Forscher der Virginia Tech haben in Zusammenarbeit mit dem Pacific Northwest National Laboratory herausgefunden, dass wichtige Teile des globalen Kohlenstoffkreislaufs, die zur Verfolgung der Bewegung von Kohlendioxid in der Umwelt verwendet werden, nicht korrekt sind, was die herkömmlichen Modelle des Kohlenstoffkreislaufs erheblich verändern könnte.
Die Schätzung, wie viel Kohlendioxid Pflanzen aus der Atmosphäre ziehen, ist entscheidend für die genaue Überwachung und Vorhersage der Menge an klimawirksamen Gasen in der Atmosphäre. Diese Erkenntnis hat das Potenzial, die Vorhersagen für den Klimawandel zu verändern, auch wenn zum jetzigen Zeitpunkt unklar ist, ob die Diskrepanz dazu führen wird, dass mehr oder weniger Kohlendioxid in der Umwelt nachgewiesen wird.
„Entweder ist die Menge an Kohlenstoff, die von den Pflanzen aus der Atmosphäre kommt, falsch, oder die Menge, die aus dem Boden kommt, ist falsch“, sagte Meredith Steele, eine Assistenzprofessorin an der School of Plant and Environmental Sciences im College of Agriculture and Life Sciences, deren damaliger Doktorand Jinshi Jian das Forschungsteam leitete. Die Ergebnisse sollen am Freitag in Nature Communications veröffentlicht werden.
„Wir stellen die etablierte Wissenschaft zum Klimawandel nicht in Frage, aber wir sollten in der Lage sein, den gesamten Kohlenstoff im Ökosystem zu berücksichtigen, was derzeit nicht möglich ist“, sagte sie. „Was wir herausgefunden haben, ist, dass die Modelle der Reaktion des Ökosystems auf den Klimawandel aktualisiert werden müssen.
Die Arbeit von Jian und Steele konzentriert sich auf den Kohlenstoffkreislauf und darauf, wie Pflanzen und Böden Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen und wieder abgeben.
Um zu verstehen, wie sich Kohlenstoff auf die Ökosysteme der Erde auswirkt, ist es wichtig, genau zu wissen, wohin der gesamte Kohlenstoff geht. Dieser Prozess, die so genannte Kohlenstoffbilanzierung, gibt Auskunft darüber, wie viel Kohlenstoff wohin fließt und wie viel sich in den einzelnen Kohlenstoffpools der Ozeane, der Atmosphäre, des Bodens und der Lebewesen befindet.
Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, eine genaue Bilanz darüber zu erstellen, wo sich unser Kohlenstoff befindet und wohin er geht. Die Forscher der Virginia Tech und des Pacific Northwest National Laboratory konzentrierten sich auf das Kohlendioxid, das von den Pflanzen durch Photosynthese aus der Atmosphäre aufgenommen wird.
Wenn Tiere Pflanzen fressen, gelangt der Kohlenstoff in das terrestrische Ökosystem. Von dort gelangt er in den Boden oder zu den Tieren. Ein großer Teil des Kohlenstoffs wird auch wieder in die Atmosphäre abgegeben.
Dieses Kohlendioxid, das ein- und ausgeatmet wird, ist wichtig für das Gleichgewicht der Kohlenstoffmenge in der Atmosphäre, die zum Klimawandel beiträgt, und für die langfristige Speicherung von Kohlenstoff.
Die Forscher der Virginia Tech fanden jedoch heraus, dass bei Verwendung der anerkannten Zahlen für die Bodenatmung diese Zahl in den Modellen für den Kohlenstoffkreislauf nicht mehr ausgeglichen ist.
„Photosynthese und Atmung sind die treibenden Kräfte des Kohlenstoffkreislaufs, aber die jährliche Gesamtsumme dieser beiden Größen auf globaler Ebene ist schwer zu messen“, sagte Lisa Welp, eine außerordentliche Professorin für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften an der Purdue University, die mit der Arbeit vertraut ist, aber nicht an der Forschung beteiligt war. „Die Versuche der Autoren, diese globalen Schätzungen aus verschiedenen Gemeinschaften miteinander in Einklang zu bringen, zeigen uns, dass sie nicht ganz konsistent sind und dass es noch mehr über diese grundlegenden Prozesse auf dem Planeten zu lernen gibt“.
Jian und Steele haben zusammen mit dem Rest des Teams herausgefunden, dass bei Verwendung der akzeptierten Bruttoprimärproduktivität von Kohlendioxid von 120 Petagrammen – jedes Petagramm entspricht einer Milliarde Tonnen – die Menge an Kohlenstoff, die durch die Bodenatmung freigesetzt wird, in der Nähe von 65 Petagrammen liegen sollte.
Durch die Analyse mehrerer Flüsse, d. h. der Menge an Kohlenstoff, die zwischen den Kohlenstoffpools der Ozeane, der Atmosphäre, des Bodens und der Lebewesen ausgetauscht wird, fanden die Forscher heraus, dass die Menge an Kohlenstoff, die durch die Bodenatmung aus dem Boden kommt, etwa 95 Petagramme beträgt. Die Bruttoprimärproduktivität sollte etwa 147 betragen. Die Differenz zwischen der derzeit angenommenen Menge von 120 Petagrammen und dieser Schätzung entspricht etwa dem Dreifachen der weltweiten Emissionen fossiler Brennstoffe pro Jahr.
Den Forschern zufolge gibt es dafür zwei Möglichkeiten. Die erste ist, dass die Fernerkundung die Bruttoprimärproduktion möglicherweise unterschätzt. Die andere ist die Hochskalierung der Messungen der Bodenatmung, die zu einer Überschätzung der in die Atmosphäre zurückgeführten Kohlenstoffmenge führen könnte. Ob sich diese Fehleinschätzung positiv oder negativ auf die wissenschaftlich bewiesene Herausforderung des Klimawandels auswirkt, muss als nächstes untersucht werden, so Steele.
Der nächste Schritt der Forschung besteht darin, festzustellen, welcher Teil des globalen Kohlenstoffkreislaufmodells unter- oder überschätzt wird.
Durch eine genaue Erfassung des Kohlenstoffs und seines Verbleibs im Ökosystem werden bessere Vorhersagen und Modelle möglich sein, um die Reaktion dieser Ökosysteme auf den Klimawandel genau zu beurteilen, so Jian, der mit dieser Forschung als Doktorand an der Virginia Tech begann und jetzt an der Northwest A&F University in China tätig ist.
„Wenn wir uns daran erinnern, wie die Welt aussah, als wir jung waren, hat sich das Klima verändert“, sagte Jian. „Wir haben mehr extreme Wetterereignisse. Diese Studie sollte die Modelle, die wir für den Kohlenstoffkreislauf verwendet haben, verbessern und bessere Vorhersagen darüber ermöglichen, wie das Klima in Zukunft aussehen wird.“
Als Steeles erster Doktorand an der Virginia Tech wurde ein Teil von Steeles Anschubfinanzierung zur Unterstützung von Jians Forschungsarbeit verwendet. Jian, der von Datenwissenschaft, Datenbanken und Bodenatmung fasziniert ist, arbeitete gerade an einem anderen Teil seiner Dissertation, als er über etwas stolperte, das nicht ganz stimmte.
Jian untersuchte, wie man kleine, lokalisierte Kohlenstoffmessungen auf der ganzen Welt durchführen kann. Dabei entdeckte er, dass die besten Schätzungen nicht übereinstimmten, wenn man alle Flüsse der globalen Kohlenstoffbilanzierung zusammenzog.
Die Forschung wurde durch Steeles Startup-Fonds vom College of Agriculture and Life Sciences an der Virginia Tech finanziert und außerdem vom Pacific Northwest National Laboratory unterstützt.
Datum: April 1, 2022
Quelle: Virginia Tech
Journal Reference:
- Jinshi Jian, Vanessa Bailey, Kalyn Dorheim, Alexandra G. Konings, Dalei Hao, Alexey N. Shiklomanov, Abigail Snyder, Meredith Steele, Munemasa Teramoto, Rodrigo Vargas, Ben Bond-Lamberty. Historically inconsistent productivity and respiration fluxes in the global terrestrial carbon cycle. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-29391-5