Måling af, hvordan Arktis reagerer på klimaændringer

Forskere ved University of East Anglia har hjulpet med at udvikle en ny måde at måle, hvordan arktiske planter reagerer på klimaændringer.

I løbet af de sidste par årtier, Arktis er blevet opvarmet mere end dobbelt så hurtigt som resten af ​​planeten. På samme tid, Langsigtede målinger af atmosfærisk kuldioxid har vist betydelige stigninger i mængden af ​​kulstof, der absorberes i og udsendes af planter og jord – det terrestriske økosystem – i Arktis hvert år.

Forskere havde antaget, at dette terrestriske økosystem spillede en stor rolle i de ændringer, de ser i det arktiske kulstofkredsløb.

Men de manglede en teknik til at måle kulstofoptagelse og frigivelse uafhængigt. Og dette er nøglen til at forstå, hvordan biosfæren reagerer på klimaændringer drevet af fossile brændstoffer.

Nu, en ny undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , giver ny indsigt i denne vigtige proces over den arktiske og boreale region, baseret på modellering af atmosfæriske målinger af et beslægtet kemikalie - carbonylsulfid.

Ledet af forskere ved National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), det internationale hold af videnskabsmænd udviklede en ny måde at analysere atmosfæriske målinger af sporgassen carbonylsulfid på, sammen med atmosfærisk CO ₂ målinger, at give oplysninger om den samlede mængde kulstof, der optages af land-vegetation under fotosyntesen.

Dr. Parvadha Suntharalingam, fra UEA's School of Environmental Sciences, og en medforfatter på undersøgelsen, sagde:"Dette arbejde giver os ny og værdifuld information om de processer, der kontrollerer CO ₂ optagelse af landbaseret vegetation i det boreale område i Arktis.

"Carbonylsulfid tages af planter under fotosyntese, men i modsætning til CO ₂ , det frigives ikke tilbage til atmosfæren af ​​økosystemets respirationsprocesser. Det giver os derfor en måde at adskille de to nøgleprocesser - fotosyntese og respiration - der styrer hvordan CO2 ₂ udveksles mellem land-vegetationen og atmosfæren.

"Denne forskning giver nye skøn over optagelsen af ​​kulstof i terrestriske økosystemer i nordamerikanske højbreddegrader.

"Det reducerer usikkerheden i forhold til tidligere vurderinger, og undersøger også indflydelsen af ​​andre miljøfaktorer - såsom temperatur og solstråling - på de processer, der kontrollerer kulstofoptagelsen af ​​disse høje breddegraders økosystemer.

"Vores analyse viser potentialet ved at bruge målinger af carbonylsulfid som et uafhængigt middel til at opnå yderligere information om vigtige kulstofkredsløbsprocesser, " tilføjede hun.

Ledende forsker Lei Hu, en Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (CIRES) videnskabsmand, der arbejder ved NOAA i Colorado, sagde:"Vi kan nu studere, hvordan arktiske terrestriske økosystemer reagerer på klimaændringer på procesniveauer, fordi vi er i stand til at adskille fotosyntetisk optagelse og økosystemrespiration på regional skala."

Hvad er carbonylsulfid?

Forskere har længe vidst, at planter absorberer kuldioxid, eller CO ₂ , til at fremme fotosyntesen i vækstsæsonen, og derefter udsende det tilbage til atmosfæren i løbet af efteråret og vinteren, når plantevæv henfalder. Denne giv-og-tag, sat mod hurtigt stigende atmosfærisk CO ₂ niveauer, gør det umuligt for forskere direkte at vurdere, hvordan CO ₂ optagelse ved fotosyntese ændrer sig over tid baseret på målinger af CO ₂ alene.

Imidlertid, planter har brug for andre næringsstoffer, inklusive svovl - som ikke frigives i slutningen af ​​vækstsæsonen. Carbonylsulfid, eller COS, er et simpelt molekyle, der minder meget om CO ₂ .

Mens CO ₂ består af et kulstofatom og to oxygenatomer, COS består af et carbonatom, et oxygenatom og et svovlatom. Konstant produceret af oceaniske processer, det kan også findes i vulkanske gasser, forbrænding af råolie, svovlholdige moser og jorder, samt diesel udstødning, naturgas, og raffinaderi-emissioner.

Det er til stede i atmosfæren i små mængder (dele pr. billion). Planternes optagelse er den dominerende proces, der fjerner COS fra atmosfæren.

Hvordan ændrer de arktiske økosystemer sig?

I den nye undersøgelse, Hu og et team af forskere fra NOAA, University of Colorado, Colorado State University, University of California-Santa Cruz, NASA/Universitets Space Research Association, Rutgers University, og UEA analyserede atmosfæriske målinger af carbonylsulfid indsamlet fra NOAA's Global Greenhouse Gas Reference Network fra 2009 til 2013 for at undersøge kulstofkredsløbet i de nordamerikanske arktiske og boreale områder.

UEA-bidraget gav data og information om de oceaniske kilder til carbonylsulfid til atmosfæren. Oceaniske emissioner udgør den største globale kilde til COS til atmosfæren - så nøjagtig viden om disse fluxer er nødvendig, når man bruger atmosfæriske målinger til at identificere og kvantificere optagelsen af ​​COS og CO ₂ ved vegetation under fotosyntesen.

Holdet vurderede, at planter i denne region optog 3,6 milliarder tons kulstof fra atmosfæren under fotosyntesen hvert år. They also found that warming temperatures were causing increases in both net uptake in spring and net off-gassing in fall, but not equally, due to regulation by both temperature and light.

From 1979–1988 to 2010–2019, the annual spring soil temperature in the region increased by an average of 0.9℉, while the autumn temperature increased by 1.8℉. The researchers found that in spring, the soil temperature increase helps to ramp up photosynthetic uptake of carbon as sunlight floods the region. I efteråret, the amount of carbon taken up by plants is reduced by the dwindling amount of sunlight, despite soil temperatures remaining elevated until late autumn.

I modsætning, when it came to giving off CO ₂ , the scientists found the rate was mainly controlled by temperature.

The results were also consistent with satellite remote-sensing-based gross primary production estimates in both space and time, boosting confidence in the findings.

Implications for the future

One of the big unknowns about the future Arctic is whether plant communities around the Northern Hemisphere will continue to increase their carbon uptake as atmospheric CO ₂ rises. One way to obtain a clearer picture, Hu said, would be to make more COS measurements from the region.

If Arctic surface temperature continues to increase, especially in the fall and winter, the Arctic may start emitting more CO ₂ than it takes up, exacerbating climate change.

Expanding the atmospheric COS observing system could improve scientists' ability to monitor how much carbon land plants are removing from the atmosphere as CO ₂ levels increase and climate changes, which would improve understanding of the climate-carbon cycle feedbacks and climate projections in the Arctic and Boreal regions.

"COS-derived GPP relationships with temperature and light help explain high-latitude atmospheric CO ₂ seasonal cycle amplification" is published in the Proceedings of the National Academy of Sciences .