PER UNA NUOVA METEOROLOGIA: INTERVISTA A VICTOR GORSHKOV E ANASTASSIA MAKARIEVA (parte prima)

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Anastassia  Makarieva e Victor Gorshkov, lavorano entrambi alla divisione di fisica teorica dell’istituto di fisica nucleare di Sanpietroburgo ed al Xieg-Ucr international center for arid land ecology University of California.

Mongabay: Ci racconti come funziona la pompa biotica?

Victor Gorshkov e Anastassia Makarieva: La pompa biotica è un meccanismo in cui le foreste naturali creano e controllano i venti dall’oceano alla terraferma, portando umidità a tutta la vita terrestre. I venti tendono a soffiare da aree di alta pressione atmosferica a bassa. Ma come si crea un sistema a bassa pressione sulla terraferma? La pressione dell’aria dipende dal numero di molecole di gas. Quando il vapore acqueo si condensa, scompare dalla fase gassosa; il numero di molecole di gas diminuisce e la pressione dell’aria diminuisce. Pertanto, se riusciamo a mantenere il processo di condensazione sulla terraferma, quest’ultima diventa una zona di bassa pressione persistente.

Il vapore acqueo nell’atmosfera terrestre possiede una notevole proprietà fisica: è instabile alla condensazione. Ciò significa che se un volume d’aria contenente molto vapore viene occasionalmente spostato verso l’alto, l’aria si raffredderà in modo così significativo che il vapore si condensa. A causa di questa instabilità, se c’è una quantità sufficiente di vapore acqueo nella bassa atmosfera calda, si verificherà la condensazione.

Il fogliame verde e i rami degli alberi hanno un’area cumulativa molto maggiore di quella della proiezione di un albero sul terreno. Quindi, l’evaporazione della foresta arricchisce l’atmosfera di vapore acqueo in modo più efficiente rispetto all’evaporazione da una superficie d’acqua aperta della stessa area. Di conseguenza, la condensazione si verifica più facilmente sulle foreste che sull’oceano. Le foreste, piuttosto che l’oceano, diventano la zona di bassa pressione dove convergono i venti umidi. Completando il ciclo, l’umidità precipita sulla terraferma e ritorna nell’oceano sotto forma di deflusso fluviale.

Mongabay: Perché associ la pompa biotica alle foreste naturali piuttosto che agli alberi in generale? Una piantagione di alberi monocoltura potrebbe fungere da pompa biotica?

Victor Gorshkov e Anastassia Makarieva: Come tutti i processi vitali, la pompa biotica è un processo complesso altamente organizzato. Al fine di sostenere la condensazione che mantiene bassa la pressione dell’aria sulla terraferma, in modo che i venti umidi soffino verso la terraferma dall’oceano, deve esserci un’intensa evaporazione dalla volta della foresta. Ma l’evaporazione diminuisce la quantità di umidità nel suolo.

Le specie autoctone che formano comunità forestali naturali hanno sviluppato un insieme complesso di tratti biofisici e morfologici geneticamente codificati che rendono possibile la pompa biotica. Questi tratti hanno impiegato centinaia di milioni di anni per evolversi. Ad esempio, l’apparato radicale degli alberi forestali facilita sia lo stoccaggio che l’estrazione dell’umidità dal suolo; gli aerosol biogenici prodotti dagli alberi controllano l’intensità della condensazione del vapore acqueo sulla foresta; la grande altezza degli alberi determina il gradiente termico verticale sotto la chioma, mantenendo sotto controllo biotico l’evaporazione del suolo; gli alberi ad alto fusto sono essenziali anche per l’attrito superficiale che non consente lo sviluppo di velocità del vento estremamente elevate.

Pertanto, le foreste naturali non solo creano un flusso d’aria umida dall’oceano alla terraferma, ma stabilizzano anche questo flusso a un livello ottimale e prevengono le sue fluttuazioni estreme come uragani, tornado, gravi siccità o inondazioni. Le specie diverse dalle piante (batteri, funghi, animali) sono essenziali per la stabilità dell’ecosistema forestale stesso.

Le monocolture o le piantagioni costituite da un insieme casuale di specie vegetali non possiedono l’insieme richiesto di tratti correlati. Per fare due esempi estremamente semplificati: se si piantano cactus, questi evaporeranno troppo poco e non riusciranno a mantenere l’atmosfera costantemente umida. Se si pianta l’eucalipto, evaporeranno rapidamente ma non saranno in grado di impedire l’essiccazione del terreno. In entrambi i casi, la pompa biotica non funzionerà. In generale, i flussi di informazioni elaborati dal biota naturale superano di venti ordini di grandezza la capacità di elaborazione delle informazioni della civiltà moderna. Non è possibile creare un analogo tecnologico della pompa biotica.

LA SCIENZA DIETRO LA TEORIA DELLA POMPA BIOTICA
Mongabay: Ci sono stati cambiamenti significativi alla tua teoria della pompa biotica negli ultimi due anni?

Victor Gorshkov e Anastassia Makarieva: La base fisica della pompa biotica consiste nell’affermazione che i venti sono guidati principalmente dai gradienti di pressione indotti dalla condensazione piuttosto che dalle differenze di temperatura (come l’aria calda che sale) come convenzionalmente considerato. Come abbiamo giudicato dalle prime reazioni al nostro lavoro, questa è l’affermazione più difficile da accettare per la comunità meteorologica.

Recentemente abbiamo concentrato i nostri sforzi nel dimostrare la validità quantitativa del meccanismo proposto della dinamica atmosferica indotta dalla condensazione. Abbiamo dimostrato che spiega quantitativamente uragani e tornado, avendo ottenuto dalla teoria profili radiali di pressione e velocità che concordano bene con le osservazioni. D’altra parte, abbiamo criticato alcune delle spiegazioni esistenti degli stessi fenomeni sostenendo che queste contengono errori fisici. Un elenco completo delle nostre pubblicazioni riguardanti la pompa biotica è disponibile qui.

Mongabay: Hai visto una più ampia accettazione nella comunità scientifica per la tua teoria?

Victor Gorshkov e Anastassia Makarieva: In generale, a giudicare dal numero crescente di citazioni dei nostri primi articoli sulla pompa biotica, il nostro lavoro sta gradualmente guadagnando maggiore attenzione. La teoria della pompa biotica invita la comunità meteorologica ad ammettere la possibilità che un importante motore della circolazione atmosferica sia stato trascurato. Finché si continua a ignorare il ruolo della condensazione nel guidare i venti, si continuerà a ignorare il ruolo reale delle foreste nel ciclo dell’acqua e nel clima. Data la minaccia della deforestazione, non c’è tempo da perdere. Quindi stiamo compiendo tutti gli sforzi possibili per stimolare una discussione costruttiva sulle dinamiche di condensazione da parte dei membri della comunità meteorologica. Tuttavia, i progressi sembrano essere lenti. Nel 2010 abbiamo presentato una panoramica della teoria alla rivista ACPD, Atmospheric Chemistry and Physics Discussions che consente una discussione aperta dei documenti presentati: (Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Sheil D., Nobre A.D., Li B.-L. 2010)Dove vanno i venti e da dove vengono? Una nuova teoria su come la condensazione del vapore acqueo influenza l’atmosfera, pressione e dinamica. Discussioni sulla chimica e la fisica dell’atmosfera, 10, 24015-24052.

Per sei mesi gli editori non sono riusciti a trovare revisori disposti a valutare pubblicamente il nostro lavoro. Dopo aver informato la più ampia comunità scientifica della nostra situazione, un importante idrologo del NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration (USA) ha diffuso il nostro lavoro tra molti dei suoi colleghi meteorologi. Solo uno di loro ha considerato la possibilità di diventare arbitro, e si è opposto con forza al nostro lavoro. Poiché abbiamo sempre accolto con favore qualsiasi critica da avanzare apertamente al nostro lavoro, abbiamo suggerito all’editore di invitare il referee anche se sapevamo in anticipo che aveva una visione negativa del nostro lavoro. Dopo la pubblicazione della recensione negativa, abbiamo risposto a tutte le argomentazioni. Da allora il paper è stato sospeso, è ormai in aperta revisione da oltre quindici mesi e sono passati venti mesi dalla nostra presentazione. Come vi dirà qualsiasi scienziato, tali straordinari impedimenti e ritardi scoraggerebbero qualsiasi ricercatore; stanno interrompendo il normale processo scientifico. Ma rimaniamo fiduciosi che i nostri sforzi non siano vani.

Mongabay: Puoi fare un esempio del motivo per cui l’attuale comprensione della condensazione e delle precipitazioni è sbagliata?

Victor Gorshkov e Anastassia Makarieva: Il nostro lavoro è stato ampiamente discusso sul web, a volte con la partecipazione diretta o indiretta di eminenti meteorologi. Queste discussioni hanno rivelato che la fisica della condensazione non ha ricevuto sufficiente attenzione da parte della comunità meteorologica, con il risultato che anche alcune questioni fondamentali sono rimaste irrisolte e poco chiare per molti. Ad esempio, una domanda che ha causato molta confusione è stata: se la condensa si verifica nell’atmosfera e parte del vapore si trasforma in liquido, la pressione dell’aria in superficie sarà influenzata quasi istantaneamente o solo dopo che le gocce di pioggia sono cadute a terra? Quest’ultima è una visione comune causata da un fondamentale fraintendimento del concetto di equilibrio idrostatico.

In equilibrio idrostatico, la pressione dell’aria a qualsiasi altezza è uguale al peso dell’aria nella colonna atmosferica al di sopra di tale altezza. Molti meteorologi pensano che la pressione idrostatica dell’aria in superficie sia uguale al peso sia dell’aria che di tutti i corpi liquidi e solidi comprese le gocce di pioggia che si trovano nell’alta atmosfera. Se ciò fosse stato vero, la condensazione in equilibrio idrostatico non avrebbe mai potuto modificare la pressione superficiale prima della ricaduta delle precipitazioni, perché la condensazione del gas (vapore) in liquido non modifica la quantità totale di materia. Tuttavia, la pressione del gas ideale dipende dal numero di particelle e non dalla loro massa. Il numero di gocce liquide è di molti ordini di grandezza inferiore al numero di molecole di gas che si sono condensate in quelle gocce. Pertanto, la condensazione abbassa immediatamente la pressione dell’aria e disturba l’equilibrio idrostatico. Recentemente un articolo dedicato a questa domanda è stato pubblicato su un’importante rivista meteorologica in cui, con l’uso di modelli numerici, è stata articolata questa conclusione. Il fatto che un documento con una conclusione così basilare sia apparso solo ora, nel secondo decennio del ventunesimo secolo, dimostra che gli sforzi per studiare gli effetti dinamici della condensazione da parte della comunità meteorologica sono nella loro fase incipiente.

Nel frattempo, praticamente tutti i fenomeni climatici e meteorologici in cui sono coinvolti condensa e precipitazioni stanno sfidando la meteorologia moderna. Ad esempio, i modelli di circolazione globale esistenti non descrivono adeguatamente il ciclo dell’acqua in Amazzonia, con la convergenza dell’umidità modellata pari alla metà delle quantità effettive stimate dai valori di deflusso osservati. È ampiamente riconosciuto che, nonostante le strutture di osservazione in continuo miglioramento e la potenza del computer disponibile, non ci sono progressi nella previsione dell’intensità dei cicloni tropicali.

Quando si analizza il modo in cui le precipitazioni cambiano nel tempo (ad esempio, nelle regioni dell’Amazzonia o del Congo) è comune esplorare le correlazioni con le anomalie della temperatura oceanica. La logica convenzionale è che quando l’oceano diventa più caldo, l’aria calda sale sull’oceano e l’umidità precipita lì invece che sulla terraferma, quindi si verifica una siccità. Tuttavia, tale logica non tiene conto del fatto che man mano che la terra diventa più secca, si riscalda anche in modo significativo. È inspiegabile all’interno del paradigma convenzionale il motivo per cui l’aria calda non sale sulla terra calda e secca. Tutte le ondate di caldo e le siccità, come quella nella Russia europea nel 2010 o quella in Texas nel 2011, sono associate a un persistente movimento discendente dell’aria.

Né gli eventi di alluvione sono spiegati dal paradigma convenzionale. Ad esempio, delle due inondazioni estreme che hanno colpito la Thailandia nel 2011, la prima si è verificata all’inizio dell’anno durante la stagione secca. Quindi la terra è più fresca, l’oceano è più caldo ei venti soffiano dalla terra all’oceano, così che il continente rimane asciutto. All’inizio del 2011 la regione è stata colpita da un’insolita ondata di freddo, che ha reso questo gradiente di temperatura ancora più marcato. Secondo il paradigma convenzionale, questo dovrebbe solo rafforzare le condizioni asciutte. In realtà, tuttavia, si è verificata una grave inondazione.

Prove di questo tipo, che sono controverse rispetto al paradigma convenzionale, stanno crescendo e il concetto di pompa biotica fornisce una spiegazione fisica coerente di come questo dovrebbe essere interpretato. Piuttosto che concentrarsi sui gradienti di temperatura, che spesso sono una conseguenza piuttosto che una causa della circolazione, si dovrebbero studiare le condizioni in cui è probabile che si verifichi la condensazione per prevedere i cambiamenti nella circolazione atmosferica.

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