Anastasia Makarieva, physicienne nucléaire de l'Institut de physique nucléaire de Saint-Pétersbourg, défend la théorie selon laquelle les forêts de la taïga de Russie régulent le climat des régions du nord de l'Asie depuis plus de dix ans. De nombreux météorologues occidentaux ne sont pas d'accord avec elle, mais le gouvernement et les scientifiques de Russie sont intéressés par cette théorie.
Chaque été, quand les jours s'allongent, Anastasia Makarieva quitte son laboratoire de Saint-Pétersbourg et part en vacances dans les forêts infinies du nord de la Russie. Un physicien nucléaire installe une tente sur les rives de la mer Blanche, parmi les sapins et les pins, nage en kayak le long des interminables rivières de la région, et prend des notes sur la nature et le temps. «Les forêts sont une grande partie de ma vie personnelle», dit-elle. Pendant 25 ans de pèlerinage annuel dans le nord, ils sont devenus une partie importante de sa vie professionnelle.
Depuis plus de dix ans, Makarieva défend une théorie qu'elle a développée avec Viktor Gorshkov, son mentor et collègue de l'Institut de physique nucléaire de Pétersbourg (PNPI), sur la façon dont les forêts boréales (taïga) de Russie, la plus grande forêt de la planète, régulent le climat de l'Asie du Nord. Cette théorie physique simple mais ambitieuse décrit comment la vapeur d'eau exhalée par les arbres crée des vents - ces vents traversent le continent, transportant l'air humide de l'Europe à travers la Sibérie et plus loin vers la Mongolie et la Chine; ces vents emportent les pluies qui alimentent les fleuves géants de la Sibérie orientale; ces vents arrosent la plaine du nord de la Chine, le grenier du pays le plus peuplé de la planète.
En raison de sa capacité à absorber le dioxyde de carbone et à expirer de l'oxygène, les grandes forêts sont souvent appelées les poumons de la planète. Mais Makarieva et Gorshkov (il est décédé l'année dernière) sont convaincus qu'ils sont aussi son cœur. «Les forêts sont des systèmes pluviaux complexes et autonomes et le principal facteur de circulation de l'atmosphère sur Terre», déclare Makarieva. Ils recirculent d'énormes quantités d'humidité dans l'air et, ce faisant, créent des vents qui pompent cette eau dans le monde entier. La première partie de cette théorie - que les forêts font pleuvoir - est conforme aux recherches d'autres scientifiques et est de plus en plus rappelée lors de la gestion des ressources en eau dans un contexte de déforestation rampante. Mais la deuxième partie, la théorie que Makarieva appelle la pompe biotique, est beaucoup plus controversée.
Le contexte théorique du travail a été publié - bien que dans des revues moins connues - et un petit groupe de collègues a soutenu Makarieva. Mais la théorie de la pompe biotique a fait l'objet de nombreuses critiques - en particulier de la part des modélisateurs climatiques. Certains pensent que l'impact de la pompe est insignifiant, tandis que d'autres le nient du tout. En conséquence, Makarieva s'est retrouvée dans le rôle d'un étranger: une physicienne théorique parmi les développeurs de modèles, une Russe parmi les scientifiques occidentaux et une femme dans une région dirigée par des hommes.
Cependant, si sa théorie est correcte, elle pourra expliquer pourquoi, malgré l'éloignement considérable des océans, à l'intérieur des continents boisés il y a autant de précipitations que sur la côte, et pourquoi l'intérieur des continents sans arbres, au contraire, est généralement aride. Cela implique également que les forêts - de la taïga russe aux forêts tropicales de l'Amazonie - ne poussent pas seulement là où le temps le permet. Ils le font eux-mêmes. «D'après ce que j'ai lu, j'ai conclu que la pompe biotique fonctionne», déclare Douglas Sheil, écologiste forestier à l'Université norvégienne des sciences de la vie. Avec le sort des forêts du monde en question, il dit: «Même s'il y a la moindre chance que cette théorie soit correcte, il est impératif de le découvrir avec certitude».
De nombreux manuels de météorologie fournissent encore un diagramme du cycle de l'eau dans la nature, où la principale cause de l'humidité atmosphérique, qui se condense dans les nuages et tombe sous forme de pluie, est l'évaporation des océans. Ce schéma ignore complètement le rôle de la végétation et en particulier des arbres, qui agissent comme des fontaines géantes. Leurs racines puisent l'eau du sol pour la photosynthèse et les pores microscopiques des feuilles évaporent l'eau inutilisée dans l'air. Ce processus - une sorte de transpiration, uniquement dans les arbres - s'appelle la transpiration. Ainsi, un arbre mature libère des centaines de litres d'eau par jour. En raison de la grande superficie de feuillage, la forêt libère souvent plus d'humidité dans l'air qu'une masse d'eau de la même taille.
Le rôle de cette humidité secondaire dans la formation des pluies nutritives a été largement négligé jusqu'en 1979, lorsque le météorologue brésilien Eneas Salati a examiné la composition isotopique de l'eau de pluie de l'Amazonie. Il s'est avéré que l'eau renvoyée par la transpiration contient plus de molécules avec l'isotope lourd oxygène-18 que l'eau évaporée de l'océan. Donc Salati a montré que la moitié des précipitations sur l'Amazonie sont tombées à la suite de l'évaporation des forêts.
Les météorologues ont suivi le jet atmosphérique au-dessus de la forêt à une altitude d'environ 1,5 kilomètre. Ces vents - appelés collectivement le courant-jet inférieur sud-américain - soufflent d'ouest en est à travers l'Amazonie à la vitesse d'un vélo de course, après quoi les montagnes des Andes les entraînent vers le sud. Salati et d'autres ont suggéré que ce sont eux qui ont transporté la majeure partie de l'humidité libérée et les ont surnommés «la rivière volante». Selon le climatologue Antonio Nobre de l'Institut national brésilien de recherche spatiale, le fleuve Amazone volant transporte aujourd'hui autant d'eau que le fleuve géant de la Terre en dessous.
Pendant un certain temps, on a cru que les rivières volantes étaient limitées au bassin amazonien. Mais dans les années 1990, l'hydrologue Hubert Savenije de l'Université de technologie de Delft a commencé à étudier la recirculation de l'humidité en Afrique de l'Ouest. En utilisant un modèle hydrologique basé sur des données météorologiques, il a constaté que plus les terres sont éloignées de la côte, plus la proportion de précipitations provenant des forêts est élevée - jusqu'à 90% à l'intérieur. Cette découverte explique pourquoi le Sahel intérieur se dessèche: les forêts côtières ont disparu depuis un demi-siècle.
L'un des étudiants de Savenier, Ruud van der Ent, a développé son idée en créant un modèle global de flux d'air humide. Il a rassemblé des observations des précipitations, de l'humidité, de la vitesse et de la température du vent et des estimations théoriques de l'évaporation et de la transpiration, et a créé le premier modèle de transport de l'humidité à des échelles au-delà des bassins fluviaux.
En 2010, Van der Ent et ses collègues ont dévoilé leur conclusion selon laquelle dans le monde, 40% de toutes les précipitations se produisent sur terre et non sur l'océan. Souvent même plus. Le fleuve Amazone volant fournit 70% des précipitations dans le bassin du Rio de la Plata, qui s'étend dans le sud-est de l'Amérique du Sud. Van der Ent a été assez surpris de constater que la Chine reçoit 80% de son eau de l'ouest - et il s'agit principalement de l'humidité de l'Atlantique, qui est traitée par les forêts de la taïga de Scandinavie et de Russie. Le voyage comporte plusieurs étapes - cycles de transpiration avec pluie associée - et dure six mois ou plus. «C'est contraire aux informations précédentes que tout le monde apprend au lycée», dit-il. "La Chine est proche de l'océan, l'océan Pacifique, mais la plupart de ses précipitations proviennent de l'humidité des terres de l'extrême ouest."
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Si Makarieva a raison, les forêts fournissent non seulement de l'humidité, mais créent également le vent qui la transporte.
Elle a travaillé avec Gorshkov pendant un quart de siècle. Elle a commencé comme étudiante au PNPI, une subdivision de l'Institut Kurchatov, le plus grand institut russe de recherche nucléaire, tant civile que militaire. Dès le début, ils ont travaillé sur le terrain et se sont engagés dans l'écologie à l'institut, où les physiciens étudient les matériaux à l'aide de réacteurs nucléaires et de faisceaux de neutrons. En tant que théoriciens, se souvient-elle, ils avaient «une liberté de recherche et de pensée exceptionnelle» - ils étaient engagés dans la physique atmosphérique où qu'elle les mène. «Victor m'a appris: ne craignez rien», dit-elle.
En 2007, ils ont présenté pour la première fois leur théorie de la pompe biotique dans la revue Hydrology and Earth Sciences. Elle a été jugée provocante dès le départ car elle contredit un principe de longue date de la météorologie: les vents sont principalement causés par un réchauffement différentiel de l'atmosphère. Au fur et à mesure qu'il monte, l'air chaud abaisse la pression des couches inférieures, créant essentiellement un nouvel espace pour lui-même à la surface. En été, par exemple, la surface terrestre se réchauffe plus rapidement et attire les brises humides de l'océan plus frais.
Makarieva et Gorshkov affirment que parfois un processus différent prévaut. Lorsque la vapeur d'eau d'une forêt se condense en nuages, le gaz devient un liquide - et prend moins de volume. Cela réduit la pression d'air et aspire l'air horizontalement des zones avec moins de condensation. En pratique, cela signifie que la condensation sur les forêts côtières crée une brise marine, poussant l'air humide vers l'intérieur, où il se condense finalement et tombe sous forme de pluie. Si les forêts s'étendent à l'intérieur des terres, le cycle se poursuit, maintenant des vents humides sur des milliers de kilomètres.
Cette théorie renverse la vision traditionnelle: ce n'est pas la circulation atmosphérique qui contrôle le cycle hydrologique, mais, au contraire, le cycle hydrologique régule la circulation massique de l'air.
Sheel, et il est devenu un partisan de la théorie il y a plus de dix ans, la considère comme un développement de l'idée de voler des rivières. «Ils ne s'excluent pas mutuellement», dit-il. "La pompe explique la force des rivières." Il pense que la pompe biotique explique le «paradoxe froid de l'Amazone». De janvier à juin, lorsque le bassin amazonien est plus froid que l'océan, des vents forts soufflent de l'Atlantique à l'Amazonie - bien que la théorie du chauffage différentiel suggère le contraire. Nobre, un autre partisan de longue date, explique avec enthousiasme: "Ils ne proviennent pas de données, mais de principes fondamentaux".
Même ceux qui doutent de la théorie conviennent que la perte de forêts a des conséquences importantes sur le climat. De nombreux scientifiques affirment que la déforestation il y a des milliers d'années a conduit à la désertification des terres intérieures australiennes et de l'Afrique de l'Ouest. Il y a un risque que la déforestation à l'avenir conduise à des sécheresses dans d'autres régions, par exemple, une partie de la forêt amazonienne se transforme en savane. Les zones agricoles de la Chine, le Sahel africain et la pampa argentine sont également menacés, déclare Patrick Keys, chimiste atmosphérique à la Colorado State University, à Fort Collins.
En 2018, Kees et ses collègues ont utilisé un modèle similaire à celui de van der Ent pour suivre les sources de précipitations dans 29 régions métropolitaines mondiales. Il a constaté que la majeure partie de l'approvisionnement en eau de 19 d'entre eux dépend de forêts isolées, notamment Karachi (Pakistan), Wuhan et Shanghai (Chine), New Delhi et Kolkata (Inde). «Même de petits changements dans les précipitations causés par les changements d'utilisation des terres sous le vent peuvent avoir un impact important sur la fragilité des approvisionnements en eau urbains», dit-il.
Certains modèles suggèrent même que la déforestation, en détruisant la source d'humidité, menace de modifier les conditions météorologiques bien au-delà des rivières flottantes. Comme vous le savez, El Niño - les fluctuations de la température et des courants du vent dans l'océan Pacifique tropical - affecte indirectement le temps dans les endroits éloignés. De même, la déforestation en Amazonie pourrait réduire les précipitations dans le Midwest américain et la couverture de neige dans la Sierra Nevada, explique le climatologue de l'Université de Miami Roni Avissar, qui modélise de telles connexions. Farfelu? «Pas du tout», répond-il. «Nous savons qu'El Niño est capable de cela, car, contrairement à la déforestation, ce phénomène se répète et nous observons un modèle. Les deux sont causés par de petits changements de température et d'humidité qui sont rejetés dans l'atmosphère."
Le chercheur de l'Université de Stockholm, Lan Wang-Erlandsson, qui étudie l'interaction entre la terre, l'eau et le climat, affirme que le moment est venu de passer de l'utilisation de l'eau et du sous-sol dans un bassin fluvial particulier à un changement d'utilisation des terres au-delà. «De nouveaux accords hydrologiques internationaux sont nécessaires pour maintenir les forêts dans les zones où se forment des masses d'air», dit-elle.
Il y a deux ans, lors d'une réunion du Forum des Nations Unies sur les forêts, à laquelle participent les gouvernements de tous les pays, le chercheur foncier de l'Université de Berne David Ellison a présenté une étude de cas. Il a démontré que jusqu'à 40% des précipitations totales dans les hautes terres éthiopiennes, la principale source du Nil, proviennent de l'humidité qui revient des forêts du bassin du Congo. L'Égypte, le Soudan et l'Éthiopie sont en train de négocier un accord attendu depuis longtemps pour diviser les eaux du Nil. Mais un tel accord n'aurait aucun sens si la déforestation dans le bassin du Congo, loin des trois pays, assèche la source d'humidité, a suggéré Ellison. "La relation entre les forêts et l'eau dans la gestion de l'eau douce du monde est presque complètement ignorée."
La théorie de la pompe biotique poussera les enjeux encore plus loin, car la perte de forêt devrait affecter non seulement les sources d'humidité, mais également les régimes des vents. Ellison prévient que la théorie, si elle est confirmée, sera "critique pour les modèles de circulation d'air planétaire" - en particulier ceux qui transportent l'air humide à l'intérieur des terres.
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Mais jusqu'à présent, les partisans de la théorie sont en minorité. En 2010, Makarieva, Gorshkov, Shil, Nobre et Bai-Liang Li, écologiste à l'Université de Californie à Riverside, ont présenté leur description historique de la pompe biotique dans Atmospheric Chemistry and Physics, une importante revue thématique à comité de lecture. Mais l'article "D'où viennent les vents?" a été critiqué sur Internet et il a fallu plusieurs mois au magazine pour trouver seulement deux scientifiques pour l'examiner. Isaac Held, météorologue au laboratoire de dynamique des fluides géophysiques de l'Université de Princeton, s'est porté volontaire - et a recommandé que la publication soit refusée. «Ce n'est pas un effet mystérieux», dit-il. «Il est généralement insignifiant et, de plus, est déjà pris en compte dans un certain nombre de modèles atmosphériques. Les critiques disent que l'expansion de l'air à partir de la chaleur,qui est libéré lors de la condensation de la vapeur d'eau, contrecarre l'effet spatial de la condensation. Mais Makarieva dit que ces deux effets sont spatialement séparés: le réchauffement se produit en altitude et la baisse de la pression de condensation se produit plus près de la surface, là où un vent biotique est créé.
Une autre critique était Judith Curry, physicienne de l'atmosphère au Georgia Institute of Technology. Elle s'inquiète depuis longtemps de l'état de l'atmosphère et estime que l'article devrait être publié, car «la confrontation a un mauvais effet sur la climatologie, et elle a besoin de sang de son nez pour les physiciens». Après trois ans de débats, le rédacteur en chef du magazine a rejeté la recommandation de Held et a publié l'article. Mais en même temps, il a noté que la publication ne peut pas être considérée comme une approbation, mais qu'elle servira de dialogue scientifique sur une théorie controversée - pour la confirmer ou la réfuter.
Depuis lors, aucune confirmation ou réfutation n'est sortie - la confrontation s'est poursuivie. Le simulateur climatique de l'Université Columbia, Gavin Schmidt, déclare: "C'est juste un non-sens." Les auteurs répondent à des critiques comme celle-ci: «En fait, à cause des mathématiques, ils ne sont pas sûrs de poursuivre le dialogue». Le météorologue brésilien et chef du Centre national de surveillance et de prévention des catastrophes naturelles, Jose Marengo, déclare: «Je pense que la pompe existe, mais tout est désormais théorique. Les experts en modèles climatiques ne l'ont pas accepté, mais les Russes sont les meilleurs théoriciens du monde, il faut donc mener des expériences de terrain appropriées pour tout tester. " Mais jusqu'à présent, personne, pas même Makarieva elle-même, n'a proposé de telles expériences.
Pour sa part, Makarieva s'appuie sur la théorie, arguant dans une série de travaux récents que le même mécanisme peut affecter les cyclones tropicaux - ils sont entraînés par la chaleur dégagée lorsque l'humidité se condense au-dessus de l'océan. Dans le journal Atmospheric Research de 2017, elle et ses collègues ont suggéré que les pompes biotiques en forme de forêt extraient l'air riche en humidité des origines des cyclones. Cela explique-t-elle pourquoi les cyclones se forment rarement dans l'océan Atlantique Sud: les forêts tropicales d'Amazonie et du Congo drainent tellement d'humidité qu'il en reste trop peu pour les ouragans.
Le chercheur principal sur les ouragans au MIT, Kerry Emanuel, affirme que les effets proposés sont «importants, mais négligeables». Il préfère d'autres explications à l'absence d'ouragans dans l'Atlantique Sud, par exemple, les eaux fraîches de la région libèrent moins d'humidité dans l'air, et ses vents forts empêchent la formation de cyclones. Makarieva, pour sa part, est également dédaigneuse des traditionalistes, estimant que certaines des théories existantes sur l'intensité des ouragans «contredisent les lois de la thermodynamique». Elle a un autre article dans le Journal of Atmospheric Sciences - en attente de révision. «Nous craignons qu'en dépit du soutien de l'éditeur, notre travail soit à nouveau rejeté», dit-elle.
Bien que les idées de Makaryeva soient considérées comme marginales en Occident, elles prennent progressivement racine en Russie. L'année dernière, le gouvernement a lancé un dialogue public sur la révision des lois forestières. À l'exception des anciennes zones protégées, les forêts russes sont ouvertes à l'exploitation commerciale, mais le gouvernement et l'Agence fédérale des forêts envisagent une nouvelle catégorie - les forêts de protection du climat. «Certains membres de notre département forestier sont impressionnés par l'idée de la pompe biotique et souhaitent introduire une nouvelle catégorie», dit-elle. L'idée a également été soutenue par l'Académie russe des sciences. Makarieva dit que faire partie du consensus, et non un éternel étranger, est nouveau et inhabituel.
Cet été, son voyage dans les forêts du nord a été perturbé par l'épidémie de coronavirus et la quarantaine. Chez elle à Saint-Pétersbourg, elle s'est assise pour une autre série d'objections de la part de critiques anonymes. Elle est convaincue que la théorie de la pompe l'emportera tôt ou tard. «Il y a une inertie naturelle dans la science», dit-elle. Avec un humour noir russe, elle rappelle les propos du légendaire physicien allemand Max Planck, qui a donné la fameuse description des progrès de la science: «une série d'enterrements».
