Naukowcy z Virginia Tech, we współpracy z Pacific Northwest National Laboratory, odkryli, że kluczowe elementy globalnego cyklu węglowego wykorzystywane do śledzenia ruchu dwutlenku węgla w środowisku nie są prawidłowe, co może znacząco zmienić konwencjonalne modele cyklu węglowego.
Oszacowanie, ile rośliny dwutlenku węgla pobierają z atmosfery, mają kluczowe znaczenie dla dokładnego monitorowania i przewidywania ilości gazów zmieniających klimat w atmosferze. To odkrycie może potencjalnie zmienić prognozy dotyczące zmiany klimatu, chociaż w tym momencie nie jest jasne, czy niedopasowanie spowoduje, że w środowisku będzie mniej lub więcej dwutlenku węgla.
„Albo ilość węgla wydobywającego się z atmosfery z roślin jest niewłaściwa, albo ilość wydobywająca się z gleby jest niewłaściwa” – powiedziała Meredith Steele, adiunkt w School of Plant and Environmental Sciences w College of Agriculture and Life. Nauki, których doktorat ówczesny student, Jinshi Jian, kierował zespołem badawczym. Wyniki mają zostać opublikowane w piątek w Nature Communications.
„Nie kwestionujemy dobrze ugruntowanej nauki o zmianach klimatu, ale powinniśmy być w stanie uwzględnić cały węgiel w ekosystemie, a obecnie nie możemy” – powiedziała. „Odkryliśmy, że modele reakcji ekosystemu na zmiany klimatu wymagają aktualizacji”.
Prace Jian i Steele skupiają się na obiegu węgla oraz na tym, jak rośliny i gleba usuwają i zwracają dwutlenek węgla do atmosfery.
Aby zrozumieć, w jaki sposób węgiel wpływa na ekosystemy na Ziemi, ważne jest, aby dokładnie wiedzieć, dokąd trafia cały węgiel. Ten proces, zwany rozliczaniem dwutlenku węgla, mówi, ile dwutlenku węgla trafia dokąd, ile znajduje się w każdej z ziemskich puli dwutlenku węgla w oceanach, atmosferze, lądzie i żywych organizmach.
Od dziesięcioleci naukowcy próbują uzyskać dokładne rozeznanie, gdzie znajduje się nasz węgiel i dokąd zmierza. Naukowcy z Virginia Tech i Pacific Northwest National Laboratory skupili się na dwutlenku węgla, który jest wyciągany z atmosfery przez rośliny w procesie fotosyntezy.
Kiedy zwierzęta jedzą rośliny, węgiel przenosi się do ekosystemu lądowego. Następnie przenosi się do gleby lub zwierząt. Duża ilość węgla jest również wydychana – lub wdychana – z powrotem do atmosfery.
Ten dwutlenek węgla, który wchodzi i wychodzi, jest niezbędny do zrównoważenia ilości węgla w atmosferze, co przyczynia się do zmiany klimatu i długoterminowego magazynowania węgla.
Jednak naukowcy z Virginia Tech odkryli, że przy stosowaniu przyjętych liczb do oddychania gleby, ta liczba w modelach obiegu węgla nie jest już zrównoważona.
„Fotosynteza i oddychanie są siłami napędowymi cyklu węglowego, jednak całkowita roczna suma każdego z nich w skali globalnej była nie do zmierzenia” – powiedziała Lisa Welp, profesor nadzwyczajny nauk o Ziemi, atmosferze i planetarności w Purdue. Uniwersytet, który zna pracę, ale nie był częścią badań. „Próby autorów pogodzenia tych globalnych szacunków z różnych społeczności pokazują nam, że nie są one całkowicie spójne i jest więcej do nauczenia się o tych fundamentalnych procesach na planecie”.
Jian i Steele, wraz z resztą zespołu, odkryli, że używając pierwotnej produktywności brutto dwutlenku węgla przyjętej liczby 120 petagramów – każdy petagram to miliard ton – ilość węgla wydostającego się przez oddychanie gleby powinna wynosić około 65 petagramów.
Analizując wielokrotne przepływy, ilość węgla wymienianą między oceanami, atmosferą, ziemią i żywymi organizmami na Ziemi, naukowcy odkryli, że ilość dwutlenku węgla, który wydobywa się z gleby, wynosi około 95 petagramów. Produktywność pierwotna brutto powinna wynosić około 147. Dla skali, różnica między obecnie akceptowaną ilością 120 petagramów a tymi szacunkami jest około trzykrotna w stosunku do globalnych emisji z paliw kopalnych każdego roku.
Zdaniem naukowców są na to dwie możliwości. Po pierwsze, podejście oparte na teledetekcji może niedoszacować produkcji pierwotnej brutto. Drugi to zwiększenie skali pomiarów respiracji gleby, co może przeszacowywać ilość węgla zwracanego do atmosfery. To, czy ta błędna ocena jest pozytywna czy negatywna dla naukowo udowodnionego wyzwania, jakim jest zmiana klimatu, należy zbadać dalej, powiedział Steele.
Następnym krokiem w badaniach jest ustalenie, która część globalnego modelu obiegu węgla jest niedoszacowana lub przeszacowana.
Dzięki dokładnemu rozliczeniu węgla i jego lokalizacji w ekosystemie, lepsze prognozy i modele będą możliwe do dokładnej oceny reakcji tych ekosystemów na zmiany klimatu, powiedział Jian, który rozpoczął badania jako doktorant. student Virginia Tech, a obecnie jest na Northwest A&F University w Chinach.
„Jeśli przypomnimy sobie, jak wyglądał świat, gdy byliśmy młodzi, klimat się zmienił” – powiedział Jian. „Mamy więcej ekstremalnych zdarzeń pogodowych. To badanie powinno ulepszyć modele, których używaliśmy do obiegu węgla i zapewnić lepsze prognozy tego, jak klimat będzie wyglądał w przyszłości”.
Jako pierwszy doktorat Steele’a. Student w Virginia Tech, część funduszu startowego Steele’a poszła na wsparcie badań absolwentów Jian. Jian, zafascynowany nauką o danych, bazami danych i oddychaniem gleby, pracował nad kolejną częścią swojej dysertacji, kiedy natknął się na coś, co nie do końca pasowało.
Jian badał, jak wykonać małe, zlokalizowane pomiary węgla z całego świata. Badając to, Jian odkrył, że najlepsze szacunki nie pasowałyby do siebie, gdyby wszystkie strumienie globalnego rozliczania emisji dwutlenku węgla zostały połączone.
Badania zostały sfinansowane przez fundusz startowy Steele’a z College of Agriculture and Life Sciences w Virginia Tech i dodatkowo wspierane przez Pacific Northwest National Laboratory.