Máy bơm sinh học
Đó là một lý thuyết do hai nhà khoa học Nga đề xuất có thể khiến chúng ta nghĩ lại về các cánh rừng và tác động của nó đến khí hậu toàn cầu.
Hai nhà vật lý Anastassia Makarieva và Victor Gorshkov. Nguồn: Anastassia Makarieva
Ý tưởng “máy bơm sinh học”
Mỗi mùa hè, Anastassia Makarieva rời phòng thí nghiệm của mình ở St.Petersburg để đi nghỉ trong những khu rừng rộng lớn ở miền Bắc nước Nga. Các nhà vật lý hạt nhân cắm trại trên bờ Biển Trắng, giữa những cây vân sam và thông, rồi chèo thuyền kayak dọc theo các con sông rộng trong khu vực và ghi chép về tự nhiên và thời tiết.
“Rừng là một phần quan trọng trong tâm hồn tôi”, chị nói. Trong suốt 25 năm, hằng năm chị đều di chuyển về phía Bắc, và chúng đã trở thành một phần quan trọng trong sự nghiệp của chị. Trong hơn một thập kỷ, Makarieva cùng với Victor Gorshkov, cố vấn và đồng nghiệp của chị tại Viện Vật lý hạt nhân Petersburg (PNPI), đã nêu lý thuyết thoạt tiên có vẻ kỳ lạ về khả năng các khu rừng sâu của Nga điều hòa khí hậu khu vực Bắc Á – đơn giản chỉ từ góc độ vật lý với những hệ quả sâu rộng, mô tả cách hơi nước thoát ra từ cây làm ảnh hưởng đến vận động của gió: những luồng gió đi xuyên qua lục địa, mang theo không khí ẩm từ châu Âu, qua Siberia, và tiếp tục vào Mông Cổ và Trung Quốc. Chính những luồng gió mang lại những cơn mưa giúp giữ nước cho những dòng sông khổng lồ ở miền Đông Siberia tiếp tục chảy; gió mang hơi nước đến với Đồng bằng Bắc Bộ của Trung Quốc – giúp cung cấp lương thực cho quốc gia đông dân nhất trên Trái đất.
Với khả năng hấp thụ carbon dioxit và nhả oxy, những khu rừng lớn thường được gọi là lá phổi của hành tinh. Nhưng Makarieva và Gorshkov cho rằng chúng cũng đồng thời là nhịp đập của trái tim hành tinh này. “Rừng rất phức tạp, chúng tự duy trì hệ thống tạo mưa và là động lực chính của hoàn lưu khí quyển trên Trái đất,” Makarieva nói. Chúng tái sử dụng lượng lớn hơi ẩm trong không khí và cũng tạo ra gió giúp bơm hơi nước đi khắp thế giới. Ý tưởng rừng với công dụng như cỗ máy tạo mưa do nhiều nhà khoa học khác đề xuất và ngày càng được các nhà quản lý tài nguyên nước trên thế giới đánh giá cao. Nhưng phần bồi đắp cho ý tưởng là một lý thuyết mà Makarieva gọi là “máy bơm sinh học” còn gây nhiều tranh cãi. Nền tảng lý thuyết đã được xuất bản ở một tạp chí ít tên tuổi hơn và Makarieva đã nhận được hỗ trợ từ một nhóm nhỏ các đồng nghiệp. Lý thuyết “máy bơm sinh học” hứng chịu một loạt chỉ trích, đặc biệt là từ những người theo mô hình khí hậu. Thực chất Makarieva là người ngoài cuộc: một nhà vật lý lý thuyết trong thế giới của những người theo mô hình khí hậu, một người Nga ở một lĩnh vực do phương Tây dẫn đầu, và một nhà khoa học nữ ở ngành do nam giới thống trị. Tuy nhiên, nếu lý thuyết đúng, ý tưởng có thể giúp giải thích tại sao, những khu vực xa xôi trong lục địa với diện tích rừng lớn có thể nhận được nhiều mưa như ở các bờ biển mặc dù có khoảng cách tương đối lớn với đại dương – và tại sao những vùng không có rừng thường có xu hướng khô cằn. Từ những khu rừng rộng lớn ở Nga đến rừng nhiệt đới Amazon, cây cối không chỉ phát triển ở nơi thời tiết thích hợp mà chính chúng cũng ảnh hưởng lên thời tiết. “Tất cả những gì tôi đã nghiên cứu cho đến nay đều chỉ ra rằng ‘máy bơm sinh học’ là một lý thuyết chính xác”, Douglas Sheil, một nhà sinh thái học tại Đại học Khoa học sự sống Na Uy, cho biết. “Tương lai của rừng đang ngày bị đe dọa nên ngay cả khi cơ hội chứng minh ý tưởng là đúng rất mong manh thì nó cũng có tầm quan trọng lớn trong ứng phó”.
Nhiều sách giáo khoa về khí tượng vẫn dạy học sinh về bức tranh vòng tuần hoàn của nước với sự bay hơi của nước trong đại dương là nguồn gốc của hầu hết không khí ẩm ngưng tụ trong mây và rơi xuống dưới dạng mưa. Hình ảnh này đã bỏ qua vai trò của thảm thực vật, đặc biệt là cây cối đang hoạt động như những vòi phun nước khổng lồ. Rễ của chúng lấy nước từ đất để quang hợp và các lỗ cực nhỏ trong lá thải ra nước dưới dạng hơi vào không khí. Quá trình này tương đương với việc thực vật đổ mồ hôi, hay còn được gọi là thoát hơi nước. Bằng cách này, chỉ cần một cây trưởng thành cũng có thể thải ra hàng trăm lít nước mỗi ngày. Với việc tán lá cung cấp diện tích bề mặt dồi dào cho việc trao đổi [nước], một khu rừng thường có thể cung cấp độ ẩm trong không khí nhiều hơn lượng hơi nước từ khu vực biển hoặc ao hồ có cùng kích thước.
Lý thuyết do Anastassia Makarieva đề xuất.
Tầm quan trọng của việc rừng tái sử dụng hơi nước để tạo ra mưa đã bị bỏ qua cho đến năm 1979, khi nhà khí tượng học Brazil Eneas Salati báo cáo các nghiên cứu về isoto-thành phần của nước mưa được lấy mẫu từ lưu vực sông Amazon. Khi đó, nước chứa nhiều phân tử hơn với đồng vị oxy-18 nặng hơn nước bốc hơi từ đại dương. Salati đã chứng minh một nửa lượng mưa trên Amazon đến từ quá trình chuyển đổi của chính bản thân rừng. Vào thời điểm này, các nhà khí tượng học đã theo dõi một “dòng tia” (một dải hơi nước khổng lồ) nằm ở bên trên khu rừng, tại độ cao khoảng 1,5 km. Hãy thử hình dung với gió thổi từ Đông sang Tây qua Amazon, dòng tia như một chiếc máy bay phản lực tầm thấp Nam Mỹ lao nhanh trước khi bị dãy núi Andes chuyển hướng về phía Nam. Salati và những người khác phỏng đoán dòng tia đã độ ẩm lớn ở đây ảnh hưởng, mang theo hơi nước. Họ gọi nó là một “dòng sông bay”. Sông bay Amazon được cho là mang theo nhiều nước như dòng sông ở ngay dưới nó, Antonio Nobre, một nhà nghiên cứu khí hậu tại Viện Nghiên cứu Không gian quốc gia Brazil cho biết. Trước đây, những dòng sông bay được cho là chỉ giới hạn ở Amazon nhưng trong những năm 1990, Hubert Savenije, một nhà thủy văn học tại Đại học Công nghệ Delft đã bắt đầu nghiên cứu việc tái sử dụng độ ẩm ở Tây Phi. Sử dụng mô hình thủy văn dựa trên dữ liệu thời tiết, ông nhận ra khi chúng ta di chuyển từ bờ biển vào đất liền, tỉ lệ lượng mưa từ rừng càng ngày càng lớn có khu vực lên tới 90%. Điều này giúp giải thích vì sao Sahel lại trở thành một khu vực khô cằn khi rừng ven biển biến mất ở mức đỉnh điểm trong nửa thế kỷ qua. Một trong những học trò của Savenije, Ruud van der Ent, đưa ý tưởng đi xa hơn, tạo ra một mô hình dòng ẩm trong không khí. Ông thu thập dữ liệu về lượng mưa, tốc độ gió và nhiệt độ để đưa ra lý thuyết về sự thoát hơi nước của cây cối và tạo ra mô hình độ ẩm đầu tiên hoạt động ở phạm vi lưu vực sông.
Năm 2010, van der Ent và các đồng nghiệp báo cáo kết luận của mô hình: Trên toàn cầu, tới 40% lượng mưa đến từ đất liền chứ không phải đại dương, và con số này thường lớn hơn. Sông bay của Amazon cung cấp 70% lượng mưa rơi ở Río de la Plata Basin, trải dài khắp khu vực Đông Nam của châu Mỹ. Van der Ent ngạc nhiên nhất khi thấy rằng Trung Quốc lấy 80% lượng nước từ phía Tây, chủ yếu là từ hơi ẩm Đại Tây Dương được “tái chế” bởi những khu rừng sâu ở Scandinavia và Nga. Quá trình bao gồm nhiều giai đoạn- chu kỳ thoát hơi nước, theo sau là mưa gió – và mất khoảng sáu tháng trở lên. “Nó trái ngược với điều trước đây bạn học”, ông nói. “Trung Quốc cạnh Thái Bình Dương nhưng phần lớn lượng mưa của nó là hơi ẩm từ vùng đất xa xôi về phía Tây”.
Rừng quan trọng hơn ta tưởng
Nếu Makarieva đúng, rừng cung cấp không chỉ hơi ẩm, mà còn những cơn gió mang nó tới. Trong một phần tư thế kỷ, chị làm việc với Gorshkov, ban đầu với cương vị là học trò, tại PNPI—một khu vực quân sự và dân sự quan trọng nhất của Nga – Viện nghiên cứu hạt nhân Kurchatov. Ngay từ đầu họ đã nghiên cứu sinh thái học ở một nơi có nhiều nhà vật lý, những người sử dụng chùm neutron từ phản ứng hạt nhân để nghiên cứu. Là những nhà lý thuyết, họ có “quyền tự do nghiên cứu và suy nghĩ, theo đuổi vật lý khí quyển tới bất cứ nơi nào nó đưa đến”, chị nói. “Victor đã dạy tôi ‘Đừng sợ bất cứ điều gì’”. Năm 2007, trong tạp chí Hydrology and Earth System Sciences, họ lần đầu tiên nêu ra khái niệm “máy bơm sinh học”. Lý thuyết khiêu khích ngay từ đầu bởi nó mâu thuẫn với nguyên lý thường trực của khí tượng học: gió được điều khiển phần lớn bởi sự gia nhiệt khác biệt của khí quyển. Khi không khí ấm lên, nó làm giảm áp suất không khí bên dưới nó, và khiến cho không khí ở bề mặt di chuyển. Ví dụ như vào mùa hè, đất liền có xu hướng nóng nhanh hơn và hút ẩm từ những làn gió mát từ đại dương.
Makarieva và Gorshkov lập luận, quá trình tạo mưa thứ hai đôi khi có thể chiếm ưu thế. Khi hơi nước từ rừng ngưng tụ thành những đám mây, chất khí trở thành một chất lỏng chiếm diện tích ít hơn. Điều đó làm giảm áp lực của khí và hút không khí theo chiều ngang từ khu vực ít ngưng tụ hơn. Trong thực tế, nó có nghĩa là việc ngưng tụ hơi trên các khu rừng ven biển sẽ khiến tăng áp gió biển, hút không khí ẩm trong đất liền, cuối cùng ngưng tụ và rơi như mưa. Nếu tiếp tục gặp rừng, chu kỳ có thể diễn ra tiếp tục, duy trì gió ẩm tới hàng nghìn km.
Lý thuyết này làm đảo ngược tư duy truyền thống: Không phải hoàn lưu khí quyển thúc đẩy chu kỳ thủy văn, mà chính thủy văn là nguyên nhân của vòng tuần hoàn của không khí. Sheil, người ủng hộ lý thuyết này từ hơn một thập kỷ trước, nghĩ về nó như một ví dụ cho “dòng sông bay”. “Chúng không loại trừ lẫn nhau”, ông nói. “Lý thuyết về máy bơm đưa ra lời giải thích về sức mạnh của những con sông”. Theo ông, máy bơm sinh học rõ ràng chính là “nghịch lý của Amazon lạnh giá”. Từ tháng một đến tháng 6, khi lưu vực sông Amazon lạnh hơn hơn đại dương, gió mạnh thổi từ Đại Tây Dương đến Amazon – ngược lại với những gì sẽ xảy ra nếu chúng là kết quả của sự khác biệt trong nhiệt độ. Nobre, một người ủng hộ khác, say sưa nói: “Họ không bắt đầu với dữ liệu, họ bắt đầu với những nguyên tắc cơ bản”. Ngay cả những người nghi ngờ lý thuyết cũng đồng ý rằng mất rừng có thể dẫn đến các hậu quả sâu rộng về mặt khí hậu. Nhiều nhà khoa học đã tranh luận vụ phá rừng hàng ngàn năm trước chính là nguyên nhân cho sự sa mạc hóa ở Úc và Tây Phi.
Điều đáng lo ngại là nạn phá rừng trong tương lai có thể khiến các khu vực khác trở thành hoang mạc, ví dụ như khu vực từ rừng nhiệt đới Amazon đến vùng xa-van. Các vùng quê ở Trung quốc, châu Phi và Pampas ở Argentian cũng đang bị đe dọa, theo Patrick Keys, một nhà hóa học khí quyển tại Đại học Bang Colorado, Fort Collins. Vào năm 2018, Keys và đồng nghiệp đã áp dụng cách tương tự như Van der Ent’s để theo dõi nguồn mưa cho 29 siêu đô thị trên toàn cầu. Ông thấy 19 khu vực phụ thuộc rất nhiều vào những khu rừng ở xa xôi để cung cấp nguồn nước, bao gồm Karachi, Pakistan; Vũ Hán và Thượng Hải, Trung Quốc; New Delhi và Kol-kata, Ấn Độ. Ngay cả những thay đổi nhỏ trong lượng mưa – điều phát sinh từ việc thay đổi mục đích sử dụng đất có thể tác động đến việc cung cấp nước vốn đã mong manh, ”ông nói.
Một số mô hình thậm chí còn gợi ý, khu vực bên ngoài của các “dòng sông bay” cũng có thể bị nạn phá rừng ảnh hưởng. Thật vậy, phá rừng có thể thay đổi các mô hình thời tiết bằng cách di chuyển nguồn cung cấp không khí ẩm. Cũng giống như El Niño, sự thay đổi trong hướng gió ở vùng biển nhiệt đới Thái Bình Dương cũng ảnh hưởng đến thời tiết các khu vực trong đất liền thông qua “kết nối từ xa”. “Liệu nạn phá rừng ở Amazon có thể làm giảm lượng mưa ở khu vực Trung và Tây Hoa Kỳ cũng như băng tuyết ở Sierra Nevada hay không?”, Roni Avissar, nhà khí hậu học tại Đại học Miami từng mô hình hóa các kết nối từ xa, nêu vấn đề.
Một nửa lượng mưa của Amazon từ độ ẩm của chính các khu rừng. Ngoài ra, nó có thể mang gió tới các lục địa? Brusini Aurélien/Hemis/Alamy Stock photo
Điều này chỉ là viễn tưởng? Roni khẳng định: “Không hề, chúng tôi biết El Niño có thể làm điều này, bởi vì không giống như phá rừng, nó tái diễn và chúng ta có thể tái hiện nó bằng mô hình. Cả hai đều do những thay đổi nhỏ về nhiệt độ và độ ẩm trong bầu khí quyển gây ra”.
Lan Wang-Erlandsson, người nghiên cứu sự tương tác giữa đất, nước và khí hậu ĐH Stockholm, cho rằng đã đến lúc các nhà quản lý tài nguyên nước chuyển hướng tập trung từ việc sử dụng nước và đất trong lưu vực sông sang những thay đổi trong việc sử dụng đất xảy ra bên ngoài. “Chúng tôi cần các thỏa thuận thủy văn quốc tế để duy trì rừng của các vùng nguồn”, chị cho biết.
Hai năm trước, tại một cuộc họp của Diễn đàn các quốc gia về rừng, David Ellison, nhà nghiên cứu đất đai tại ĐH Bern, đã trình bày một trường hợp cụ thể: 40% tổng số lượng mưa ở vùng cao nguyên Ethiopia, nguồn của sông Nile, được cung cấp từ hơi nước “tái sử dụng” từ rừng của lưu vực Congo. Ai Cập, Sudan và Ethiopia đang đàm phán một thỏa thuận về việc chia sẻ vùng nước của sông Nile. Thỏa thuận như vậy sẽ vô giá trị nếu nạn phá rừng ở Congo, một khu vực ở xa ba quốc gia ảnh hưởng tới lượng nước của sông. Ellison cho biết: “Ảnh hưởng giữa rừng và lượng nước đã gần như hoàn toàn bị bỏ qua trong chính sách quản lý tài nguyên nước ngọt toàn cầu”. Lý thuyết “máy bơm sinh học” thậm chí còn đi xa hơn khi gợi ý tình trạng phá rừng không chỉ làm thay đổi nguồn ẩm mà còn ảnh hưởng đến các hướng gió. Nếu đúng, lý thuyết này sẽ có “ý nghĩa quan trọng đối với lưu thông không khí của Trái đất”, Ellison nói, đặc biệt là những hướng gió mang không khí ẩm vào đất liền.
Cuộc chiến bảo vệ
Những người ủng hộ chỉ là thiểu số.
Makarieva, Gorshkov, Sheil, Nobre,và Bai-Lian Li, một nhà sinh thái học tại ĐH California, Riverside, đã gửi những mô tả về “máy bơm sinh học” cho Atmospheric Chemistry and Physics, một tạp chí có ảnh hưởng lớn. Tạp chí phải đối mặt với một loạt chỉ trích, và họ phải mất nhiều tháng để tìm hai nhà khoa học nhận lời bình duyệt. Isaac Held, nhà khí tượng học tại phòng thí nghiệm Động lực học chất lỏng địa vật lý ở Princeton, cuối cùng đã tình nguyện xem xét và bác bỏ lý thuyết. “Đây không phải là một bí ẩn”, ông nói. “Nó nhỏ và đã bao gồm trong một số mô hình khí quyển.” Các nhà phê bình cho biết sự giãn nở của không khí từ nhiệt tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ lại bù trừ cho hiệu ứng tạo không gian của sự ngưng tụ. Nhưng Makarieva cho rằng hai tác động tách biệt về mặt không gian với hiệu ứng làm ấm đang xảy ra trên cao và sự sụt giảm áp suất của sự ngưng tụ xảy ra gần với mặt đất, nơi nó tạo ra gió sinh học.
Một bình duyệt khác là Judith Curry, nhà vật lý khí quyển tại Viện Công nghệ Georgia, cảm thấy bài báo rất cần được xuất bản và việc phản đối bài báo là “điều rất tồi tệ đối với khoa học khí hậu khi rất cần cái nhìn của các nhà vật lý”. Sau ba năm tranh luận, biên tập viên của tạp chí đã quyết định xuất bản bài báo “để thúc đẩy sự tiếp tục nghiên cứu của một vấn đề lý thuyết đang gây tranh cãi và có thể dẫn đến việc bác bỏ hoặc xác nhận hơn là một sự chứng thực”.
Gavin Schmidt, một nhà lập mô hình khí hậu tại Đại học Columbia, nhận xét, “Nó đơn giản là vô nghĩa”. Thiện chí hơn, Jose Marengo, một nhà khí tượng học ở Brazil và người dẫn dắt Trung tâm giám sát và cảnh báo Thiên tai quốc gia, nói: “Tôi nghĩ rằng máy bơm tồn tại, nhưng hiện tại nó chỉ là lý thuyết và các cộng đồng làm mô hình khí hậu không chấp nhận nó, dù người Nga là những nhà lý thuyết xuất sắc nhất thế giới, vì vậy chúng ta cần các thí nghiệm để kiểm tra nó”.
Tuy nhiên, không ai, kể cả Makarieva, đề xuất rõ ràng việc thực nghiệm để kiểm chứng. Về phần mình, Makarieva đang tiếp tục xây dựng lý thuyết, tranh luận trong một loạt các bài báo về việc lốc xoáy nhiệt đới cũng có cùng cơ chế và bị nhiệt tỏa ra hơi ẩm trên đại dương điều khiển. Trong một bài báo năm 2017 ở Atmospheric Research, chị và cộng sự đã đề xuất máy bơm sinh học, xuất phát từ những khu rừng giàu độ ẩm trong không khí để giải thích tại sao lốc xoáy hiếm khi hình thành ở Nam Đại Tây Dương: rừng nhiệt đới Amazon và Congo nằm giữa chúng đã hút đi nhiều hơi ẩm đến mức còn lại quá ít để cung cấp nhiên liệu cho các cơn bão.
Makarieva không đồng tình với việc những người cho rằng lý thuyết về cường độ bão “xung đột với các định luật nhiệt động lực học.” Chị cho biết: “Chúng tôi lo ngại, mặc dù có được sự khuyến khích của biên tập viên, công việc của chúng tôi sẽ lại bị từ chối một lần nữa.” Năm ngoái, chính phủ bắt đầu công khai đối thoại để sửa đổi luật lâm nghiệp. Ngoài những khu vực được bảo vệ nghiêm ngặt, các vùng rừng khác được mở để khai thác thương mại nhưng chính phủ và Bộ Lâm nghiệp đang xem xét một sửa đổi để tính đến “rừng phòng hộ khí hậu”.
Mùa hè này, coronavirus đã ngăn chuyến đi hằng năm của chị đến vùng rừng phía Bắc. Trở lại St Petersburg, tuy vẫn tiếp tục vấp phải sự phản đối nhưng chị tin tưởng lý thuyết máy bơm cuối cùng sẽ chiếm ưu thế bởi vì rút cục khoa học đích thực sẽ được công nhận.□
Hạnh Duyên dịch
Science Doi: 10.1126/science.368.6497.1302
