A karbonciklus továbbfejlesztett modellje segíthet a bejelentett kibocsátások ellenőrzésében.

A San Diegó-i UC San Diego Scripps Institution of Oceanography kutatói megalkották a globális karbonciklus pontosabb modelljét.

A modell jobban figyelembe veszi a Föld szárazföldi ökoszisztémáinak hozzájárulását az üvegházhatású szén-dioxid légköri koncentrációjához, ami a globális kibocsátásokat számszerűsítő tudósok számára a bizonytalanság egyik fő forrása.

A modell nagyobb pontossága segíthet az emberiségnek a fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származó szén-dioxid-kibocsátás nyomon követésében és ellenőrzésében egy olyan időszakban, amikor az ember okozta kibocsátás forrásainak nyomon követése a párizsi éghajlat-változási megállapodás (HU) egyik kiemelkedő elemévé válik.

Az új modell ötéves időtávlatban fele akkora bizonytalansággal képes ellenőrizni a bejelentett globális kibocsátásokat, mint egy másik, széles körben használt modell. Ez az ötéves időszak különösen fontos a Párizsi Megállapodás szempontjából, a globális mérésnek nevezett, tervezett értékelés miatt. A felmérés ötévente értékeli a világ előrehaladását az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése és az éghajlatváltozás kezelésének egyéb aspektusai terén. Az első globális leltár a dubaji COP28 konferencián zárult le.

“A hiba felére csökkentése segít abban, hogy lássuk, valóban csökken vagy növekszik-e az ember okozta kibocsátás” – mondta Ralph Keeling, a tanulmány társszerzője és a Scripps klímakutatója.

A Nature Climate Change című folyóiratban közzétett tanulmány (.PDF), amelyet a National Science Foundation, a Schmidt Futures program és az Earth Networks (egy AEM márka) támogatott, egy egyszerű modell teljesítményét javította azáltal, hogy jobban figyelembe vette a hőmérsékletnek a szárazföldi karbonkörforgásra gyakorolt, térben és évszakonként változó hatását. A modell ezt úgy érte el, hogy beépítette a korábban közzétett kutatási eredményeket (.PDF), amelyek egy globális térképet eredményeztek, amely megállapította, hogy a rövid távú hőmérséklet-ingadozások hogyan hatnak a szárazföldi ökoszisztémák karbonmérlegére.

“A hőmérséklet hatása a szárazföldi karbonkörforgásra az évszaktól függ, és attól is, hogy hol vagyunk a Földön” – mondta Benjamin Birner, a tanulmány vezető szerzője, a Scripps korábbi posztdoktori kutatója. “Például egy növény nem biztos, hogy jól reagál arra, ha nyáron szuper meleg van, de tavasszal jobban nőhet, ha több a meleg.”

A modell pontosabb becslése arra is utal, hogy az éghajlatváltozás előrehaladtával a szárazföldi ökoszisztémák váratlanul stabilan reagálnak az emelkedő hőmérsékletre. Ez ellentmond egy 2014-es befolyásos tanulmánynak (.PDF), amely hasonló légköri adatok alapján azt állította, hogy a trópusi ökoszisztémák az elmúlt évtizedekben érzékenyebbé váltak a hőmérséklet-ingadozásokra.

A szárazföldi ökoszisztémák szén-dioxid-kirakós részének pontosítása különösen fontos, mivel az évről évre ingadozik, és a bolygó másik három fő szén-dioxid-tárolójához (vagy “nyelőjéhez”) és -forrásához képest a legnagyobb bizonytalansággal járt. A Föld karbonháztartásának másik három fő változója az óceánok, a földhasználat vagy a földtakaró változásai, például az erdőirtás, valamint az emberi tevékenységekből, például a fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből és a cementgyártásból származó kibocsátások.

Korábban, amikor a kutatók megpróbálták e négy forrás és nyelő (a földhasználat változása, az óceánok, a szárazföldi ökoszisztémák, valamint a fosszilis tüzelőanyagok és az ipar) hozzájárulását összeadni, hogy a légköri szén-dioxid szintjének mért változásaival megegyezzen, akár 760 millió tonna karbon, azaz a jelenlegi globális fosszilis tüzelőanyag-kibocsátás mintegy 8%-ának megfelelő mennyiségű karbon maradt elszámolatlanul. A kutatók ezt az eltérést a karbonháztartás egyensúlyhiányának nevezik.

Eddig kétféle modell próbálta megmagyarázni a szárazföldi bioszféra és a légkör közötti karboncsere évenkénti változásait.

Az első típus az, amit Birner “viszonylag egyszerű statisztikai megközelítésnek” nevezett, és amelynek célja annak megragadása, hogy a légköri szén-dioxid hosszú távú felhalmozódása és az olyan fontos éghajlati változók, mint a hőmérséklet, a nedvesség vagy az El Niño-Déli Oszcilláció (ENSO) hogyan befolyásolják a szárazföldi bioszférában tárolt karbon mennyiségét. Az összehasonlítás érdekében a tanulmány olyan modellekre összpontosított, amelyek figyelembe veszik az ENSO-t és a trópusi átlagos szárazföldi hőmérsékleti anomáliákat.

A második típusú modell nagy szerepet kap a Global Carbon Project (GCP) nemzetközi tudományos erőfeszítésében, amely évente új, az egész Földre kiterjedő karbonköltségvetést készít. A GCP olyan rendkívül összetett számítógépes programok eredményeit egyesíti, amelyek dinamikusan szimulálják a globális növényzetet és az összes kapcsolódó biogeokémiai és hidrológiai folyamatot, amelyek végül az üvegházhatású gázok tudósok által a légkörben megfigyelt koncentrációját eredményezik.

A probléma az, hogy a szén-dioxid-kibocsátás kiegyensúlyozásának mindkét megközelítése még mindig nagy megmagyarázatlan maradványokat hagy maga után. Az ENSO-alapú és a GCP-modellek egyaránt nagyjából plusz-mínusz 750 millió tonna szén-dioxidot hagynak figyelmen kívül évről évre. Évtizedes léptékben a szén-dioxid-kibocsátás egyensúlyhiánya az ENSO-modell esetében körülbelül plusz-mínusz 2,4 gigatonna szén-dioxid, a GCP-modell esetében pedig 3,6 gigatonna.

Ezek az egyensúlytalanságok megnehezítik a világ országai által bejelentett szén-dioxid-kibocsátások pontos ellenőrzését, és megnehezítik annak megértését, hogy a Föld rendszerei hogyan reagálnak a hőmérséklet emelkedésére.

E modellek tökéletesítése érdekében Keelingnek és Birnernek az az ötlete támadt, hogy felhasználják Christian Rödenbeck, a Max Planck Biogeokémiai Intézet éghajlatkutatójának és a tanulmány társszerzőjének munkáját.

Rödenbeck kidolgozott egy módszert annak levezetésére, hogy a különböző helyeken és évszakokban a hőmérséklet hogyan befolyásolja a szárazföldi ökoszisztémák által tárolt vagy a légkörbe kibocsátott karbonok mennyiségét. Ehhez a szén-dioxid légköri koncentrációjának részletes nyilvántartását és a világ 196 mérőállomásáról származó hőmérsékleti adatbázist használta fel. Kutatásával globális térképet készített a szárazföldi karbonkörforgás évszakos hőmérséklet-érzékenységéről a különböző helyszíneken.

Birner és Keeling Rödenbeck térképét egy olyan statisztikai modellhez használta fel, amely nagyon hasonlít a karbonciklus ENSO-modelljéhez, azzal a különbséggel, hogy Rödenbeck szezonális hőmérséklet-érzékenységét helyettesíti az egyenletbe. A kutatócsoport ezután a Hawaii Mauna Loán és a Déli-sarkon 1958 és 2021 között mért légköri szén-dioxid-koncentrációk rekordját használta fel a modell teljesítményének értékelésére.

Nap nap után ez a rengeteg extra hőenergia melegíti fel az atmoszférát

Az új modell mind az egyszerű ENSO-modellt, mind a GCP komplex dinamikus vegetációs modelljét felülmúlta. Az évközi skálán az új modell 500 millió tonna szén-dioxidot hagyott figyelmen kívül évről évre, ami mintegy 250 millió tonna szén-dioxiddal jobb eredmény az ENSO- és a GCP-modellhez képest. A tízéves skálán az új modell még jobban teljesített, a szén-dioxid-kibocsátás egyensúlyhiánya plusz-mínusz 1,6 gigatonna szén-dioxid volt, ami kevesebb mint fele a GCP-modell egyensúlyhiányának.

A modell kisebb szén-dioxid-kibocsátási egyensúlyhiánya csökkenti a bizonytalanságot, és az ENSO- vagy a GCP-modelleknél jobb eszközzé teszi a modellt a bejelentett szén-dioxid-kibocsátás ellenőrzésére. Ötéves időtávon az új modell mindössze 4,4%-os bizonytalansággal tudja igazolni a kibocsátásokat, ami fele a bonyolultabb GCP-modell 8,8%-os bizonytalanságának.

“E modell teljesítménye azt mutatja számomra, hogy nem csak a hőmérséklet vagy az anomális meleg számít a szén-dioxid-körforgás szempontjából, hanem az anomális meleg időzítése és helye is” – mondta Birner.

Birner azt is megjegyezte, hogy a szárazföldi bioszféra hőmérséklet-érzékenysége meglepően stabil.

Elmondta, hogy a modell hőmérséklet-érzékenysége minden évben azonos volt, amikor lefuttatták a modellt. Ha a való világban a szárazföldi ökoszisztémák hőmérséklet-érzékenységei jelentősen változtak volna, akkor a modell nem tudta volna sikeresen figyelembe venni a légkörben mért szén-dioxid-növekedést.

Birner szerint ez azért meglepő, mert a növények milyen szoros kölcsönhatásban vannak a hőmérséklettel, és az élőlények fejlődni és alkalmazkodni tudnak. Könnyen elképzelhető lenne, hogy a növények egyfajta alkalmazkodásként a változó éghajlathoz, megváltoztatják a hőmérséklet változására adott válaszaikat. Az ilyen alkalmazkodás megváltoztathatná azt az összefüggést, amelyet Birner és Keeling modellje a szárazföldi karbonkörforgás levezetésére használt. Mégsem ezt figyelték meg a kutatók. Ehelyett a szárazföldi ökoszisztémák hőmérséklet-érzékenysége világszerte nagyon is állandó maradt abban a 60 évben, amelyet a csapat a modelljük teljesítményének ellenőrzésére használt.

A szerzők azonban azt is megjegyzik, hogy a teljesítmény körülbelül 20 éves időhorizonton túl megtört. Emellett óva intettek attól, hogy a modell sikere által feltételezett stabilitást túlságosan messzire extrapolálják a jövőbe.

“Nagyfokú stabilitást mutatunk, de ez nem jelenti azt, hogy a karbonciklus nem érzékeny a hőmérsékletre” – mondta Keeling. “Ez a stabilitás nem biztos, hogy örökké tart. Valószínű, hogy vannak olyan küszöbértékek a rendszerben, amelyeken túl ez a stabilitás felbomolhat, és valóban magasabb hőmérsékleteket láthatunk, ami a szárazföldi bioszféra nagyobb szén-dioxid-kibocsátásához vezethet.”

A modell következő lépése az lenne, hogy működőképessé tegyük, hogy “megnézzük, hogy a légkörben a szén-dioxid növekedése az elmúlt öt évben összhangban van-e a bejelentett kibocsátásokkal” – mondta Keeling.

De szerinte a modell segíthet abban is, hogy jobban megértsük a földi karbonkörforgás alapjait – ami kulcsfontosságú az éghajlatváltozás előrejelzéséhez és az éghajlatváltozás elleni küzdelemhez.

“Ha egy évben szokatlan szén-dioxid-növekedést tapasztalunk, akkor ezt a modellt arra is használhatjuk, hogy ellenőrizzük, miért történt ez” – mondta Keeling. “Ha ez a mostani El Niño olyan, mint a korábbiak, akkor extra szén-dioxid-növekedést tapasztalhatunk. A modell alapvető feltételezései új hipotézist adnak nekünk arról, hogy mi mozgatja a karbonciklust, és ezt tesztelhetjük azzal, amit minden évben látunk.”

Birner, Keeling és Rödenbeck mellett a tanulmány további társszerzői Julia Dohner, a Scripps Oceanography munkatársa és Armin Schwartzman, a San Diego-i Kaliforniai Egyetem Biostatisztikai és Halıcıoğlu Adattudományi Intézetének munkatársa.

– A cikket Alex Fox írta

Forrás: Scripps Institution of Oceanography