Schätzungen des Kohlenstoffkreislaufs – entscheidend für die Vorhersage des Klimawandels – sind falsch, wie Forscher zeigen

Forscher der Virginia Tech haben in Zusammenarbeit mit dem Pacific Northwest National Laboratory entdeckt, dass wichtige Teile des globalen Kohlenstoffkreislaufs, die zur Verfolgung der Bewegung von Kohlendioxid in der Umwelt verwendet werden, nicht korrekt sind, was herkömmliche Kohlenstoffkreislaufmodelle erheblich verändern könnte.

Die Schätzung, wie viel Kohlendioxid Pflanzen aus der Atmosphäre ziehen, ist entscheidend, um die Menge an klimaverändernden Gasen in der Atmosphäre genau zu überwachen und vorherzusagen. Dieser Befund hat das Potenzial, die Vorhersagen für den Klimawandel zu ändern, obwohl zum jetzigen Zeitpunkt unklar ist, ob die Diskrepanz dazu führen wird, dass mehr oder weniger Kohlendioxid in der Umwelt verbleibt.

„Entweder die Menge an Kohlenstoff, die von den Pflanzen aus der Atmosphäre kommt, ist falsch, oder die Menge, die aus dem Boden kommt, ist falsch“, sagte Meredith Steele, Assistenzprofessorin an der School of Plant and Environmental Sciences am College of Agriculture and Life Wissenschaften, deren Ph.D. Der damalige Student Jinshi Jian leitete das Forschungsteam. Die Ergebnisse sollen am Freitag in veröffentlicht werden Naturkommunikation.

„Wir stellen die etablierte Wissenschaft zum Klimawandel nicht in Frage, aber wir sollten in der Lage sein, den gesamten Kohlenstoff im Ökosystem zu berücksichtigen und können dies derzeit nicht“, sagte sie. „Was wir festgestellt 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 in die Atmosphäre entfernen und zurückführen.

Um zu verstehen, wie Kohlenstoff die Ökosysteme auf der Erde beeinflusst, ist es wichtig, genau zu wissen, wohin der gesamte Kohlenstoff fließt. Dieser Prozess, Kohlenstoffbilanzierung genannt, sagt aus, wie viel Kohlenstoff wohin geht, wie viel sich in jedem der Kohlenstoffspeicher der Erde in den Ozeanen, der Atmosphäre, dem Land und den Lebewesen befindet.

Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, eine genaue Bilanz darüber zu erhalten, wo sich unser Kohlenstoff befindet und wohin er geht. Forscher des Virginia Tech und des Pacific Northwest National Laboratory konzentrierten sich auf das Kohlendioxid, das Pflanzen durch Photosynthese aus der Atmosphäre ziehen.

Wenn Tiere Pflanzen fressen, wandert der Kohlenstoff in das terrestrische Ökosystem. Es wandert dann in den Boden oder zu Tieren. Und eine große Menge Kohlenstoff wird auch ausgeatmet – oder eingeatmet – zurück in die Atmosphäre.

Dieses ein- und austretende Kohlendioxid ist unerlässlich, um die Kohlenstoffmenge in der Atmosphäre auszugleichen, die zum Klimawandel beiträgt und Kohlenstoff langfristig speichert.

Forscher von Virginia Tech entdeckten jedoch, dass bei Verwendung der akzeptierten Zahlen für die Bodenatmung diese Zahl in den Kohlenstoffkreislaufmodellen nicht mehr ausgeglichen ist.

„Photosynthese und Atmung sind die treibenden Kräfte des Kohlenstoffkreislaufs, aber die jährliche Gesamtsumme von jedem davon auf globaler Ebene war schwer zu messen“, sagte Lisa Welp, außerordentliche Professorin für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften am Purdue Universität, die mit der Arbeit vertraut ist, aber nicht an der Forschung beteiligt war. „Die Versuche der Autoren, diese globalen Schätzungen verschiedener Gemeinschaften in Einklang zu bringen, zeigen uns, dass sie nicht vollständig in sich stimmig sind und es noch mehr über diese grundlegenden Prozesse auf dem Planeten zu lernen gibt.“

Was Jian und Steele zusammen mit dem Rest des Teams herausfanden, war, dass unter Verwendung der akzeptierten Zahl von 120 Petagramm der Bruttoprimärproduktivität von Kohlendioxid – jedes Petagramm entspricht einer Milliarde Tonnen – die Menge an Kohlenstoff, die durch die Bodenatmung freigesetzt wird, sein sollte in der Nähe von 65 Petagramm.

Durch die Analyse mehrerer Flüsse, der Menge an Kohlenstoff, die zwischen den Kohlenstoffspeichern der Erde in den Ozeanen, der Atmosphäre, dem Land und den Lebewesen ausgetauscht wird, entdeckten die Forscher, dass die Menge der aus dem Boden austretenden Kohlenstoffbodenatmung etwa 95 Petagramm beträgt. Die Bruttoprimärproduktivität sollte bei etwa 147 liegen. Zum Maßstab: Die Differenz zwischen der derzeit akzeptierten Menge von 120 Petagramm und dieser Schätzung beträgt etwa das Dreifache der globalen Emissionen aus fossilen Brennstoffen pro Jahr.

Dafür gibt es laut den Forschern zwei Möglichkeiten. Erstens könnte der Ansatz der Fernerkundung die Bruttoprimärproduktion unterschätzen. Die andere ist die Hochskalierung von Bodenatmungsmessungen, die die Menge an Kohlenstoff, die in die Atmosphäre zurückgeführt wird, überschätzen könnte. Ob diese Fehleinschätzung eine positive oder negative Sache für die wissenschaftlich nachgewiesene Herausforderung des Klimawandels ist, muss als nächstes untersucht werden, sagte Steele.

Der nächste Schritt für die Forschung besteht darin, festzustellen, welcher Teil des globalen Modells des Kohlenstoffkreislaufs unter- oder überschätzt wird.

Durch eine genaue Erfassung des Kohlenstoffs und seiner Position im Ökosystem werden bessere Vorhersagen und Modelle möglich, um die Reaktion dieser Ökosysteme auf den Klimawandel genau zu beurteilen, sagte Jian, der diese Forschung als Ph.D. Student an der Virginia Tech und ist jetzt an der Northwest A&F University in China.

„Wenn wir daran zurückdenken, wie die Welt war, als wir jung waren, hat sich das Klima verändert“, sagte Jian. „Wir haben mehr extreme Wetterereignisse. Diese Studie soll die Modelle, die wir für den Kohlenstoffkreislauf verwendet haben, verbessern und bessere Vorhersagen darüber liefern, wie das Klima in der Zukunft aussehen wird.“

Als Steeles erster Ph.D. Student an der Virginia Tech, ging ein Teil von Steeles Startup-Fonds an Jians Abschlussforschung. Jian, der von Data Science, Datenbanken und Bodenatmung fasziniert war, arbeitete gerade an einem anderen Teil seiner Dissertation, als er über etwas stolperte, das nicht ganz zusammenpasste.

Jian erforschte, wie man kleine, lokalisierte Kohlenstoffmessungen auf der ganzen Welt durchführen kann. Bei der Recherche entdeckte Jian, dass die besten Schätzungen nicht zusammenpassen, wenn man alle Flüsse der globalen Kohlenstoffbilanz zusammenfasst.