Лес Амазонки хранит около половины глобального углерода тропических лесов и составляет около четверти углерода, поглощаемого мировыми лесами из атмосферы каждый год. В результате большие потери амазонского лесного покрова могут усугубить глобальное изменение климата.
В прошлом исследователи обнаружили, что большая часть лесов Амазонки подвержена переломному моменту. Контрольным признаком являются спутниковые данные, показывающие области саванны и тропического леса, сосуществующие в одних и тех же условиях окружающей среды. Тогда теории нелинейной динамики предполагают, что оба состояния являются альтернативными стабильными исходами. Эта так называемая бистабильность означает, что такие потрясения, как вырубка леса или засуха, могут привести к резкому увеличению числа пожаров и превращению тропического леса в саванну. Области, которые испытали этот переход, затем останутся запертыми в этом состоянии саванны до тех пор, пока достаточно большое увеличение количества осадков и ослабление антропогенного давления не позволят лесам отрастать быстрее, чем они теряются из-за периодических пожаров.
Берт Вуйтс, аспирант четвертого курса Бристольского центра сложных наук и ведущий автор статьи, сказал: «Я решил по-новому взглянуть на данные, и когда я контролировал сезонности и удалил все точки данных со спутниковых изображений, которые представляли места, подвергшиеся человеческому влиянию. Внезапно свойство бистабильности исчезло почти полностью."
Берт, который сделал это открытие в первый год своей докторской диссертации, подумал, что оно кажется весьма загадочным, поэтому он объединился с профессором Аланом Чампни, теоретиком с кафедры инженерной математики, и доктором Джо Хаусом, экспертом об изменении землепользования от Школы географических наук. В течение последних двух лет они тщательно изучали эти выводы.
Алан Чампнис, профессор прикладной нелинейной математики, добавил: «Когда я впервые согласился стать соруководителем докторской диссертации Берта, я беспокоился, что у меня нет математических знаний, необходимых для изучения наблюдаемых эффектов в спутнике. К счастью, Берт - превосходно независимый студент, а Джо была под рукой в качестве полевого эксперта.
"Я мало осознавал, однако, что ключом к пониманию наблюдений Берта была та же самая теория формирования паттернов, которую я широко использовал раньше. Для меня это показывает силу междисциплинарного сотрудничества, а также вездесущность математики и науки о данных в объяснении кажущиеся не связанными явлениями."
Предыдущие исследования, по-видимому, не учитывали пространственное взаимодействие и краевые эффекты между соседними зонами, как правило, из-за естественных лесных пожаров. Принятие во внимание таких терминов приводит к теории реакции-диффузии, широко используемой для предсказания формирования пространственных структур в физике и химии. Согласно теории, между лесом и саванной должна быть четкая граница, предсказуемая по климату и почвам.
Ключ заключался в том, чтобы признать, что близость к человеческим культурам действует как третий определяющий фактор. Леса, расположенные ближе к возделываемым человеком участкам, подвергаются вырубке и эрозии в результате пожаров, возникающих на открытых возделываемых территориях. Это вызывает смещение границы леса и саванны в сторону более влажных районов.
Хорошая новость заключается в том, что пока есть немного леса, вырубка лесов не приведет к тому, что в настоящее время покрытые лесом районы превратятся в саванну. Это означает, что восстановление леса на обезлесенных территориях должно произойти, как только эти территории будут освобождены от антропогенного давления. Тем не менее существует второй механизм, который мог привести к бистабильности амазонского лесного покрова, который в данном исследовании не учитывался.
Предыдущее исследование с помощью моделирования показало, что леса Амазонки могут оказывать положительное влияние на региональные осадки. Благодаря этому механизму потеря леса может привести к уменьшению количества осадков, что приведет к дальнейшей потере леса. Могут ли изменение климата или вырубка лесов навсегда превратить леса Амазонки в саванну, зависит от важности этого второго механизма и является предметом дальнейших исследований.