Entrevista del mes: Victor Gorshkov y Anastassia Makarieva

1. Para una persona de la calle y en pocas palabras, ¿qué es la Biotic Pump Theory, BPT (Teoría de la Bomba Biótica)?

La teoría de la bomba biótica tiene componentes físicos y ecológicos. Los físicos son que los vientos soplan desde donde la tasa de condensación de vapor de agua es baja a donde es alta. Los ecológicos son que la gran superficie de evaporación de las hojas verdes hace que la evaporación y, por consiguiente, la condensación, sea constantemente más intensa sobre los bosques naturales que sobre el océano. Por lo tanto, cuando el continente está cubierto de bosques y el viento sopla de mar a tierra, aporta la humedad para alimentar los procesos de precipitación y compensar la escorrentía de los ríos. Este bosque inducido por el transporte de océano a la tierra la humedad se llama la bomba biótica de la humedad atmosférica.

2. ¿Por qué el nombre de “biótica”?

La palabra “biótica” (no “biológica”) hace hincapié en que la bomba de humedad biótica puede ser estable impulsada por todos los organismos vivos de la biota natural, no solamente por algunas especies en particular (por ejemplo, algunos árboles) o grupos de especies seleccionadas artificialmente por el hombre. La teoría de la bomba biótica es una parte del concepto de regulación biótica del medio ambiente (www.bioticregulation.ru). Según este concepto, el entorno adecuado para la vida es mantenerse en este estado por los organismos vivos de la biota natural intacta (es decir, la totalidad de los organismos biológicos) de la Tierra. La información necesaria para la regulación biótica está escrita en los programas genéticos de las especies biológicas de la biota de la Tierra. Para el funcionamiento estable de la bomba biótica del complejo ecosistema en su totalidad, es necesario que incluya a los árboles, hierbas y maleza, bacterias, hongos y todos los animales que interactúan entre sí.

Figura 1.- Esquema clásico del ciclo del agua

3. ¿Y para un hidrólogo, con palabras más técnicas?

Como las masas de tierra se elevan por encima del océano, debido a la gravedad, los continentes están continuamente perdiendo agua, aportándola a los océanos a través de la escorrentía de los ríos. Dicho mecanismo puede agotar por completo las reservas mundiales continentales de agua en sólo unos pocos años. Por lo tanto, para preservar el ciclo del agua sobre la tierra, se necesita un mecanismo de transporte que devuelva continuamente humedad al continente desde el océano.

La condensación del vapor de agua por encima de la cubierta forestal reduce la cantidad de ese gas en la columna de aire. En consecuencia, la presión del aire en la superficie es menor. El aire húmedo fluye desde los océanos hacia las zonas continentales de baja presión. La humedad atmosférica distribuida desde el océano se precipita sobre la tierra y compensa la pérdida gravitacional de agua líquida a través de la escorrentía.

La bomba biótica del bosque debe funcionar de una manera compleja para regular el flujo de humedad de entrada a fin de encontrar un equilibrio entre la Scylla (sic) y Caribdis (sic) de las sequías (suministro de humedad demasiado bajo) y las inundaciones (suministro de humedad demasiado alto). Esto puede lograrse por diversos medios, principalmente por los efectos bióticos sobre la rugosidad aerodinámica, lo que garantiza la ausencia de una aceleración drástica en el aire que se desplaza hacia el interior desde el océano, mediante la atenuación de la liberación biogénica de núcleos de condensación y otros medios.

4.¿Qué papel pueden desempeñar los meteorólogos en el desarrollo de la BPT?

Durante siglos, a partir de los trabajos de Hadley y sus predecesores, la circulación atmosférica se ha asociado con el calentamiento diferencial de la superficie de la Tierra y la fuerza de Arquímedes, que hacer subir al aire caliente y ligero, hundiendo al frío y pesado. La teoría de la bomba biótica describe principalmente a un controlador de la circulación atmosférica desconocido con anterioridad –la caída de presión del aire y la liberación de energía potencial durante la condensación del vapor de agua. Hemos demostrado cómo este proceso físico produce vientos de velocidades observables y es la principal causa de la circulación atmosférica en la Tierra. El calentamiento diferencial juega un papel relativamente menor, siendo responsable de patrones de viento de menor importancia como, por ejemplo, las brisas. Esto sugiere un cambio de paradigma importante en la Meteorología moderna.

5.¿Guarda alguna similitud la BPT con los proyectos de terraformación que se desarrollaron hace años para conseguir condiciones de habitabilidad en planetas como Venus y Marte?

Tanto en Venus como en Marte, la condensación juega un papel destacado en la climatología del planeta. En Marte, son el vapor de agua y el CO2 los que se someten a las transiciones de fase. El dióxido de carbono de Venus está por encima del punto crítico de gas-líquido; además de que hay nubes de ácido sulfúrico allí. Por lo tanto, el mecanismo físico de la BPT se puede aplicar para describir la circulación atmosférica en Marte y Venus. Pero no hay vida en Marte o en Venus y no hay regulación biótica.

¿Podrían ser las condiciones ambientales de estos planetas bióticamente reguladas para hacerlos aptos para la vida? Sí, podrían. Pero necesitaríamos los diferentes ecosistemas naturales que han evolucionado en esos planetas. Si los ecosistemas terrestres son transferidos a Marte o Venus, o son colocados dentro de depósitos cerrados, inevitablemente se desintegran y dejarán de existir. En principio, el diseño artificial de sistemas biológicos capaces de mantener de forma estable la vida y el medio ambiente compatibles en Marte, Venus o en cualquier otro lugar distinto a la Tierra, es imposible. La razón es que los flujos de información necesarios para la regulación ambiental superan en 20 órdenes de magnitud toda la posible información facilitada por la civilización. Tales flujos de información son procesados por las células vivas de la biosfera.

6.¿Cómo pueden usar los meteorólogos los conceptos del la BPT en sus mapas del tiempo de predicción?

La bomba biótica se plantea como la consecuencia de una interacción particular de cuatro conocidas leyes físicas: la ley de Clausius-Clapeyron, la ley de los gases ideales, la ley de la gravitación y la de conservación de la energía.

La ley de Clausius-Clapeyron dice que la presión saturada del vapor de agua (la máxima posible) se duplica aproximadamente por cada diez grados centígrados que aumente la temperatura. La ley de los gases ideales y la gravedad se combinan para establecer que, en equilibrio hidrostático, la presión del vapor de agua se reduce a la mitad por cada nueve kilómetros de ascensión. Por lo tanto, el vapor de agua saturado sólo puede ser estático si el gradiente térmico vertical no excede de diez grados por cada nueve kilómetros, o, de forma algo más exacta, un valor crítico de 1,2 ºC/km. Pero la ley de conservación de energía, que determina que, en ausencia de un aporte externo de calor, la elevación y expansión del gas enfría, prescribe que la temperatura de una parcela de aire ascendente se reduce en promedio 6,5 ºC/km (un valor intermedio entre el gradiente adiabático seco y el saturado o húmedo). Esto es aproximadamente seis veces mayor que el valor estático crítico. Las cuatro leyes se combinan para prohibir que el vapor de agua pueda estar en equilibrio hidrostático en la atmósfera de la Tierra –su distribución vertical parece estar comprimida casi seis veces más que la distribución hidrostática.

La atmósfera en contacto con la superficie del agua líquida de los océanos del mundo es inestable a la condensación del vapor de agua. Como una porción de aire que se eleva, se enfría mucho más que a razón de 1,2 ºC /km, parte de su vapor de agua se condensa. En consecuencia, la presión del aire en la superficie (es decir, aproximadamente igual al peso de la columna de gas) se reduce. En la región donde ha tenido lugar la condensación se forma un área de baja presión, por lo que el aire empieza a fluir hacia esa región. Atrapa más vapor de agua, lo que sustenta el proceso de condensación. Así es como la bomba biótica trabaja físicamente.

Las cuatro leyes que sostienen la BPT son, por supuesto, bien conocidas. Varios estudios como el de Trenberth (1991), van den Dool y Saha (1993, J. Climate 6:22), Lackmann y Yablonsky (2004, J. Atm. Sci. 61: 1674) reconocieron la disminución de la presión del aire en la condensación. Weaver y Ramanathan (1995, J. Geophys. Res., 100D, 11585) menciona que la escala de altura del vapor de agua puede obtenerse de la consideración de la ecuación de Clausius-Clapeyron, con lo que se restablece el resultado teórico que conocemos por los textos más antiguos de principios del siglo XX, pero que falta en la literatura moderna meteorológica. Gorshkov (1990, La Energía de la Biosfera y la estabilidad del estado medioambiental, www.bioticregulation.ru/pubs/pubs5.php) señala que la energía de los huracanes y los tornados se determina por la condensación después de un período prolongado de evaporación. La liberación de energía potencial asociada con una caída de presión asociada a la condensación y relacionada con la base física de la bomba biótica, no ha sido discutida previamente.

7.¿Qué valor añadido existe en su teoría respecto a las ideas actuales?

La teoría de la bomba biótica proporciona una descripción unificada y cuantitativa de fenómenos atmosféricos tales como (1) la circulación a gran escala (continental y oceánica), (2) huracanes y (3) tornados. El paradigma de la Meterología clásica se basa en el calentamiento diferencial horizontal para explicar los vientos moderados de los patrones de circulación a gran escala. En lógica controversia, se abandona el concepto de calentamiento diferencial para describir los huracanes (los fuertes vientos), debidos en origen a la extracción de calor desde la superficie oceánica horizontal isoterma; por último, no se posee una teoría física desarrollada sobre el origen de los tornados origen (los vientos más fuertes siempre se desarrollan sobre tierra firme). De acuerdo con la BPT, estos fenómenos surgen debido a la condensación del vapor de agua que se produce en la atmósfera en una variedad de escalas espaciales. Las estimaciones numéricas de los sondeos de la pared de vientos y del radio del ojo, así como los perfiles de velocidad del viento (tangencial, radial y vertical) para los huracanes y los tornados, son aportados por la nueva teoría, pero con un número limitado de parámetros fundamentales atmosféricos, como la presión parcial del vapor de agua, el radio de circulación y la rugosidad de la superficie.

Figura 2.- Vista aérea de un tramo del río Amazonas.

8. Ustedes la han aplicado en las zonas tropicales, en particular sobre la Amazonía ¿verdad?

Sí, la selva amazónica es la bomba biótica más fuerte de toda la Tierra, ya que proporciona una enorme cantidad de humedad en una superficie de miles de kilómetros tierra adentro. Según la teoría de la bomba biótica, la deforestación de la Amazonia convertiría el sur del continente americano en un desierto, debido a que los vientos océano-tierra cambiarían de dirección. Por el contrario, los modernos modelos de circulación global (MCG) predicen una modesta reducción de la precipitación si la región sufriera una deforestación, considerando que la circulación atmosférica no se ve afectada por la cubierta vegetal. Al mismo tiempo, vale la pena señalar que los MCG modernos no son capaces de reproducir el ciclo del agua del Amazonas. La cantidad –según los modelos- de humedad atmosférica traída al Amazonas por los vientos parece ser dos veces menor que la cantidad actual medida en la escorrentía de los ríos. A pesar de que esto es bien conocido y de todo el tiempo que llevamos conociendo la deficiencia en el tratamiento convencional del ciclo del agua en el Amazonas por parte de los MCG, no hemos oído hablar de ningún intento de aplicar la nueva teoría de la bomba biótica para comprender los principios físicos y ecológicos de la circulación atmosférica en el Amazonas.

9.¿Es posible una reforestación en el ámbito tropical lo suficientemente grande y rápida como para que pueda tener efectos en el clima global en el plazo de unas pocas décadas?

No es posible llevar a cabo una reforestación artificial. Como mencionamos anteriormente, la bomba biótica es un fenómeno complejo con mucha información, que apareció como consecuencia de la evolución biológica cientos de millones de años atrás en el tiempo. Simplemente, reforestar no ayudará. Sin embargo, debería ser posible para facilitar los procesos naturales de auto-recuperación de los bosques. Prevemos que si la teoría de la bomba biótica se toma en serio y se reconoce la tarea de la reforestación, podemos esperar que aparezca una ciencia médica ecológica –que, al igual que la ciencia médica que permite la cura de varias enfermedades humanas, buscará la manera de permitir la recuperación libre de los ecosistemas forestales naturales después de las alteraciones varias a las que están siendo sometidos.

La completa restauración de la potencia de la bomba biótica es posible cuando el proceso natural de auto-recuperación (sucesión) haya terminado. En los ecosistemas boreales esto lleva más de cien años. Sin embargo, los primeros efectos significativos primero se pueden esperar en unas cuantas décadas, cuando la productividad biológica se ha restaurado.

10. Han recibido críticas y alabanzas por esta teoría por sus colegas, ¿Cómo se defienden científicamente de las críticas?

Hasta el momento, una notable objeción a la teoría de la bomba biótica ha sido que la liberación de calor latente asociado a la condensación conducirá a un aumento de la temperatura y al aumento de la presión de aire en lugar de producirse una caída de la misma. Este argumento, por ejemplo, fue formulado por un referee de nuestro reciente trabajo en ACPD (Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, http://www.atmos-chem-phys-discuss.net/8/17423/2008/acpd-8-17423-2008-discussion.html) y fue aprobado por el Comité Ejecutivo de ACPD. Sin embargo, como queda reflejado en nuestra respuesta final (http://www.cosis.net/copernicus/EGU/acpd/8/S12426/acpd-8-S12426.pdf, p. S12442), los cálculos de los referees se hicieron para un proceso, la condensación adiabática a volumen constante, que está prohibido por las leyes de la termodinámica y hace caso omiso de la ley de Clausius-Clapeyron y los efectos de la gravedad. De hecho, en equilibrio hidrostático, la presión del aire en superficie es igual al peso de la columna de aire, es decir, a la masa acumulada de las moléculas de aire por unidad de superficie multiplicada por la aceleración de la gravedad. El peso no depende de la temperatura. Por lo tanto, una vez que la masa de aire se reduce por la condensación (eliminación de vapor de agua de la fase gaseosa), la presión de aire en la superficie de las gotas a través de un ajuste rápido hidrostático independiente del cambio del perfil vertical de temperatura en la columna atmosférica, puede verse afectada por la liberación de calor latente. Esta caída de presión en superficie es responsable del transporte de la bomba de humedad biótica en la parte baja de la atmósfera.

11.¿Es posible aplicar dicha teoría a otras zonas ecuatoriales: ITCZ, cinturón de huracanes, etc.?

Sí, es posible. De acuerdo con la BPT, la forma que adopta en la actualidad la Zona de Convergencia Intertropical está profundamente influenciada por los bosques de las cuencas fluviales del Congo y del Amazonas y por los bosques tropicales de Asia e Indonesia, de manera tal que en su ausencia la ITCZ sería diferente.

Figura 3.- Imagen de satélite de la ITCZ discurriendo sobre el Pacífico Oriental. CRÉDITOS: NASA

12. El mar Mediterráneo es un mar relativamente cálido durante el otoño y en España disponemos registros de 800 mm de precipitación en 24 h o recientemente de 300 mm en 4-5 h. ¿Se puede aplicar la BPT a ciertas zonas de latitudes medias?

El concepto de BPT no tiene límites geográficos de aplicabilidad. El Mediterráneo es un depósito de agua relativamente pequeño situado entre Europa y África. El transporte atmosférico de humedad evaporada de este mar puede afectar significativamente sólo a las zonas continentales comparables al tamaño del propio mar. La principal fuente de humedad de Europa sigue siendo el océano Atlántico. Como en todas partes, la degradación de la cubierta vegetal natural en el resultado de los incendios, la tala y la sobreexplotación agrícola, esto provoca una reducción del ciclo del agua y del transporte de humedad en el sur de Europa, lo que facilita la desertización a escala regional

13. El cambio climático aumentará la cantidad de vapor de agua en la atmósfera, ¿cómo afectaría, según su teoría al desarrollo del ciclo del agua y a las lluvias?

La intensidad del ciclo del agua está limitada por la radiación solar entrante, por lo que no puede cambiar notablemente con el aumento de la concentración atmosférica del vapor de agua. La degradación de la vegetación natural y la desertización del terreno, independientemente de la temperatura global y de la concentración de vapor, hacen a la tierra más seca. Este es el mensaje principal de la teoría de la bomba biótica: la intensidad del ciclo del agua en la tierra depende principalmente del estado de su cubierta vegetal y no en las condiciones geofísicas. También advertimos que, según el concepto de regulación biótica, una degradación a escala global de los ecosistemas naturales lleva a la desestabilización del clima, no necesariamente al calentamiento. El clima de la Tierra con su hidrosfera líquida es inestable con respecto a las transiciones espontáneas a los estados incompatibles de vida, bien una Tierra “bola de nieve” o un efecto invernadero desbocado, debido a la retroalimentación positiva entre la temperatura superficial del mar y el contenido de humedad atmosférica (la principal responsable del efecto invernadero). El cambio climático no es el calentamiento global, pero sí la pérdida permanente de la estabilidad climática.

14. ¿Cuáles son las principales vías de investigación para afianzar su teoría?

Creemos que hemos establecido los principales conceptos de la teoría. Estamos convencidos de que el flujo de aire de la condensación inducida será reconocido como el principal motor de la circulación atmosférica de la Tierra, por lo que, en nuestra opinión, a la vista de los nuevos conocimientos, no existe en la actualidad apenas trabajo interesante para los físicos del clima si lo que hacen es volver a examinar las líneas establecidas de pensamiento, En cuanto a nuestros planes de investigación propia, hay varios asuntos teóricos que hay que resolver, como la descripción más exacta del ojo del huracán, una incorporación más detallada de la fricción en el patrón de circulación estacionaria de la bomba biótica y la descripción de calor latente y sensible sobre la base de flujos basado todo ello en el nuevo enfoque. Una de las tareas a efectuar por separado es cuantificar la estabilidad de la bomba biótica de circulación estacionaria en función de la evaporación local y del tamaño de territorio boscoso.

En cuanto al análisis de los datos regionales, creemos que sería interesante comparar la precipitación, la escorrentía y los datos de la cubierta forestal con los de los últimos 200-300 años, de los que hay constancia histórica fidedigna sobre las actividades antropogénicas. Por ejemplo, la deforestación masiva que ocurrió hace un par de siglos en los alrededores de Moscú (capital de Rusia) fue acompaña de la desaparición de un gran número de ríos de pequeño y mediano tamaño. Como informan nuestros colegas, Colombia, en tiempos prehispánicos, fue una de las regiones con más aguas superficiales del mundo, mientras que con el avance de la moderna deforestación, en Colombia la desertización está ahora avanzando rápidamente. Estos patrones regionales deben ser seriamente estudiados en todo el mundo. Se ha vuelto muy común culpar por defecto al “calentamiento global” de cualquier cambio climático, pero la razón real de la desertificación es diferente. Es la degradación de la bomba biótica de la humedad atmosférica.

15. ¿Qué links o publicaciones recomendarían a todos aquellos que están interesados por su teoría?

Todas nuestras publicaciones sobre la teoría de la bomba biótica figuran en esta lista: http://www.bioticregulation.ru/pump/pump7.php. El lector debe comenzar desde Makarieva y Gorshkov (2007) HESS 11: 1013, que es la principal publicación. También es posible suscribirse a nuestras noticias para recibir las actualizaciones.

La RAM quiere dar las gracias a Victor Gorshkov y a Anastassia Makarieva por habernos concedido esta entrevista.