляции. Если циркуляция на большие расстояния заменяется малой циркуляцией, при которой воздух быстро опускается, охлаждающий эффект может ослабнуть, поскольку воздух, нагретый за счет скрытого тепла, возвращается к поверхности.
Однако, если воздух остается в воздухе достаточно долго, чтобы энергия могла рассеяться, возникает эффект охлаждения. Это не мгновенный процесс: атмосфера может излучать только определенное количество энергии в единицу времени. Биотический насос обеспечивает циркуляцию воздуха на большие расстояния, при этом воздух перемещается на тысячи километров в нижних слоях атмосферы и на тысячи километров возвращается обратно в атмосферу. Такая циркуляция позволяет сохранять воздух нагретым за счет скрытого тепла в верхних слоях атмосферы в течение длительного времени. Если мы нарушим его и заменим множеством схем малой циркуляции, при которых воздух быстро опускается, уже одно это согреет Землю.
Это радикальное предположение, но мы его опубликовали, и его можно изучить. Я считаю, что нам нужно открыть свое сознание, чтобы понять, какое значение имеют леса. Они имеют огромное значение.
Критика, инерция и научные изменения
Кэти: Вы упомянули, что ваши идеи в области науки о климате и атмосфере в некоторой степени противоречивы. Научные революции часто требуют времени, особенно когда они бросают вызов основополагающим предположениям. Как вам удается избегать критики?
Анастасия: Я думаю, что критика - это очень хорошая вещь. Критика меня не обескураживает. В первые годы я был немного удивлен, что развитие не шло быстрее, но теперь, имея больше опыта и узнав больше об атмосферных науках, я понимаю, что наука может развиваться очень медленно.
Вот пример, который лично произвел на меня впечатление. Более ста лет назад Маргулес поставил проблему о том, как потенциальная энергия атмосферы может быть преобразована в движение. Лишь десятилетия спустя Лоренц сформулировал доступную потенциальную энергию в форме, которая стала центральной в современной атмосферной энергетике.
Основная проблема не обязательно заключается в критике. Все в научном сообществе уже занимаются своей работой, и часто нет особого стимула менять направление. Жизнь ученого сложна: ему нужны гранты, публикации и место в сообществе. Отчасти это объясняется социологией, а отчасти естественной инерцией научного развития.
Критика сама по себе позитивна, потому что она означает, что человека замечают. Люди делают все возможное, чтобы показать, что кто-то не прав. Даже если критик уходит, убежденный в своей неправоте, человек остается при своих аргументах. Можно рассмотреть их, убедиться в своей правоте, усилить аргументацию и прийти к лучшему пониманию.
Главный враг - не критика, а несуществование, когда к совокупности знаний относятся так, как будто ее там нет. Это подрывает суть научного процесса.
Например, существуют конкурирующие теории формирования тропических циклонов. Мы опубликовали критический анализ одной из основных теорий в одном из центральных журналов по метеорологической литературе - Journal of the Atmospheric Sciences. Анонимные рецензенты были удивлены его последствиями, однако после публикации более широкое сообщество по большей части хранило молчание. Зачастую легче выступать против мейнстрима, когда ты не принадлежишь к этому сообществу, чем изнутри него.
Это прискорбно. Но наука сама по себе настолько увлекательна, что заставляет нас двигаться вперед.
Что заставляет человека работать?
Арьяна: После многих лет споров и настойчивости, что поддерживает вашу мотивацию?
Анастасия: Меня мотивируют две вещи.
Во—первых, я надеюсь — и, возможно, для этой надежды есть основания, - что общество может достичь нового уровня понимания самого себя, на котором эти знания могут способствовать формированию нового отношения и новой этики, если мы переживем нынешнее затруднительное положение. Вместе со многими другими людьми мы вносим свой небольшой вклад в построение этого возможного будущего и в защиту красоты, которая все еще здесь.
Вторая причина более индивидуальна: наука сама по себе настолько увлекательна, что я не хотела бы заниматься ничем другим. Даже когда трудно двигаться вперед, это то, что заставляет нас двигаться вперед.
Арджана: Это увлекательно и в то же время важно. Выполняя эту работу, мы можем почувствовать, что помогаем строить будущее.
Анастасия: Да. Многие из нас разделяют мнение, что это может быть полезно для будущего, что мы можем внести свой скромный вклад в его построение. Происходит так много негативных вещей. Нам не на что полагаться, кроме как на свой интеллект: нам нужно понимать, что происходит, и меняться.
Кэти: Анастасия, большое вам спасибо за то, что вы проявили свой энтузиазм и помогли осветить жизненно важную роль, которую леса играют в климатической системе. Мы желаем вам успехов в ваших дальнейших исследованиях и пропаганде и надеемся услышать от вас последние новости.
Анастасия: Большое вам спасибо. Желаю вам также удачи в вашей важной работе.
They Are Working: Forests, Rainfall, and Rethinking “Sustainable Forestry”
An edited MEER Podcast conversation on the biotic pump, intact forest resilience, the climatic work of natural ecosystems, and the pace of scientific change
READ IN APP Recently I had the pleasure of speaking with Arjana Ejupi and Kathy Posey for the MEER Podcast about forests, atmospheric circulation, and the biotic pump.
The original conversation can be watched here:
The text below has been edited for readability. This is my last scheduled post while I am away in the wilderness. As you read it, I am still offline, thinking that today my post should appear — if the civilization from which we have temporarily escaped is still functioning. So I have decorated our conversation with views of the Siberian wilderness in June.
Coming to forests from theoretical physics
Kathy: From MEER, Mirrors for Earth’s Energy Rebalancing. This is the MEER podcast.
Arjana: We explore climate science, systems thinking, and real-world solutions. Today we are talking about forests not just as carbon sinks, but as engines of planetary circulation.
Kathy: Our guest today is Dr. Anastassia Makarieva, a theoretical physicist from the Petersburg Nuclear Physics Institute in Russia.
Arjana: She is known for her work on the biotic pump theory: the idea that forests do not just respond to climate, they actively influence atmospheric circulation and rainfall patterns across continents.
Kathy: Anastassia, welcome.
Anastassia: Thank you, Kathy. Thank you, Arjana. It is my pleasure to be here.
Arjana: We’ll first get into your personal journey and origins. You are a theoretical physicist by training. How did you end up studying forests and atmospheric physics?
Anastassia: I graduated from the Faculty of Physics and Mechanics of the Leningrad Polytechnic Institute, but my department was the Department of Biophysics. Thus, my training was quite broad. It was not exactly training in the life sciences, but it gave me some glimpses into them.
The most important influence was one of our professors, Victor Gorshkov. I later became his collaborator. He taught a unique course on human ecology and biosphere stability. Through his work and through this course, I became acquainted with systems thinking, which you’ve already mentioned, and with a broader view of sustainability, biosphere stability, and how natural ecosystems matter for the Earth’s climate and environment.
It was due to his mentorship that I gradually came to study these things. He also worked as a theoretical physicist at our institute, and I joined the same theoretical department. I am very proud to be part of it. It provides a unique atmosphere of free research. This does not mean that we are very well financed, but research freedom is deeply respected.
Arjana: So you were not coming from traditional meteorology. You were beginning from physical principles.
Anastassia: Yes. I think this is one reason why we could develop something truly original. That it is original is not disputed: not everybody agrees with it, but nobody disputes its originality. It was a different perspective on these problems.
Arjana: Exactly, it’s so great when scientists from different backgrounds come and look at the climate problem from different perspectives. It is very helpful.
Kathy: Exactly, and I would say that, in a similar way, Dr. Ye Tao, the founder of MEER, also began with a chemistry and physics background before turning to the climate change challenge. This gave him a unique approach: tackling the three-dimensional problem of a heating atmosphere with a two-dimensional strategy of surface reflection.
Anastassia: This is a very large topic, because there are also social laws that govern science as a social enterprise. There are social forces that tend to push scientific communities toward groupthink. For example, when people vote to choose a new colleague, if there is even a small tendency to accept someone who thinks similarly, the system can spontaneously evolve toward more uniform thinking. This does not require bad intent or conspiracy; it is simply how social systems may work. That is one reason why disruptions so often come into a discipline from outside.
What a wild forest teaches
Kathy: Moving back to your area of focus, we have read that you spent summers in the northern Russian forest. How did those experiences shape your thinking?
Anastassia: This was a very important part of my education — education in the deep meaning of that word. What I now understand as the principal property of natural ecosystems is their fantastic complexity.
We do not have anything comparable in our urban life. We wake up and see a table, a chair, familiar human-made objects. But in a natural forest there are flows of energy and matter, and innumerable living creatures participating in them, genetically programmed and shaped by millions of years of evolution. They are doing very different things. Some are synthesizing organic matter, while others are decomposing it at the same time. Yet this does not produce havoc or chaos. It works smoothly and maintains natural beauty.
For me, studying natural ecosystems only became possible because I had seen this and had been immersed in this ecological action. One cannot really understand such a system in full; but one can, in a modest way, participate in it, belong to it, observe it from within. It formed in me a sense of complexity, and a sense of awe and modesty with which one should approach the analytical study of nature.
This is crucial, because one understands that a natural ecosystem cannot be described by one or two, or even one hundred, numbers. One has to think first of all about function: what these systems are doing and how they are organized in a highly complex, information-rich way.
And it is not enough to go to a neighboring park and see “nature” that is under human control. One needs to encounter a place developing by itself, through primordial forces. Then one sees the interplay of abiotic and biotic phenomena. For me personally, this was very important.
Kathy: That is a beautiful connection between observation and theory that you bring together in your work. I do share your passion and love for those natural forests, and the awe that one feels when one is in a remote forest.
Anastassia: Yes. It is a very unusual feeling of belonging and immersion. It gives one an impetus to go further: to try to understand, and to bring our own human enterprise into balance with this magnificent thing that is nature.
What is the biotic pump?
Arjana: Let us turn to the biotic pump. For listeners who have not encountered it before, what is the biotic pump theory?
Anastassia: The biotic pump theory is about how forests draw moisture inland.
There is an interesting story behind it. We had a colleague in the Amazon, Dr. Antonio Nobre, who knew about our other work on how natural systems regulate climate and the environment. We had been doing research related to carbon dioxide and climate stability. He said, in effect: look at the Amazon — we have this majestic water cycle and this majestic forest. It cannot be that they are unrelated. If you are studying biotic regulation, please come and explain what is going on here.
So from the very beginning it was a challenge from a friend. We began by asking: how can a forest do this? Life emerged from the ocean; at some point it had to march inland from the coast. How did it bring rain with it?
Today we can observe that, in the great forested regions, precipitation does not decline from the coast toward the continental interior in the way one would expect over non-forested regions. If air goes inland, rains out, and this water drains back to the ocean as rivers, then rainfall should diminish inland. But in the large forests this is not what we see.
So we thought: is there a physical mechanism by which forests could arrange to have enough rain to compensate for river runoff? This question arises because land differs fundamentally from ocean in that land is continuously losing water: it is elevated above the ocean, and due to gravity water returns to the ocean as runoff, and does so very rapidly. Therefore, to remain wet, land must receive an atmospheric inflow of moisture. There is no other possibility. The question is: how is this inflow maintained?
What we proposed is that, when water vapor condenses and falls out as rain, there is less gaseous matter in the atmosphere and pressure drops. It is as simple as that. For some reason, this effect had not received sufficient attention. We quantified it theoretically and showed that it is powerful enough to explain a potential forest impact on atmospheric circulation.
A forest transpires. During photosynthesis, a green leaf must open its small pores to take in carbon dioxide molecules. While these pores are open, many water vapor molecules leave the leaf. The atmosphere becomes moist. A moist atmosphere has fundamentally different dynamic properties from a dry one: different processes become possible.
When a forest keeps the atmosphere moist, the air can rise and cool; water vapor then condenses and precipitates. This condensation produces a pressure drop, and air moves toward that pressure drop from adjacent areas. If the adjacent area is the ocean, and the forest borders the ocean, moist oceanic air flows toward the forest and further into the continental interior.
That is the main idea of how the biotic pump functions.
Arjana: That is fascinating. So, as a brief summary for our audience: trees transpire vast amounts of water vapor; this vapor condenses; pressure drops; and moist air is pulled inland. So, rather than heat being the only driver of wind, your argument is that condensation itself can generate a pressure drop and draw moist air inland. Is that correct?
Anastassia: It is not that heat has no role. It does. What was new in the biotic pump theory was demonstrating that the pressure-drop mechanism associated with condensation and precipitation is significant.
Previously, this had not been shown, and because of that it was, and still is, assumed that forests cannot influence atmospheric dynamics in this way.
The mainstream view emphasizes differential heating: different amounts of solar energy arrive at different places, and this drives atmospheric currents in various ways. In that framework, forests can change this or that, but they do not crucially alter atmospheric dynamics, because their heating effects are considered relatively small.
Once we focus on the pressure drop related to condensation and precipitation, however, a new physical argument appears: forests can be crucial for atmospheric dynamics because they maintain the moist conditions in which this mechanism operates.
Deforestation and the possibility of abrupt change
Arjana: If this theory is correct, what does it change about how we should think about deforestation?
Anastassia: The biotic pump is part of a larger framework showing how forests matter for climate stability. First of all, if we destroy forests, we significantly undermine the stability of the terrestrial water cycle. This is a tragic prospect at a time when more and more people experience water shortage.
We believe that there has already been a major event in human history: a major desertification event caused by the destruction of the biotic pump. It occurred in Australia, which used to be green.
Australia was not, of course, a rainforest continent like equatorial Amazonia. Its geographical position is different: much of it is situated in a region where dry air tends to descend. Nevertheless, several tens of thousands of years ago Australia was much greener. For example, species of tree kangaroos that today occur only in moist tropical forests closer to the equator have left remains over much larger regions of the continent. Scientists now find their remains throughout Australia.
But when the first people came to the continent, approximately 40,000 years ago, there was, at approximately the same time, an abrupt shift to arid conditions. It was not caused by any large-scale climatic perturbation that would have been registered. Thus, it remained practically unexplained.
From the biotic pump viewpoint, if these people used fire for hunting, as we know they did, and if they burned forests along the coast where they originally settled, this could have cut the remaining tree cover — that is, the remaining biotic pump of the inner continent — off from oceanic moisture. Aridity could then have followed almost instantaneously on a geophysical time scale.
This proposed mechanism is less plausible directly at the equator, where rainfall is strongly favored by geophysical conditions and the presence of warm ocean. But where the background geophysical conditions are less favorable, such a flip may occur if vegetation is destroyed. We do not know exactly where this boundary lies or what level of disturbance may cross the threshold.
An ecosystem does not necessarily degrade linearly. As a regulatory system, when disturbed, it initially tries to compensate. One can therefore see the disturbance growing while, apparently, little changes. But internally, the resistance required to maintain homeostasis increases. The system struggles harder and harder, and then, at a certain point, it may break down.
This is especially relevant to the water cycle, because the water cycle involves many positive feedbacks that can proceed unchecked when biotic control is lost. Forests are makers of a dynamic equilibrium favorable to our existence. This is how we should view them. They are not just standing there. They are working. They are functional. When we destroy them, we destroy a function that keeps our planet habitable.
Arjana: That is very powerfully put. A previous guest from Brazil spoke about Indigenous rights and about seeing forests and trees as protectors. There is a resonance with what you are saying about forests as workers and protectors.
Anastassia: I think there is much true knowledge that people can gather when they live in direct contact with an ecosystem.
But it is also important that forests are not only relevant to the local water cycle: the Amazon forest is not important only for Brazil, nor the boreal forest only for Eurasia. Because these forests are so large, and because atmospheric circulation depends on them, they can have an important global impact.
This impact is not well understood or incorporated in global climate models. Climate models were developed primarily to describe how climate responds to increasing carbon dioxide, and they do a reasonable job with respect to that purpose: one does not find models predicting cooling from increased carbon dioxide; they robustly predict warming, although by differing magnitudes.
But when one looks at what models predict for deforestation in relation to the water cycle, there is no robust response and no clear constraint — no clear idea of what it should be. Some predict reduced streamflow, others increased streamflow, and the magnitude of the response varies greatly. Thus, they currently provide no guidance on the climatic importance of forests.
That is why we believe there is ample room for new insights and for a reconsideration of how we think about the importance of forests.
Are the Amazon and boreal forests vulnerable?
Arjana: How vulnerable are the Amazon and boreal forests now, in your view?
Anastassia: I can speak with more direct knowledge about boreal forests, although I believe the same central concern applies to the Amazon. My view is that intact forests, if not logged or burned, have a very high chance of withstanding the climatic changes now being imposed on them. For many forest species, a change of a few degrees is within the range of conditions they can naturally experience. There are, of course, ecosystems that are far more immediately vulnerable, such as coral reefs; I am speaking here specifically about forests.
The grave problem is what happens when we log a forest. We strongly disrupt the water cycle and the local moisture regime. We open the canopy. There is more wind, and therefore more uncontrolled evaporation rather than transpiration. Transpiration is a process controlled by the tree; evaporation from an opened, disturbed surface is not controlled in this way. When the canopy is opened, moisture can be rapidly lost. The forest dries, and once it is dry it becomes susceptible to bark beetles and other disturbances. Trees die; dead and weakened forests burn. A whole chain of disasters can begin with human interference.
Unfortunately, the idea of “sustainable forestry,” born roughly one or two hundred years ago, is based on neglect of the climate function of forests. Sustainability came to mean: we may cut as much timber as the forest regrows.
But think of a natural forest without humans. It does not “regrow” in this economic sense. Like the biosphere as a whole, it exists in a stable equilibrium. Every tree that dies gives life to an enormous number of creatures, all of which do something in the ecosystem. Consider, for example, the production of biological aerosols that participate in cloud formation — a process in which bacteria and fungi are involved.
In a natural forest, the annual increment used as a forestry measure is close to zero because the forest is not a crop; it is a stable living system. When we cut it, it begins to regrow, and then it has an annual increment. Sustainable forestry brings the forest to the condition where this increment is at its maximum, and keeps taking the maximum of what it produces.
It is as if we took a person and exploited him or her so as to obtain the largest possible output of work, leaving no free time, no relaxation, no resources for recovery. This is what we have been doing to the European forests for two or three centuries. Forest trees can live for two, three, or four centuries. Thus, for an entire forest lifespan, we have not given these forests a moment to breathe. We have continuously exploited them and called this sustainable.
What happens to a person exploited in this manner for an entire lifespan? Of course he or she breaks down. This is what is happening now with European forests: they are breaking down. Climate change is a trigger, but even without climate change, such overexploitation cannot continue indefinitely.
Now, when forests are in trouble under climate change, we should exploit them less, not more. They cannot simply give us pellets in order to become our “renewables.” If we continue in this way, we will lose them forever. What we should be doing is withdrawing from forests and allowing them at least one hundred years — which is very little in forest time — to have some time for themselves.
Kathy: That is a powerful metaphor and a sobering picture.
Anastassia: Yes. It is like saying: we provide this person with enough food, so the caloric value is adequate; why, then, did he or she become ill? Every complex system must have resources for its inner resilience. We are depriving forests of these resources.
In retrospect, I felt that here our conversation had gone slightly off track. We were discussing the need to give forests time for themselves — but in that very time they are working to keep the world habitable for us. But we do not properly recognize this work. — AM
How can the biotic pump be tested?
Arjana: What would it take to properly test the biotic pump hypothesis?
Anastassia: This is something we continuously think about. We cannot destroy an entire forest simply to see what happens. Fortunately, the Amazon forest is still resilient and still functional. Even if we see a decline in moisture inflow during the dry season, indicating that the system may already be close to the brink, this decline is still compensated during the wet season. We can see the forest attempting to rebalance.
Forests are extraordinarily complex. Therefore, we need indirect ways to show that the physical mechanism is correct: first to establish the physics, and then to apply that understanding to forests with greater confidence.
This is why we have studied tropical cyclones. Tropical cyclones are remarkable phenomena with intense condensation and precipitation in their centers. Unlike the Amazon forest, of which there is only one, tropical cyclones are numerous, so we have statistics. We can measure them and ask whether condensation of a given intensity produces pressure gradients of the magnitude predicted by our theory. This is what we have been doing, and we have found good agreement.
Another possibility is to study the general atmospheric circulation — the great circulation cells, such as the Hadley cells — and ask whether the observed global precipitation can drive the observed winds according to the proposed physics. This also gives good agreement. We proceed step by step, trying to show the scientific community that this is a valid proposition.
Kathy: You have also suggested that forests may influence cyclone formation. How might this work?
Anastassia: This remains to be studied in greater depth. The basic idea is that the fuel for tropical cyclones is atmospheric water vapor. Imagine a great forest drawing atmospheric moisture toward land. If there is a persistent outflow of moisture from the adjacent ocean toward the continent, tropical cyclones may have less water vapor available for their development.
This was one of the ideas that occurred to us in the early development of the concept [see Makarieva and Gorshkov 2010 and Makarieva and Gorshkov 2013]. If one looks at tropical cyclone tracks, one notices that the Atlantic Ocean between the Congo and Amazon forests is effectively free of tropical cyclones. There are no regular tropical cyclone tracks there. If one looks at how precipitation changes annually between the two forests, there is also a certain alternation: at some times the Congo forest receives more precipitation, at other times the Amazon receives more, but at all times little appears to be left for cyclone development.
[see also Sheil D. (2026) How Forests May Reduce the Incidence of Destructive Tropical Cyclones, Hurricanes and Typhoons. Forests, 17(3), 359; https://doi.org/10.3390/f17030359 — AM]
Of course, this is an a posteriori explanation. It is not yet a bulletproof demonstration. Other explanations are offered — for example, that there is simply insufficient space between the two continents for cyclone development. But at least one such event has occurred in the South Atlantic — Hurricane Catarina in March 2004 — indicating that tropical cyclone formation there is possible.
Arjana: Even as a hypothesis, it suggests a new way of thinking about forests: as possible stabilizers of global atmospheric systems.
Anastassia: Yes. And the argument extends further. Today there is intense discussion in climate science about possible catastrophic changes in ocean circulation: whether important oceanic flows may weaken or collapse, bringing drastic climatic changes. If atmospheric circulation depends substantially on forests, then disrupting a forest system as large as the Amazon could also have consequences for oceanic circulation. This is one further reason to recognize that these systems are interconnected.
Forests and the vertical transport of heat
Anastassia: There is another related aspect that we are studying: the role of forests in the vertical transfer of heat.
When forests transpire, energy that would otherwise heat the surface is used to evaporate water. When the vapor later condenses aloft, latent heat is released there. If the air remains aloft long enough, part of this energy may radiate to space from a higher level than it would if it were absorbed and converted to thermal radiation near the surface.
The important point is that this effect depends on circulation. If long-range circulation is replaced by small circulations in which air rapidly descends, the cooling effect may be weakened, as the air warmed by latent heat is brought back toward the surface.
If, however, the air remains aloft long enough for energy to radiate away, there will be a cooling effect. This is not an instantaneous process: the atmosphere can radiate only a finite amount of energy per unit time. The biotic pump represents a long-range circulation, with air travelling thousands of kilometres in the lower atmosphere and thousands of kilometres back aloft. Such circulation can keep air warmed by latent heat in the upper atmosphere for a long time. If we disrupt it and replace it with many small circulation patterns in which air descends quickly, this alone will warm the Earth.
This is a radical proposition, but it is one we have published and that can be examined. My view is that we need to open our minds to see how forests matter. They matter very greatly.
Criticism, inertia, and scientific change
Kathy: You have mentioned that your ideas are somewhat controversial in climate and atmospheric science. Scientific revolutions often do take time, especially when they challenge foundational assumptions. How do you avoid becoming discouraged by critics?
Anastassia: I think critics are a very good thing. I am not discouraged by criticism. In the first years I was a little surprised that developments did not proceed faster, but now, having more experience and having learned more about atmospheric science, I understand that science can move very slowly.
There is an example that has personally impressed me. More than a century ago, Margules posed the problem of how atmospheric potential energy can be converted into motion. Only decades later did Lorenz formulate available potential energy in the form that became central to modern atmospheric energetics.
The central problem is not necessarily criticism. Everybody in a scientific community is already doing their own work, and there is often little incentive to change direction. The life of a scientist is difficult: one needs grants, publications, and a place within a community. This is partly sociological, and partly the natural inertia of scientific development.
Criticism itself is positive because it means that one is being noticed. People do their best to show that one is wrong. Even if a critic goes away convinced that one is wrong, one is left with their arguments. One can consider them, see whether one is right, strengthen the argumentation, and emerge with a better understanding.
The main enemy is not criticism; it is non-existence — when a body of knowledge is treated as though it were not there. This undermines the essence of the scientific process.
For example, there are competing theories of tropical cyclone formation. We published a critique of a major theory in one of the central journals of meteorological literature, the Journal of the Atmospheric Sciences. The anonymous reviewers were surprised by its implications; yet, after publication, the broader community remained largely silent. It is often easier to speak against the mainstream when one does not belong to that community than from within it.
This is unfortunate. But science itself is so exciting that it keeps us going.
What keeps one working?
Arjana: After years of debate and persistence, what keeps you motivated?
Anastassia: I am motivated by two things.
First, I hope — and perhaps there are grounds for this hope — that society may reach a new stage of understanding itself, in which this knowledge can contribute to a new attitude and new ethics, if we survive the present predicament. Together with many other people, we are doing our small part to build that possible future, and to protect the beauty that is still here.
The second reason is more individual: the science itself is so exciting that I would not want to do anything else. Even when it is difficult to move forward, this is what keeps us going.
Arjana: It is exciting and also crucial. Doing this work can feel like helping to build the future.
Anastassia: Yes. Many of us share the feeling that this may be useful for the future — that, in some modest way, we may be contributing to building it. So many negative things are happening. We have little to rely upon except our intellect: we need to understand what is happening, and to change.
Kathy: Anastassia, thank you very much for putting your passion into action and for helping to illuminate the vital roles that forests play in the climate system. We wish you well in your continued research and advocacy, and hope to hear updates from you.
Anastassia: Thank you very much. Good luck with your important work as well.
Related reading:
Biotic Regulation and Biotic Pump is a reader-supported publication. To receive new posts and support my work, consider becoming a free or paid subscriber.
You're currently a free subscriber to Biotic Regulation and Biotic Pump. For the full experience, upgrade your subscription.
Like
Comment
Restack
© 2026 Anastassia Makarieva
548 Market Street PMB 72296, San Francisco, CA 94104
Unsubscribe
