Abigail Swann이 2000 년대 중반에 경력을 시작했을 때, 그녀는 지구의 표면에 사는 녹색 식물이 지구의 기후에 큰 영향을 줄 수 있다는 잠재적 인 급진적 개념을 탐구하는 소수의 과학자 중 한 사람이었습니다. 수십 년 동안 대부분의 대기 과학자들은 바람, 비 및 기타 신체 현상에 날씨와 기후 모델을 집중했습니다.
그러나 식물이 물, 이산화탄소 및지면과 공기 사이의 기타 화학 물질을 어떻게 움직일 수 있는지 시뮬레이션 할 수있는 강력한 컴퓨터 모델을 통해 식생은 거친 거리에 걸쳐 날씨 패턴을 제어 할 수 있음을 발견했습니다. 한 대륙의 숲의 파괴 또는 확장은 강우량을 높이거나 전 세계의 중간에 가뭄을 일으킬 수 있습니다.
Swann은 현재 워싱턴 대학교의 교수로서 친환경 실험실을 운영하고 있습니다. 그녀는 식물이 지구의 날씨와 기후를 형성하는 방법을 연구하는 작지만 성장하는 과학자 그룹의 선봉에 있습니다. 그들의 결과는 기후 과학을 흔들 수 있습니다. Swann은“대기 과학자들 중 누구도 식물이 강우에 영향을 줄 수있는 방법에 대해 생각하고 있지 않다고 말했다. 그리고 그녀는 다음과 같이 덧붙였습니다.“이것은 생태 공동체의 마음을 날려 버립니다… 여기 식물이 실제로 식물에 영향을 줄 수 있습니다.”
.Columbia University의 생물 경화 학자 인 Park Williams는“우리 중 많은 사람들이 강력한 역할 식물이 실제로하는 것에 놀랐습니다. "대규모 기후에 대한 지구 표면의 영향은 현재 정말 급성장하는 주제이며 Abby Swann은 그 분야의 신흥 지도자 중 하나입니다."
.식물의 무시 된 영향
스완이 만난 대기와 생명 과학 사이의 분열은 1800 년대 후반부터 미국 정부가 농작물과 나무를 심는 것이 건조한 그레이트 평원을 젖게 할 것이라고 선언했을 때 보류였습니다. 정부는 토지 투기 자들에 의해 밀려난 모호한 이론을 받아들이고 미국 최고의 과학자 인 존 웨슬리 파웰 (John Wesley Powell)의 조언을 거부했다. 그러한 낙관적이지만 모호한 주장으로 인해 수천 명의 농부들이 서쪽으로 향할 것입니다. 그 땅을 녹색으로 만드는 것이 실제로 비가 오지 않았다는 것을 알았습니다. 많은 사람들이 건조한 땅에서 생계를 긁어 내기 위해 고군분투했고, 잘못된 농업 실험은 결국 파괴적인 먼지 그릇에 기여했습니다.
과학자들은 강하게 반응했습니다. 초기 기상 학자들은 젊은 분야의 신뢰를 구하기를 희망하는 초기 기상 학자들은 숲이 날씨에 영향을 미친다는 개념을 거부했습니다. "불행히도 그것에 대한 많은 논의는 순전히 과학적인 특성이 아니 었습니다." . 기상학과 기후 과학은 공기와 물에 대한 연구가되었습니다. 식물은 수동적 참가자 상태로 강등되었습니다.
대기 과학자들과 다른 모든 사람들은 햇빛, 바람, 비를 수동적으로 받아들이는 것보다 부드럽게 서있는 나무 나 부드럽게 거칠어지는 밀 필드를 생각하는 것에 대해 변명 할 수 있습니다. 그러나 식물은 실제로 지구 표면의 강력한 변화 에이전트입니다. 그들은지면에서 조직을 통해 공기까지 물을 펌핑하고 공기에서 조직으로 반대 방향으로 탄소를 움직입니다. 그동안 잎은 물을 나누고 수확 및 태양 에너지를 수확하고 조작하고 수소, 산소 및 탄소를 함께 꿰매어 설탕과 전분을 생산합니다.
.이 분자 마법사의 주요 특징은 식물 잎에있는 기공 (Stomata)이라고합니다. 단일 잎은이 특수 구조 중 백만 이상을 포함 할 수 있습니다. Stomata는 본질적으로 공기에서 이산화탄소를 동시에 섭취하고 물을 꺼내는 미세한 입입니다. Swann이 지적했듯이, 각 기공의 가스 교환 (실제로 각 잎에서 나온 가스 교환)은 그 자체로 작습니다. 그러나 수십억 개의 기공이 콘서트에 작용하면서 단일 나무는 하루에 수백 리터의 물을 증발시켜 여러 욕조를 채울 수 있습니다. 수억 개의 나무를 포함하는 세계의 주요 숲은 거의 큰 규모로 물을 움직일 수 있습니다. 예를 들어, 브라질 국립 우주 연구소 (National Institute for Space Research)의 기후 과학자 인 안토니오 노브 (Antonio Nobre)는 아마존 열대 우림이 하루에 약 20 조 리터의 물을 방출한다고 추정했다.
그러나 과학자들이 미래의 기후를 예측하기 위해 의존하는 컴퓨터 모델은 그 규모로 물을 움직일 수있는 식물의 힘을 인정하는 데 가깝지 않다고 스완은 말했다. "그들은 작지만 함께 강력합니다."
과학자들은 1970 년대 후반부터 세계 최대 550 만 평방 킬로미터의 아마존 열대 우림이 자체 폭풍을 일으킨다는 것을 알고 있습니다. 보다 최근의 연구에 따르면 대륙 내부의 강우의 절반 이상이 토양에서 대기로 자전거를 타는 식물에서 강력한 풍력 전류가 먼 곳으로 운반 할 수있는 것으로 나타났습니다. 상파울루와 같은 주요 도시뿐만 아니라 미국 중서부, 나일 밸리 및 인도와 같은 다양한 농업 지역은이 산림 중심의“플라잉 강”에서 많은 비를 얻습니다. 인류의 다이어트의 상당 부분이 적어도 부분적으로 숲 중심의 강우에 기인한다고 말하는 것은 과장이 아닙니다.
이러한 결과는 또한 우리가 일반적으로 원인과 결과를 고려할 것의 심오한 반전을 의미합니다. 일반적으로 우리는 오슬로 외곽 노르웨이 생명 과학 캠퍼스의 환경 과학자 인 더글러스 쉴 (Douglas Sheil)은“숲이 젖어 있기 때문에 젖어 있기 때문에 젖어 있기 때문에 숲이 젖어 있기 때문입니다. 그러나 아마도 그게 뒤로 물러 났을 것입니다. "[습한 기후]가 숲으로 인해 발생할 수 있습니까?" 그는 물었다.
북극의 숲
Swann은 2005 년 버클리 캘리포니아 대학에 도착하여 대기 과학자 인 Inez Fung과 함께 박사 과정을 수행했습니다. 1980 년대에 Fung은 현실적인 식생과 관련 이산화탄소 플럭스를 포함하는 기후 모델의 길을 열어주었습니다. (그녀의 다른 업적 중에서, 그녀는 1988 년 논문의 공동 저자 인 NASA 과학자 제임스 한센 (James Hansen)과 함께 기후 변화를 대중의 관심을 끌 수 있도록 도와주었습니다.) 당시에는 최신의 기술 이었지만 다른 연구 기관의 대응 자들과 마찬가지로 생물권을 단순하게 대표 할 수있었습니다.
.2000 년대 중반, 모델은 과학자들이 기후 시스템에서 식물이 할 수있는 역할을보다 정확하게 연구 할 수있을 정도로 개선되었습니다. Fung은 Swann이 기후 모델에서 북극을 숲에서 숲에서 숲을 밟을 것을 제안했습니다. 지구가 따뜻해지면서 나무는 더 높은 위도를 식민지화하고 있으므로이 지역의 기후에 어떤 영향을 미칠지 물어 보는 것이 합리적이었습니다. 다른 연구자들은 이전에 북부 가문비 나무 숲의 확장의 잠재적 영향을 조사했다. 당연히 그들은 나무의 잎이 어둡고 대체 할 수있는 거의 모든 툰드라, 얼음 및 관목보다 더 많은 햇빛을 흡수하기 때문에 북극이 따뜻해 질 것임을 발견했습니다. Swann은 잠식 숲이 자작 나무 나 아스펜과 같이 밝은 색의 잎이있는 낙엽 나무라면 어떻게 될지 조사하기로 결정했습니다.
그녀의 모델에서, 북극은 여전히 섭씨 1도에 의해 여전히 따뜻해졌으며, 그녀는 예상했던 것보다 더 많았습니다. Swann은 그녀의 시뮬레이션 된 숲이 이산화탄소와 같이 지구의 적외선을 흡수하고 일부를 아래쪽으로 리디렉션하는 온실 가스 인 많은 수증기를 방출했다고 결정했습니다. 증기는 땅과 바다에서 얼음이 녹아 햇빛을 더 흡수하고 더 따뜻해지는 어두운 표면을 노출시켰다. 새로운 산림은 피드백 루프를 시작하여 기후 변화의 영향을 증폭시켰다. 이 발견은 식물이 지역의 기후를 발휘할 수있는 힘을 암시했습니다.
별도의 연구에서 Swann은 온대 북미, 유럽 및 아시아의 모든 초목 지역을 산림으로 전환했습니다. 다시 말하지만,이 운동은 현실 세계에서 이미 일어나는 일을 과장했습니다. 위성 데이터는 이전 농지가 산림으로 돌아 오면서이 대륙이 녹색으로 늘어나고 있으며, 아마도 이산화탄소가 강화되고 계절이 더 길어질 수 있습니다.
.북극 연구에서와 같이, 새로운 나무는 햇빛을 흡수하고 따뜻하게하여 기후 시스템에 에너지를 추가했습니다. 그런 다음 대기 전류는 지구 주변 에이 에너지를 재분배했습니다. 가뭄은 아마존 남부에서 내려 갔고 비는 사하라에서 떨어졌다. 이러한 영향은 적도에서 상승하는 대규모 컨베이어 벨트 인 Hadley Cell의 재배치로 인해 발생했으며, 열대에 비가 내리고, 대부분의 세계 사막이있는 북쪽과 남쪽 위도의 약 30도에서 건조한 공기로 다시 내려갑니다. 식물의 영향만으로 해들리 셀은 북쪽으로 이동했습니다.
Swann은 숨겨진“통신”을 발견 한 것처럼 보였습니다. 곰팡이는 놀라지 않았습니다. 대기 과학자들은 그러한 원격 영향에 익숙해졌습니다. 1920 년대 이후로 이해 된 주기적 엘니뇨 (El Niño) 사건에서 동부 태평양의 비정상적으로 따뜻한 지표수는 남미와 아프리카에서 폭우를 유발하며 동남아시아와 호주의 가뭄을 유발합니다. Swann의 시뮬레이션 된 사건의 참신함은 바다가 아닌 숲이 영향을 미쳤다는 것입니다.
콜로라도 주 볼더에있는 국립 대기 연구 센터 (National Center for Atmospheric Research)의 지구과 의사 인 고든 보난 (Gordon Bonan)은“정말 흥미로운 관점이었습니다.”라고 말했습니다. "이 나무 심기가 충분하면 실제로 순환 패턴을 변경할 수 있습니다."
.산림 변화로 인한 먼 효과
녹색 북극 또는 재조림 온대 구역과 같은 시나리오는 보이는 것만 큼 멀지 않습니다. 자연 의 최근 연구 지난 30 년 반 동안 트리 커버는이 지역에서 2 백만 평방 킬로미터 이상 증가했다고보고했습니다.
막대한 나무 손실도 현대 세계의 일부입니다. 온대와 붕실 나무가 땅에 닿았을 때 거의 같은 기간 동안 아마존 열대 우림의 약 20 %가 줄어들 었습니다. 2010 년 이후 캘리포니아에서만 거의 1 억 3 천만 그루의 나무가 가뭄과 산불로 인해 사망했습니다.
미래의 기후 변화가 산림에 어떤 영향을 미치는지 이해하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 2005 년, 2010 년 및 2015 년에 발생한 심각한 가뭄에 근거하여 일부 과학자들은 아마존이 탄소 저장, 생물 다양성 및 지역 기후에 대한 치명적인 결과를 초래하면서 많은 열대 우림이 사바나로 향할 수있는 티핑 지점에 가까워 질 수 있다고 생각합니다. 2017 년 말의 논문은 미래의 온난화가 가뭄이 미국 남서부의 숲에 더 치명적일 것이라는 증거를 제공했습니다. 일부 과학자들은 남서부의 많은 숲이 사바나 또는 초원이 될 수 있다고 예측하고 있으며, 적어도 하나는 로스 알라 모스 국립 연구소의 네이트 맥도웰 (Nate McDowell) 이이 지역의 나무의 많은 부분이 죽을 수 있다고 말한 것으로 인용되었습니다.
.그러나 산림의 변화가 어떻게 세계 기후를 바꿀 수 있는지에 대한 문제는 거의 고려되지 않았습니다. "수십 년 동안 우리는 식물의 영향을 불러 일으키지 않고 기후 모델링에서 얼마나 잘 할 수 있습니까?" 윌리엄스가 말했다. "식물은 등 버너에 일종의 남은 상태입니다."
Swann 's와 Fung의 연구에 따르면 식물은 앞으로 나아갈 필요가 있다고 제안했습니다. 다른 연구자들은 주목했습니다. 올해 초 Swann을 포함한 두 그룹의 과학자 그룹은 이산화탄소 수준이 상승함에 따라 산림 중심의 물 운송이 어떻게 변할 것인지에 대한 연구를 작성했습니다. 개별 잎에 대한 연구에 따르면 식물이 이산화탄소로 목욕을 할 때 잎 당 많은 기둥을 만들 필요가 없으며 시간을 더 많이 닫습니다. 이러한 변화는 산림 식물이 생존을 위해 물을 보존하는 데 도움이되지만 주변 대륙에서 비가 내릴 수있는 수증기를 줄입니다. 또한, 식물이 변할 때, 그들은 더운 날에 땀의 증발이 몸을 식히는 것처럼 지구의 표면을 식히고 공기를 따뜻하게합니다. 대륙을 가로 질러 조정 된 잎 수준의 변화는 수분의 대기를 빼앗아 지구 표면을 따뜻하게 할 수 있습니다.
캘리포니아 대학교 (University of California)의 기후 학자 인 마이클 프 리치드 (Michael Pritchard)에게 스완의 결과는“매우 도발적이며 큰 모닝콜”이라고 그는 말했다. "이 효과는 향후 가뭄 심각도 전망의지도를 다시 작성하는 것처럼 보였습니다."
Pritchard는 이전에 구내 폐쇄 효과를 알지 못했다고 말했다. 이 지식은 기후 과학자 인 Gabriel Kooperman이 이끄는 그룹에 합류하여 UC Irvine의 3 가지 주요 열대 산림 지역에 대한 이산화탄소의 향후 효과를 조사했습니다. 아마존, 중앙 아프리카 및 동남아시아.
.자연 기후 변화 에 발표 된 연구에서 4 월에 연구원들은 스토마타의 폐쇄로 인해 지역이 2100 년까지 볼 수있는 강우의 절반을 초래할 것임을 발견했습니다. 또한 세계에서 가장 탄소적이고 생물 다양성 열대 우림의 본거지 인 아마존은 가장 심각한 감소로 타격을받을 것입니다.
.Swann은 이제 다른 규모로 산림 변화의 영향을 조사하고 있습니다. 2016 년 논문에서, 그녀는 북아메리카 서부의 숲을 닦아내는 것이 남미 동부의 숲이 더욱 활발하게 자라면서 유럽의 성장을 줄 였다고보고했다.
.그리고 5 월에 발표 된 연구에서 그녀는 미국 산림 다이 오프가 다른 곳의 산림에 어떤 영향을 미칠지 조사했습니다. 그녀의 모델에서, 그녀는 국립 과학 재단이 생태 학적으로 구별되는 것으로 확인 된 13 개의 산림 지역에서 숲을 죽였다. 결과는 극적이었습니다. 그녀가 태평양 남서부에서 나무를 닦았을 때 중서부와 동부의 숲이 어려움을 겪었습니다. 최근 몇 년 동안, 태평양 사우스 웨스트는 실제로 가뭄과 곤충에 주로 약 1 억 그루의 나무를 잃어 버렸습니다.
그러나 산림 다이 오프의 영향도 긍정적 일 수 있습니다. Swann의 연구에서, 대서양 중부에서 나무를 제거하는 것은 실제로 지역의 여름이 더 시원하거나 습하게 만들어서 다른 곳에서 숲을 도왔습니다. Swann은 이것이 사람들이 산림을 줄여야한다는 것을 의미하지는 않으며, 이는 탄소 저장, 야생 동물 서식지 및 물 여과를 포함한 다른 지역에 영향을 미치는 수많은 혜택을 제공합니다. 그러나 그녀는 환경 단체가 종종 나무가 다른 곳의 숲에 해를 끼칠 수 있는지 여부를 고려하지 않고 기후 솔루션으로 나무를 심니다. 또는 태양 에너지를 흡수하여 지구를 따뜻하게합니다.
예를 들어, 중국과 아프리카 Sahel에서 대규모 정부가 후원하는 나무 심기가 열렸습니다. 세계 기후에 어떤 영향을 미쳤는지 아무도 모릅니다. Bonan은“우리가 말하고 싶은 것은이 양의 나무를 심는 경우 행성 온난화의 감소를 보게 될 것입니다. "우리는 아직 그 대답을 가지고 있지 않습니다."
Swann에게는 어떤 효과를 보는 것이 스릴이었습니다. 그녀는“규모가 작을수록 이러한 기후 반응과 그 이후의 산림 반응을 식별하기가 더 어렵고 어렵다고 생각했다”고 말했다. "이러한 작은 산림 손실은 여전히 큰 영향을 미치며 실제로 손실 된 나무 영역과의 영향만으로도 영향을 미치지 않습니다."
.불확실성은 여전히 중요합니다
모든 사람이 Ecoclimate Teleconnections에서 판매되는 것은 아닙니다. Sheil은 Kooperman 주도의 연구 결과에 회의적입니다. 그는 기후 모델이 식물 생물학과 공기 운동의 물리학과 실제 생물학적 세계에 대해 의미있는 것을 말할만큼 정확하게 대표하지 않는다고 생각합니다. 예를 들어, 동일한 입력이 주어진 다른 기후 모델은 종종 다른 예측을한다는 점에 지적합니다.
다른 사람들은 생태계 연구자들이 하나의 모델, 커뮤니티 지구 시스템 모델 또는 CESM에 크게 의존했다고 지적합니다. 일반적으로 기후 과학자들은 수많은 모델의 출력에서 볼 때까지 현상이 현실이라고 확신하지 않습니다. 예를 들어, 기후 변화에 관한 다음 정부 간 패널은 30 개가 넘는 모델의 결과를 통합합니다. Pritchard는 CESM이 초목에 비정상적으로 민감 할 수 있다고 말했다.
Swann은 자신의 비판을 추가합니다. 그녀와 그녀의 동료들은 항상 숲이 그녀의 모델에서 먼 지역에 영향을 미치는 물리적 인 원인을 정리할 수 없었습니다. 예를 들어, 미국 산림에 관한 최근 논문에서, 하나씩 조사하기에는 너무 많은 이종 메커니즘이 있다고 그녀는 말했다. 상황은 가상의 나비가 브라질에서 날개를 펄럭이고 텍사스의 토네이도를 떠나는 것을 연상시킵니다. Swann과 그녀의 동료들은 나비 펄럭 거리는 소리를 내고 토네이도가 형성되는 것을 볼 수 있지만 그 사이에서 무슨 일이 일어나는지 완전히 이해하지 못합니다. 그러한 메커니즘을 설명하는 것은 미래의 작업의 초점이 될 것입니다.
그러나 이러한 우려를 해결하는 것은 밤새 일어나지 않을 것입니다. CESM과 달리 대부분의 모델은 모델링 센터에서만 실행할 수 있습니다. 이 사람들은 2022 년에 기후 변화에 관한 다음 정부 간 패널을 위해 시뮬레이션을 실행 하느라 바쁘다.
기후 과학이 주로 물리적 현상에 관한 것이라는 역사적 견해는 여전히 영향을 미칩니다. 10 년 이상 동안 기후 학자들은 구름이 모델에서 가장 큰 불확실성의 원천으로 보았습니다. 구름은 들어오는 햇빛을 반사하여 지구를 식히지 만 온실 가스 인 수증기로 만들어 졌기 때문에 지구를 따뜻하게합니다. 모델은 미래의 냉각 및 온난화에 얼마나 많은 구름이 기여할 것인지에 대해 크게 다르고, 따라서 이산화탄소의 두 배가 문제가 있지만 관리하기 쉽지 않거나 치명적일 것인지의 여부
그러나 주어진 지역에 비가 얼마나 많이 떨어질 것인지, 언제, 계절과 해마다 계절에 따라 얼마나 많은지, 어떤 장소가 살아남을 수 있고 어떤 장소가 없는지를 결정하는 데 모든 차이가 생길 것입니다. 그리고 Swann과 Fung의 결과는 적어도 식물이 그러한 질문에 대한 답을 못 박는 데있어 구름 물리학만큼 큰 영향을 줄 수있는 가능성을 열어줍니다.
또한 Fung은 문제가 독립적이지 않다고 지적합니다. 숲은 구름을 생성합니다. 숲의 정확한 그림이 없으면 클라우드 모델이 불완전합니다.
그렇기 때문에 Swann은 새로운 프로젝트를 시작하는 이유입니다. 기후 모델 결과의 불확실성에 얼마나 많은 식물이 기여하는지 정량화하려고합니다. 그 숫자를 손에 들고, 그녀는 생태학과 대기 과학이 분리 할 수 없다고 다른 연구자들을 설득하기위한 더욱 강력한 도구를 가지고있을 수 있습니다.
또 다른 잠재적 인 프로젝트는 모델링 연구에서 발견 된 통신의 관찰 증거를 위해 산림 데이터를 살펴 보는 것과 관련이 있습니다. 그러나 Swann은 그녀가 숲이 경험하는 많은 푸시와 당기는 동안 그러한 신호가 나타날 것이라는 그녀는“회의적인 측면에서 약간”이라는 것을 인정합니다. 그녀와 David Breshears는 애리조나 대학교의 생태 학자이자 미국 산림 신문의 공동 저자 중 한 명도 미래의 남서부 산림 손실이 중서부의 기후, 전국의 빵 바스켓 및 지구상에서 가장 생산적인 농업 지역 중 하나에 어떤 영향을 미칠지 탐구하고 있습니다.
.한 가지 분명한 점은 이미 분명합니다. Swann의 영향력이 느껴지고 있습니다. 10 년이 넘게, 생태계 통신은 미국 생태 학회 및 미국 지구 물리학 연합과 같은 주요 과학 회의에서 빈번한 토론 주제로 알려지지 않은 것으로 나타났습니다. 더 이상 그러한 아이디어는“순전히 과학적인 성격”이 아닌 것으로 기각되지 않습니다.
.이 새로운 연구 분야의 발전은 미래의 기후 과학자들이 1 세기가 넘는 두 분야를 마스터해야한다는 것을 보여줍니다. 대기 물리학과 생물학.
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곰팡이는“ '다국어'과학자는 거의 없다”고 말했다. "애비가 그녀의 일을했을 때, 그것은 두 분야의 두 분야가 함께 모였습니다." 그녀는 덧붙였다
