Die Wechselwirkung von elementarem Eisen mit den riesigen Kohlenstoffspeichern, die in arktischen Böden eingeschlossen sind, ist der Schlüssel dafür, wie Treibhausgase während des Auftauens freigesetzt werden, und sollte in Modelle zur Vorhersage des Erdklimas einbezogen werden, fanden Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory heraus.
Die Forscher machten sich daran, die Chemie zu erforschen und zu modellieren, die beim Auftauen des arktischen Permafrostbodens als Reaktion auf die globale Erwärmung vor sich geht. Nördliche Permafrostböden enthalten schätzungsweise 1.460 bis 1.600 Milliarden Tonnen organischen Kohlenstoff – etwa doppelt so viel wie in der Atmosphäre, so die National Oceanic and Atmospheric Administration.
Chemische Prozesse im Boden steuern, wie organisches Material abgebaut und im Boden gespeichert wird und ob es sich in Kohlendioxid oder das stärkere Treibhausgas Methan umwandelt, wenn es in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Arktische Böden sind typischerweise reich an organischen Stoffen und haben oft einen hohen Eisengehalt, der häufig als rostige Ablagerungen in überschwemmten Böden in der Region sichtbar ist, sagte ORNL-Modellierer und Hauptforscher Benjamin Sulman. Aber aktuelle Erdsystemmodelle berücksichtigen den Eisenkreislauf nicht, wenn sie das klimaerwärmende Potenzial des auftauenden Permafrosts vorhersagen.
Ein neues chemisches Reaktionsmodell, das vom ORNL erstellt wurde und Eisen-, Kohlenstoff- und Sauerstoffkonzentrationen sowie den Säuregehalt des Bodens berücksichtigt, legt nahe, dass der Eisenkreislauf einen tiefgreifenden Einfluss darauf haben kann, ob Kohlendioxid oder Methan in wiederholt überfluteten arktischen Böden produziert wird, wie in beschrieben Journal of Geophysical Research: Biogeowissenschaften. Eisen kann von Bodenmikroorganismen als Ersatz für Sauerstoff unter wassergesättigten Bedingungen verwendet werden, wodurch Kohlendioxid mit einer Strategie produziert wird, von der typischerweise angenommen wird, dass sie mit der Methanproduktion konkurriert.
„Die gängige Meinung besagt, dass mehr Eisen im Boden die Menge an produziertem Methan reduzieren sollte“, sagte Sulman. „Aber wir haben festgestellt, dass das nicht unbedingt stimmt. Unter den richtigen Bedingungen sehen wir eine synergistische Wechselwirkung, bei der der Eisenkreislauf den Säuregehalt des Bodens so verändert, dass er auch für die Methanproduktion vorteilhafter wird.“
Überschwemmungen, Austrocknung von Böden wirken sich auf die Emissionen aus
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass wiederholte Überschwemmungen und Austrocknung von Böden ein wesentlicher Faktor für die Treibhausgasemissionen des Permafrosts sein können, indem Eisenformen wieder aufgefüllt werden, die durch Überschwemmungen allmählich abgebaut werden.
Die Modelle basieren auf Daten, die aus Inkubationsexperimenten mit Böden gewonnen wurden, die im Permafrost Alaskas im Rahmen der Next-Generation Ecosystem Experiments Arctic oder NGEE Arctic gesammelt wurden. Die Ergebnisse dieser Experimente unterstrichen die Bedeutung des Eisenkreislaufs und führten zu Modellierungsarbeiten in einem sogenannten ModEx-Paradigma, sagte Sulman.
ModEx oder der Modell-Experiment-Ansatz integriert Beobachtungen und Messungen aus Experimenten mit Computermodellen derselben Prozesse in einen fortlaufenden Dialog, der sowohl die Verbesserung von Modellen als auch das Design und die Interpretation von Experimenten beeinflusst. Diese Schleife stellt sicher, dass Modelle die neuesten Erkenntnisse zu kritischen Systemen widerspiegeln und die Simulationen wiederum Wissenslücken identifizieren und zukünftige Experimente leiten.
„Normalerweise hat sich die Bodenforschung entweder auf trockene oder nasse Bedingungen konzentriert, aber nicht auf beides“, sagte Elizabeth Herndon vom ORNL, deren Boden- und Wasserprobenentnahmen in der Arktis Daten für das Projekt lieferten. „Die Realität ist, dass die Bodensättigung stark schwanken kann. Es kommt zu einem Regenereignis, und das führt zu sauerstoffarmen Bedingungen, bei denen Mikroorganismen im Wesentlichen Eisen einatmen, um ihren Stoffwechsel anzutreiben. Aber wenn der Boden trocknet, wird Sauerstoff wieder eingeführt In diesem Artikel wollten wir untersuchen, was passiert, wenn Sie unter diesen sehr unterschiedlichen Bedingungen leiden.“
Die Herausforderung bei dem Projekt bestand darin, zu einem Modell überzugehen, das auf mehr als nur dem Kohlenstoffkreislauf basiert. „Sie legen im Wesentlichen die Messlatte dafür höher, wie viele Daten Sie benötigen, um sicherzustellen, dass das Modell Ihnen nützliche Vorhersagen liefert“, sagte Sulman. „Hier war es sehr wichtig, diese reichhaltigen Messungen aus Laborinkubationen arktischer Böden zu haben, um Daten darüber zu erhalten, wie sich der Eisenkreislauf und der Säuregehalt des Bodens im Laufe der Zeit verändern.“
Wissenschaft voranbringen mit dem ModEx-Ansatz
„Aus experimenteller Sicht hilft mir die Diskussion mit Modellierern und die Entscheidung, wie bestimmte Prozesse quantifiziert werden können, darüber nachzudenken, wie wir unsere Experimente strukturieren können, um die benötigten Informationen zu erhalten“, sagte Herndon. Sie betonte gegenüber den Modellierern, wie wichtig es sei, bestimmte Prozesse in der Simulation darzustellen, einschließlich des Vorhandenseins von Eisenoxidmineralien und Umweltschwankungen, die chemische Veränderungen im Ökosystem auslösen und die Kohlenstoffemissionen verändern können.
Zu den nächsten Forschungsschritten gehört die Integration des chemischen Reaktionsmodells in das Landsegment des Energy Exascale Earth System Model des US-Energieministeriums. Sulman sagte, er wolle auch einige der bodenchemischen Hypothesen des neuen Modells an NGEE-Feldstandorten in der Arktis testen und dann die resultierenden neuen Daten in das Modell integrieren, um den ModEx-Zyklus fortzusetzen.
„Diese beiden Hälften der ModEx-Schleife tragen wirklich dazu bei, einige der fehlenden Teile zu füllen, die entweder beim Modellieren oder beim Experimentieren entstehen können“, sagte Sulman. „Wenn Sie eine Modellierung durchführen, die nicht gut mit Messungen verbunden ist, ist es leicht, ein wenig von der Realität abzuweichen und am Ende an Fragen zu arbeiten, die im Feldmaßstab nicht wichtig sind. Oder Sie erhalten ein Modell, das nicht gut genug fundiert ist sich wie ein echtes System zu verhalten.“
In Bezug auf die Planung von Experimenten ist die Modellierung nützlich, um Hypothesen zu generieren und einige der spezifischen Prozesse einzugrenzen, die den größten Einfluss auf die Fähigkeit der Wissenschaftler zu haben scheinen, wichtige Fragen zu beantworten, sagte Sulman. „In diesem Fall können uns unsere bisherigen Erkenntnisse dabei helfen, vorherzusagen, wie sich diese Kohlendioxid- und Methanflüsse im Laufe der Zeit ändern werden, insbesondere angesichts der hydrologischen Muster. Dieses detaillierte Wissen über die Bodenchemie des Permafrosts verbessert unsere Fähigkeit, die Auswirkungen der Erwärmung vorherzusagen Temperaturen.“
Sulman erwartet, einen ähnlichen Ansatz für andere hydrologisch dynamische Ökosysteme zu verwenden, die das ORNL untersucht, wie z. B. Küstenfeuchtgebiete, um den Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen.
Mehr Informationen:
Benjamin N. Sulman et al, Simulated Hydrological Dynamics and Coupled Iron Redox Cycling Impact Methan Production in an Arctic Soil, Journal of Geophysical Research: Biogeowissenschaften (2022). DOI: 10.1029/2021JG006662