ByFredPearce

每年夏天，随着时间的推移，阿纳斯塔西娅·马卡里耶娃(AnastassiaMakarieva)都会离开她在圣彼得堡的实验室，前往俄罗斯北部广阔的森林度假。核物理学家在白海岸边的云杉和松树中扎营，在宽阔的河流中划皮艇，记录大自然和天气。“森林是我内心生活的一大部分，”她说。在过去的25年里，她每年都会去北方朝圣，这也成为了她职业生涯中的一大部分。

十多年来，马卡里耶娃一直在倡导一个理论，这个理论是与她在彼得堡核物理研究所(PNPI)的导师兼同事维克托戈尔什科夫(VictorGorshkov)共同发展起来的。这个理论是关于俄罗斯北部森林——地球上面积最大的树林——如何调节北亚气候的。这是一个简单的物理学问题，有着深远的影响，它描述了树木呼出的水蒸气是如何驱动风的:风穿过欧洲大陆，把潮湿的空气从欧洲吹到西伯利亚，再吹到蒙古和中国;风带来的雨水让东西伯利亚的大河保持流动;风为中国北部的平原注入水分，这里是地球上人口最多的国家的粮仓。

由于它们吸收二氧化碳和呼出氧气的能力，世界上的大森林通常被称为地球的肺。但是去年去世的马卡里耶娃和戈尔什科夫说，他们也是它跳动的心脏。马卡里耶娃说:“森林是复杂的自我维持的雨水系统，是地球上大气环流的主要驱动力。”。它们将大量的水分循环到空气中，在这个过程中，还会激起风，将水抽送到世界各地。这个想法的第一部分——森林是造雨者——起源于其他科学家，在森林砍伐猖獗的世界里，森林越来越受到水资源管理者的重视。但是第二部分，马卡里耶娃称之为生物泵的理论，更具争议性。

这项工作的理论基础已经发表了，尽管发表在知名度较低的期刊上，而且Makarieva也得到了一小群同事的支持。但是，生物泵面临着逆风的批评，特别是来自气候模型，其中一些人说，它的影响是微不足道的，并完全否定这个想法。这场争论让马卡里耶娃成为了一个局外人:在建模者的世界里，她是一个理论物理学家;在西方科学家领导的领域里，她是一个俄罗斯人;在男人主导的领域里，她是一个女人

然而，如果这个想法是正确的，它可能有助于解释为什么尽管远离海洋，但森林覆盖的大陆的偏远内陆地区和海岸地区一样能够吸收大量的雨水，以及为什么没有森林覆盖的大陆的内陆地区往往干旱。这也意味着从俄罗斯针叶林到中东亚马孙雨林的森林不仅仅生长在气候适宜的地方。它们也决定了天气。挪威生命科学大学的森林生态学家道格拉斯·谢尔说:“到目前为止，我所学到的一切都表明，生物泵是正确的。”。随着世界森林的未来受到质疑，“即使我们认为这个理论只有很小的机会成为真理，但是知道这个或那个方法将是非常重要的。”

许多气象学教科书仍然教水循环的漫画，海洋蒸发负责大部分的大气湿气凝结成云和降雨。这幅图片忽略了植被的作用，尤其是树木，它们就像巨大的喷泉。它们的根吸收土壤中的水分进行光合作用，叶子上的微孔以蒸汽的形式向空气中释放未被利用的水分。这个过程，在树上相当于出汗，被称为蒸腾作用。通过这种方式，一棵成熟的树每天可以释放数百公升的水。由于树叶为交换提供了丰富的表面积，森林往往比同样大小的水体蒸发更多的水分到空气中。

直到年，巴西气象学家埃尼亚斯·萨拉蒂报道了从亚马逊盆地取样的雨水的同位素组成研究，人们才开始认识到这种循环水对滋养降雨的重要性。由蒸腾作用回收的水中含有的重氧-18同位素分子比从海洋中蒸发出来的水还要多。萨拉蒂利用这一事实表明，亚马逊地区一半的降雨量来自于森林本身的蒸腾作用。

此时，气象学家正在森林上空1.5公里处追踪一股大气喷流。这种被称为南美低空喷气式飞机(SouthAmericanLow-LevelJet)的风，在安第斯山脉使它们转向南方之前，从东吹向西吹过亚马逊河，大约和赛车一样快。萨拉蒂和其他人推测，喷气式飞机携带了大部分蒸发的湿气，并称之为“飞河”巴西国家空间研究所的气候研究员安东尼奥·诺布雷说，现在人们认为亚马逊飞行的河流携带的水量相当于它下面的陆地巨河的水量。

几年来，飞行的河流被认为仅限于亚马逊河。20世纪90年代，代尔夫特理工大学的水文学家HubertSavenije开始在西非研究水分循环。利用基于天气数据的水文模型，他发现，当人们从海岸向内陆迁移时，来自森林的降雨量增加了，达到了内陆地区的90%。这一发现有助于解释为什么在过去的半个世纪里，随着沿海森林的消失，萨赫勒内陆地区变得干燥。

Savenije的一个学生RuudvanderEnt进一步发展了这个想法，创造了一个全球空气湿度流模型。他将有关降雨、湿度、风速和温度的观测数据与蒸发和蒸腾作用的理论估计结合起来，创建了第一个比河流流域更大尺度的湿气流动模型。

年，vanderEnt和他的同事报告了模型的结论:全球40%的降水来自陆地而不是海洋。通常是更多。亚马逊的飞河为横跨南美洲东南部的拉普拉塔平原提供了70%的降雨量。范德恩特最惊讶地发现，中国80%的水源来自西部，其中大部分来自大西洋，由斯堪的纳维亚半岛和俄罗斯的北方森林循环利用。这个过程包括几个阶段ー蒸腾循环，然后是顺风雨和随后的蒸腾ー需要6个月或更长时间。“这与你在高中学到的知识相矛盾，”他说。“中国毗邻太平洋，但大部分降雨都是从遥远的西方陆地回收的水分。”

如果马卡里耶娃是正确的，那么森林不仅提供了湿气，还提供了带来湿气的风。

在长达四分之一个世纪的时间里，她与戈尔什科夫一起工作，最初是戈尔什科夫的学生，在PNPI工作，PNPI是俄罗斯最重要的民用和军用核研究机构----俄罗斯库尔恰托夫研究所。他们从一开始就是特立独行的人，在一个充满物理学家的地方研究生态学，他们使用核反应堆的中子束来研究材料。作为理论物理学家，她说，他们有“非凡的研究和思想自由”，追求大气物理学，无论它把他们带到哪里。“维克多教导我:不要害怕任何东西，”她说。

年，在《水文学与地球系统科学》杂志上，他们首次提出了关于生物泵的设想。它从一开始就具有挑衅性，因为它违背了气象学的一个长期原则:风主要是由大气不同的加热方式驱动的。当暖空气上升时，它降低了下面的空气压力，实际上在地表创造了空间，让空气进入。例如，在夏季，陆地表面趋向于加热更快，吸引来自较冷海洋的潮湿微风。

马卡里耶娃和戈尔什科夫认为，第二个过程有时可能占主导地位。当森林中的水蒸气凝结成云时，气体变成占据较小体积的液体。这样可以降低空气压力，并将空气从凝结水较少的区域水平吸入。实际上，这意味着沿海森林上空的凝结会加强海风，将内陆潮湿的空气吸入，最终凝结成雨水。如果森林继续在内陆生长，这个循环可以继续下去，在数千公里的范围内保持潮湿的风。

该理论颠覆了传统的思维:驱动水文循环的不是大气环流，而是驱动空气质量循环的水文循环。

十多年前成为这一理论支持者的谢尔，认为这是对飞河理念的点缀。“它们并不互相排斥，”他表示。“水泵为河流的力量提供了一种解释。”他说，生物泵可以解释“冷亚马逊悖论”从1月到6月，当亚马逊盆地比海洋更冷时，强风从大西洋吹向亚马逊河ーー如果这些强风是由不同的加热造成的，那么它们将与预期相反。另一位早期的助手诺布雷热情洋溢地说:“他们不是从数据开始，而是从第一原则开始。”

即使那些怀疑这一理论的人也同意，森林丧失可能会对气候产生深远的影响。许多科学家认为，数千年前的森林砍伐是澳大利亚内陆和西非沙漠化的罪魁祸首。令人担忧的是，未来的森林砍伐可能会导致其他地区的干旱，例如，亚马孙雨林的部分地区将被大草原覆盖。中国的农业区域，非洲的萨赫勒地区和阿根廷的潘帕斯草原也处于危险之中，来自柯林斯堡科罗拉多州立大学的大气化学家PatrickKeys说。

年，Keys和他的同事使用了一个类似于vanderEnt的模型来追踪全球29个特大城市的降雨来源。他发现，其中19个城市的大部分供水高度依赖于遥远的森林，包括巴基斯坦的卡拉奇、中国的武汉和上海、印度的新德里和加尔各答。他说:“即使由于逆风土地使用的变化而导致的降水量的微小变化，也可能对城市水供应的脆弱性产生巨大影响。”。

一些模型甚至表明，通过移除湿气源，森林砍伐可能会改变飞行河流之外的天气模式。迈阿密大学(UniversityofMiami)的气候学家罗尼·阿维萨(RoniAvissar)说，就像热带太平洋洋流和风向的变化“厄尔尼诺”(Elnio)通过“遥相关”影响着遥远地区的天气一样，亚马逊(Amazon)的森林砍伐也能减少美国中西部的降雨量，减少内华达山脉的积雪量。阿维萨建立了这种遥相关的模型。牵强？“一点也不，”他说。“我们知道厄尔尼诺现象可以做到这一点，因为与森林砍伐不同，它会反复发生，我们可以看到其模式。这两种现象都是由于温度和湿度的微小变化投射到大气中造成的。”

在斯德哥尔摩大学研究土地、水和气候之间相互作用的LanWang-Erlandsson说，是时候让水资源管理者把他们的注意力从流域内的水和土地利用转移到流域外的土地利用变化上来了。她说:“我们需要新的国际水文协议来保护森林的来源地区。”。

两年前，在联合国森林论坛的一次会议上，伯恩大学的土地研究员DavidEllison提出了一个恰当的例子:一项研究表明，尼罗河的主要源头，埃塞俄比亚高地的总降雨量的40%来自刚果盆地森林中回收的水分。埃及、苏丹和埃塞俄比亚正在谈判一项早该达成的共享尼罗河水的协议。但埃里森认为，如果远离这三个国家的刚果盆地的森林砍伐导致水分来源枯竭，这样的协议将毫无价值。“在全球淡水资源管理中，森林与水之间的相互作用几乎完全被忽视。”

生物泵将进一步提高赌注，因为它暗示森林的丧失不仅改变了水分来源，也改变了风的模式。埃里森警告说，这一理论如果正确，将对“行星空气循环模式产生重要影响”，特别是那些将潮湿空气带入内陆到大陆内部的模式。

该理论的支持者只是少数。年，加州大学河滨分校(UniversityofCalifornia，Riverside)的生态学家马卡里耶娃(Makarieva)、戈尔什科夫(Gorshkov)、谢尔(Sheil)、诺布雷(Nobre)和李(Bai-LianLi)向《大气化学与物理》(AtmosphericChemistryandPhysics)提交了一份具有里程碑意义的关于生物泵的描述，这是一份开放式同行评审的主要期刊。标题为“风从何而来?”这篇论文在网上遭到了猛烈的批评，期刊花了好几个月的时间，才找到两位愿意评论它的科学家。普林斯顿大学地球物理流体动力学实验室的气象学家艾萨克·赫尔德最终自告奋勇，建议予以拒绝。“这不是什么神秘效应，”他表示。“它很小，而且包含在一些大气模型中。”批评人士说，水蒸气冷凝时释放的热量使空气膨胀，抵消了冷凝造成的空间效应。但是马卡里耶娃说，这两种效应在空间上是分开的，变暖效应发生在高处，凝结压降发生在靠近地表的地方，在那里它产生生物风。

另一位评论家是朱迪思·柯里，当时是乔治亚理工学院的大气物理学家，他长期以来一直