Bên cạnh vai trò là lá phổi của trái đất, từ lâu, các nhà làm nông nghiệp tự nhiên (natural farming/permaculture) đã nhận thấy vai trò tạo mây (cloud-maker) của rừng. Rừng đã trả lại 75% lượng nước của nó vào trong không khí thông qua quá trình bốc hơi nước trên các bề mặt lá (chiếm 25%) (evaporation) và sự thoát hơi nước như một hoạt động sinh lý của cây (chiếm 50%) (transpiration) (1). Các nhà nông nghiệp tự nhiên bằng việc thực hành trồng rừng họ đã đem lại mưa, khôi phục lại độ ẩm cho đất và bảo vệ mạch nước ngầm cho nhiều vùng đất khô cằn. Vì là những nhà thực hành nên họ chỉ hành động và không xây dựng thành lý thuyết. Cho đến năm 2007, hai nhà vật lý người Nga là Anastassia Makarieva and Victor Gorshkov của viện vật lý nguyên tử St. Petersburg đã đề xuất lý thuyết bơm sinh học (biotic pump) nêu rõ vai trò của rừng trong việc tạo mưa bằng cách tái tạo một lượng lớn hơi ẩm vào không khí và trong quá trình này, chúng cũng tạo ra các luồng gió bơm nước đi khắp thế giới. Lý thuyết này gặp phải sự phản đối gay gắt từ các nhà khí tượng học. Tuy nhiên, mình thấy lý thuyết này rất đáng chú ý vì nếu đúng, nó sẽ góp phần làm thay đổi chính sách về quản lý rừng cũng như nguồn nước trên toàn thế giới đồng thời cũng giải thích được nhiều hiện tượng hạn hán, lũ lụt và sa mạc hóa đã và đang xảy ra trên hành tinh của chúng ta.  Douglas Sheil, nhà sinh thái học rừng tại Đại học Khoa học Đời sống Na Uy (Norwegian University of Life Sciences) nói "Ngay cả khi chúng tôi nghĩ rằng lý thuyết này có cơ hội là đúng rất nhỏ thì điều quan trọng là chúng ta vẫn cần phải biết tới nó." Chính vì thế, mình lược dịch bài phỏng vấn hai nhà khoa học Anastassia Makarieva và Victor Gorshkov được thực hiện bởi trang news.mongabay.com (2) vào tháng 2/2012 và một bài viết trên trang sciencemag.org (3).
1. Bơm sinh học là gì?
Bơm sinh học là một cơ chế trong đó rừng tự nhiên tạo ra và kiểm soát gió từ đại dương đến đất liền, mang lại độ ẩm cho tất cả sự sống trên cạn. Gió có xu hướng thổi từ khu vực có áp suất không khí cao xuống thấp. Nhưng làm thế nào một hệ thống áp suất thấp được tạo ra trên đất liền? Áp suất không khí phụ thuộc vào số lượng phân tử khí. Khi hơi nước ngưng tụ, nó biến mất khỏi pha khí; số lượng phân tử khí giảm đi, và áp suất không khí giảm. Do đó, nếu chúng ta cố gắng duy trì quá trình ngưng tụ hơi nước trên đất liền, thì đất liền sẽ trở thành một vùng luôn có áp suất thấp.
Hơi nước trong bầu khí quyển của Trái đất có một đặc tính vật lý đáng chú ý: nó không ổn định nên dễ ngưng tụ. Điều này có nghĩa là nếu một thể tích không khí chứa nhiều hơi, ngẫu nhiên bị dịch chuyển lên trên, thì không khí sẽ lạnh đi đáng kể đến mức hơi nước ngưng tụ. Do sự không ổn định này, nếu có đủ lượng hơi nước ở khí quyển tầng thấp ấm áp thì hiện tượng ngưng tụ hơi nước sẽ xảy ra.
Tán lá và cành của cây có diện tích tích lũy lớn hơn nhiều so với hình chiếu của cây trên mặt đất. Do đó, bốc hơi nước từ rừng làm giàu hơi nước trên bầu khí quyển hiệu quả hơn so với bốc hơi từ một bề mặt nước trống trong cùng một khu vực. Vì thế, sự ngưng tụ xảy ra ở rừng dễ dàng hơn ở đại dương. Rừng, chứ không phải đại dương, trở thành vùng áp suất thấp, nơi gió ẩm hội tụ. Để khép kín chu trình, hơi ẩm tạo thành mưa trên đất liền và quay trở lại đại dương dưới dạng những dòng sông.
2. Bằng chứng khoa học của lý thuyết bơm sinh học

Biểu đồ này trình bày thế giằng co giữa rừng và đại dương trong việc trở thành vùng có độ ngưng tụ hơi nước chiếm ưu thế hơn. Biểu đồ (a): Tính trung bình, các khu rừng Amazon và Congo giành chiến thắng trong cuộc chiến này: lượng mưa hàng năm trên các khu rừng lớn hơn hai đến ba lần lượng mưa trên Đại Tây Dương ở cùng vĩ độ. Lưu ý thang logarit trên trục tung: “1” có nghĩa là tỷ lệ lượng mưa trên đất liền / đại dương bằng e = 2,718, “2” có nghĩa là bằng e2 ≈ 7,4; "0" có nghĩa là tỷ lệ này là tương đương (lượng mưa trên đất liền và đại dương bằng nhau); “-1” có nghĩa là tỷ lệ này là 1 / e ≈ 0,4; và cứ như thế. Biểu đồ (b):Bơm sinh học ở lục địa Âu-Á. Vào mùa đông, rừng ngủ yên, vì vậy Đại Tây Dương thắng, và tất cả độ ẩm vẫn còn trên đại dương và mưa ở đó. Vào mùa hè, khi cây cối hoạt động, hơi ẩm được lấy từ đại dương và phân bố đều đặn trên 7000 km. Rừng chiến thắng! (so sánh các đường màu đỏ và đen). Kết quả là, lượng mưa trên đại dương vào mùa hè thấp hơn so với mùa đông, mặc dù nhiệt độ vào mùa hè cao hơn. Biểu đồ (c): Một nước Úc không có rừng. Người ta thường nghe nói rằng Úc rất khô hạn bởi vì nó nằm trong nhánh giảm dần của hoàn lưu Hadley (4). Nhưng con số này cho thấy rằng cách giải thích như vậy không đúng. Cả vào mùa mưa và mùa khô, lượng mưa trên toàn nước Úc thấp hơn từ bốn đến sáu lần so với đại dương. Không có bơm sinh học ở đó. Do không có rừng, độ ẩm của đại dương không thể xâm nhập vào lục địa Úc bất kể độ ẩm trên đại dương là bao nhiêu; trong mùa mưa, nó gây mưa ở các vùng ven biển gây ra lũ lụt. Việc phục hồi dần dần các khu rừng tự nhiên ở Úc từ bờ biển đến nội địa sẽ phục hồi chu kỳ thủy văn trên lục địa.
3. Tại sao các bạn cho rằng chức năng bơm sinh học có ở rừng tự nhiên chứ không phải là cây cối nói chung? Một khu rừng trồng trồng độc canh có thể có hoạt động như một bơm sinh học không?
Giống như tất cả các quá trình của sự sống, bơm sinh học là một quá trình có tổ chức cao phức tạp. Để duy trì sự ngưng tụ khiến áp suất không khí trong đất liền thấp - vì thế gió ẩm từ đại dương thổi vào đất liền - thì phải có sự bốc hơi nước mạnh từ tán rừng. Nhưng sự bốc hơi nước làm giảm lượng ẩm trong đất. Độ ẩm trong đất cũng thất thoát thông qua các dòng chảy. Nếu tất cả độ ẩm trong đất không còn, sự bốc hơi nước sẽ dừng lại, và sự vận chuyển độ ẩm trong khí quyển cũng vậy. Điều này có nghĩa là phải duy trì một sự cân bằng không nhỏ: sự bốc hơi nước của rừng phải chính xác sao cho nó không bao giờ làm cạn kiệt hoàn toàn độ ẩm của đất nhưng đồng thời cũng đủ mạnh để đảm bảo rằng lượng ẩm do gió mang đến từ đại dương sẽ bù đắp được lượng ẩm mất đi trong đất.
Các loài bản địa hình thành các quần xã rừng tự nhiên đã tiến hóa thành một tập với các tính trạng về hình thái và sinh lý do gen quy định khiến cho chức năng bơm sinh học trở nên khả thi. Những đặc điểm này mất hàng trăm triệu năm để tiến hóa. Ví dụ, hệ thống rễ của cây rừng tạo điều kiện thuận lợi cho cả việc lưu trữ và hút ẩm từ đất; các sol khí  tự nhiên (biogenic aerosol) do cây tạo ra kiểm soát cường độ ngưng tụ hơi nước trong rừng; Chiều cao lớn của cây xác định độ chênh lệch nhiệt độ theo chiều dọc dưới tán, giữ cho sự thoát hơi nước của đất dưới sự kiểm soát sinh học; cây cao cũng cần thiết cho ma sát bề mặt ngăn vận tốc gió cực đại phát triển. Vì vậy, rừng tự nhiên không chỉ tạo ra luồng không khí ẩm từ đại dương đến đất liền, mà còn giúp ổn định dòng khí này ở mức tối ưu và ngăn chặn các biến động khắc nghiệt của nó như bão, lốc xoáy, hạn hán nghiêm trọng hoặc lũ lụt. Các loài khác ngoài thực vật (vi khuẩn, nấm, động vật) cũng cần thiết cho sự ổn định của hệ sinh thái rừng.
Các cây trồng độc canh hoặc rừng trồng bao gồm một tập hợp ngẫu nhiên các loài thực vật không có những tính trạng tương hỗ với nhau. Đây là hai ví dụ cực kỳ đơn giản: nếu một cây xương rồng, chúng sẽ bay hơi quá ít và sẽ không thể giữ cho bầu không khí ẩm liên tục. Nếu một người trồng rừng bạch đàn, chúng sẽ dễ bay hơi nhưng sẽ không thể giữ ẩm cho đất. Trong cả hai trường hợp này, chức năng bơm sinh học sẽ không phát huy. Nhìn chung, các luồng thông tin được xử lý bởi quần thể sinh vật tự nhiên vượt quá hai mươi lần so với khả năng xử lý thông tin của nền văn minh hiện đại. Chúng ta không thể tạo ra một công nghệ tương tự bơm sinh học.
4. Phản ứng của cộng đồng khoa học
Từ lần đầu tiên công bố trên tạp chí Khoa học hệ thống trái đất và thủy văn (Hydrology and Earth System Sciences) vào năm 2007, lý thuyết bơm sinh ít được chấp nhận bởi cộng đồng khoa học. Bơm sinh học đã vấp phải làn gió chỉ trích, đặc biệt là từ các nhà mô hình khí hậu, một số người  nói rằng tác dụng của nó là không đáng kể và bác bỏ hoàn toàn ý tưởng này. Cuộc tranh cãi đã khiến Makarieva trở thành kẻ ngoại đạo: một nhà vật lý lý thuyết trong thế giới của những nhà lập mô hình, một người Nga trong lĩnh vực do giới khoa học phương Tây lãnh đạo, và một phụ nữ trong lĩnh vực do nam giới thống trị.
Năm 2010, họ tiếp tục nộp bài báo tổng quan về thuyết này cho tạp chí thảo luận về vật lý và hóa học khí quyển (Atmospheric Chemistry and Physics Discussions) nơi cho phép có những cuộc thảo luận mở về các bài báo với tựa đề "Where Do Winds Come From?" (Gió đến từ đâu) (5). Tạp chí đã mất nhiều thời gian để tìm được hai nhà khoa học review (đánh giá xem bài báo có đáng tin cậy về mặt khoa học không - lời ND) nó. Isaac Held, một nhà khí tượng học tại Phòng thí nghiệm động lực học chất lỏng địa vật lý của Đại học Princeton (Princeton University’s Geophysical Fluid Dynamics Laboratory), đã nhận xét rằng "Đây không phải là một hiệu ứng bí ẩn. Nó nhỏ và đã được đưa vào một số mô hình khí quyển." Ông phê bình rằng sự giãn nở của không khí do nhiệt thoát ra khi hơi nước ngưng tụ sẽ chống lại tác dụng tạo không gian của sự ngưng tụ. Ông đề nghị nên rút bài báo. Nhưng Makarieva nói rằng hai hiệu ứng này tách biệt nhau về mặt không gian, trong đó hiệu ứng ấm lên xảy ra trên cao và sự giảm áp suất của sự ngưng tụ xảy ra bề mặt gần hơn, nơi nó tạo ra gió sinh học. Một nhà khoa học khác, Judith Curry, khi đó là một nhà vật lý khí quyển tại Viện Công nghệ Georgia (Georgia Institute of Technology) cảm thấy bài báo nên được công bố và nó sẽ là lời cảnh báo về việc đưa các nhà vật lý học tiếp cận với ngành khoa học khí hậu. Sau 3 năm tranh luận, biên tập viên của tạp chí đã bác bỏ khuyến nghị của Held và cho phép xuất bản bài báo, nói rằng nó được xuất bản "không phải là một sự công nhận" mà là "để thúc đẩy tiếp tục các cuộc đối thoại khoa học về lý thuyết gây tranh cãi này [mà] có thể dẫn đến sự bác bỏ hoặc xác nhận." Cho đến nay, không có sự bác bỏ hay thừa nhận mạnh mẽ nào, phần lớn là trung lập. Giới khoa học nhận định rằng có thể bơm sinh học tồn tại, nhưng hiện tại nó rất lý thuyết. Họ nói họ cần các thí nghiệm thực địa để kiểm chứng chứ không phải chỉ là công thức toán học. Về phần mình, Makarieva đang xây dựng lý thuyết, lập luận trong một loạt bài báo gần đây rằng cơ chế tương tự có thể ảnh hưởng đến các cơn bão nhiệt đới (tropical cyclone), được thúc đẩy bởi nhiệt tỏa ra khi hơi ẩm ngưng tụ trên đại dương. Trong một bài báo năm 2017 trên tạp chí Nghiên cứu khí quyển (Atmospheric research), cô và các đồng nghiệp đã đề xuất rằng các  bơm sinh học thiết lập bởi các khu rừng trên đất liền hút không khí giàu hơi ẩm ra khỏi các vị trí "ươm mầm" cơn bão. Cô ấy nói, điều này có thể giải thích tại sao các cơn bão hiếm khi hình thành ở Nam Đại Tây Dương: Rừng nhiệt đới Amazon và Congo, chúng đã hút ẩm quá nhiều đến mức chỉ còn lại quá ít nhiên liệu cho sự hình thành các cơn bão.
Ngay cả khi những ý tưởng của Makarieva được công bố ở phương Tây trước, chúng đang bén rễ ở Nga. Năm ngoái, Chính phủ đã bắt đầu đối thoại công khai để sửa đổi luật lâm nghiệp. Ngoài các khu vực được bảo vệ nghiêm ngặt, rừng của Nga còn mở cửa cho khai thác thương mại, nhưng Chính phủ và cơ quan lâm nghiệp Liên bang đang xem xét một khái niệm mới có tên là “rừng phòng hộ khí hậu” ("climate protection forests") . Một số người đại diện cho Bộ lâm nghiệp của Nga bị ấn tượng mạnh bởi ý tưởng bơm sinh học và họ muốn áp dụng nó. Ý tưởng đã được quay trở về Nga. Được trở thành người trong cuộc, thay vì là kẻ ngoài cuộc sẽ tạo ra sự thay đổi, Makarieva nói. 
5. Kết luận
Trong 25 năm qua, mỗi khi mùa hè tới, Makarieva đều rời phòng thí nghiệm của mình ở St.Petersburg để đi nghỉ trong những khu rừng rộng lớn ở miền bắc nước Nga. Cô chèo thuyền kayak dọc theo các sông lớn của khu vực, ghi chép về thiên nhiên và thời tiết. Cô nói: "Rừng là một phần quan trọng trong tâm hồn tôi". Hiện nay, cô vẫn tiếp tục hoàn thiện lý thuyết về bơm sinh học và cô tin rằng cuối cùng lý thuyết này sẽ chiếm ưu thế. Câu danh ngôn của nhà vật lý người Đức Max Planck mà Makarieva rất ưa thích xin được dùng để khép lại bài viết này "science advances one funeral at a time" (tạm dịch: mỗi bước tiến của khoa học đồng hành với một đám ma - ý nói có nhiều tiến bộ khoa học không được chấp nhận bởi người đương thời mà phải chờ đến thế hệ nối tiếp thừa nhận nó). 
Tài liệu tham khảo:
1. Permaculture - A designer's manual (Bill Mollison). 1988. Chapter 6
4. Hoàn lưu Hadley, hay còn gọi là Vòng hoàn lưu Hadley, Vòng hoàn lưu tín phong-phản tín phong, được đặt tên theo George Hadley, là một hoàn lưu khí quyển nhiệt đới trên diện toàn cầu mà trong đó không khí ở xích đạo chuyển động thăng lên rồi thổi theo kinh tuyến cách bề mặt 10–15 kilomet xuống khu vực cận nhiệt đới, và rồi trở lại về phía xích đạo gần bề mặt. Hoàn lưu này tạo ra gió mậu dịch, vành đai mưa nhiệt đới và xoáy thuận nhiệt đới, hoang mạc cận nhiệt đới và dòng tia (Wikipedia).