Geheimnisse des globalen Kohlenstoffkreislaufs

Vox der Redaktion ist ein Blog der Publikationsabteilung der AGU.

Natürliche Prozesse zirkulieren Kohlenstoff zwischen Atmosphäre, Ozean und Land. Dies war ein fein ausbalanciertes System, bis menschliche Aktivitäten begannen, die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration auf ein beispielloses Niveau zu erhöhen, wodurch dieses Gleichgewicht und die Reaktionsfähigkeit natürlicher Systeme gestört wurden. HAT letzten Artikel veröffentlicht in Rezensionen der Geophysik untersucht, wie gut wir die heutigen Kohlenstoffkreisläufe Land-Ozean-Atmosphäre und ihre Wechselwirkungen verstehen. Wir haben einige der Autoren gebeten, zu beschreiben, wie die Dynamik des Kohlenstoffkreislaufs beobachtet und gemessen wird, unser aktuelles Verständnis und welche weiteren Arbeiten erforderlich sind.

Ganz einfach ausgedrückt, was ist der Kohlenstoffkreislauf und warum ist er wichtig?

Kohlenstoff wird zwischen dem Land, den Ozeanen und den atmosphärischen Reservoirs der Erde durch Prozesse ausgetauscht, die auf mehreren Zeitskalen ablaufen. Diese Prozesse bilden die Grundlage allen Lebens auf der Erde und sind entscheidend für die Stabilität des Erdklimas und die Bewohnbarkeit. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe, Landnutzungsänderungen und andere menschliche Aktivitäten spielen heute eine immer wichtigere Rolle im Kohlenstoffkreislauf; Hinzufügen von etwa 40 Milliarden Tonnen Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre jedes Jahr. Diese Emissionen erhöhen das atmosphärische CO2 Konzentrationen um etwa 0,5 % pro Jahr, was sich auf das Strahlungsgleichgewicht und damit auf das Klima der Erde auswirkt.

Wie regulieren natürliche Prozesse anthropogenes CO?2 Emissionen?

Natürliche Prozesse wie die Photosynthese von Pflanzen an Land und im Ozean entfernen CO2 aus der Luft, während die Atmung von Pflanzen, Böden und Meeresmikrobiota CO emittiert2 zur Atmosphäre. Auch die Ozeane können CO austauschen2 mit der Atmosphäre, wenn es sich in Meerwasser auflöst oder aus der Lösung kommt. In vorindustriellen Zeiten, als die Konzentration von CO2 in der Atmosphäre stabil war, waren diese natürlichen Prozesse ungefähr im Gleichgewicht und absorbierten so viel CO2 wie sie in jährlichen bis dekadischen Zeitskalen in die Atmosphäre emittiert werden. Seit Beginn des Industriezeitalters im späten 18. Jahrhundert tauschen diese natürlichen Reservoirs kontinuierlich Kohlenstoff aus und sind zu Nettosenken für CO geworden2so viel CO absorbieren2 da sie zusammen mit etwa der Hälfte des CO emittieren2 durch menschliche Aktivitäten freigesetzt. Die andere Hälfte des anthropogenen CO2 Emissionen, die in der Atmosphäre verbleiben, treiben den beobachteten Klimawandel voran.

Welche Veränderungen wurden beim Anteil des atmosphärischen CO beobachtet?2 in den letzten Jahrzehnten?

In den letzten 60 Jahren ist anthropogenes CO2 -Emissionen um das Vierfache von weniger als 10 auf über 40 Milliarden Tonnen CO gestiegen2 pro Jahr. In diesem Zeitraum haben die natürlichen Kohlenstoffsenken an Land und im Meer proportional zugenommen, wobei ein nahezu konstanter Luftanteil von fast 45 % im Durchschnitt über dekadische Zeitskalen beibehalten wurde.

Oben: Atmosphärisches CO2 Konzentrationen, die von 1958 bis 2018 am Mauna Loa, Hawaii, beobachtet wurden. Unten: Schätzungen des Luft-Meeres-Kohlenstoffflusses für denselben Zeitraum, abgeleitet von einem Box-Modell (rot), Hindcast-Modellen (grün) und Beobachtungen des ozeanischen pCO2 (blau). Als atmosphärisches CO2 Die Konzentration nahm zu, die Aufnahme durch den Ozean nahm als Reaktion auf den Anstieg des atmosphärischen CO zu2 Partialdruck (pCO2). Anerkennung: Crispet al. [2022]

Auf Zeitskalen von Jahr zu Jahr kann sich der luftgetragene Anteil erheblich ändern, da die Landbiosphäre und die Ozeane auf Klimaschwankungen wie starke El Niños oder La Niñas oder große Vulkanausbrüche reagieren, die eine weit verbreitete Abkühlung erzeugen, indem sie Sulfat-Aerosole in die Stratosphäre injizieren. Im Allgemeinen sind starke El Niños, wie die von 1997/98 und 2015/16, mit höheren luftgetragenen Fraktionen verbunden, während vulkanische Aerosolinjektionen mit geringeren luftgetragenen Fraktionen verbunden sind.

Welche jüngsten Fortschritte bei Messtechniken ermöglichen ein besseres Verständnis der Dynamik des Kohlenstoffkreislaufs?

In den letzten zwei Jahrzehnten haben weltraumgestützte Fernerkundungsbeobachtungen dramatische Verbesserungen in der räumlichen Auflösung und Erfassung der Land- und atmosphärischen Komponenten des Kohlenstoffkreislaufs gebracht. Hochauflösende bildgebende Beobachtungen der Landbiosphäre haben neue Einblicke in die Landnutzung und Landnutzungsänderungen und -störungen geliefert. Weltraumgestützte Mikrowellen- und Lidar-Beobachtungen werden nun verwendet, um oberirdische Biomasse-Kohlenstoffvorräte zu quantifizieren. Diese Daten werden mit oberflächenbasierten In-situ-Studien der Kohlenstoffvorräte sowie Daten von Flusstürmen kombiniert, um die Prozesse zu verstehen, die die Bruttoprimärproduktion, die Atmung und andere wichtige Treiber des Kohlenstoffkreislaufs steuern.

Satellitenbeobachtungen der Kohlenstoffdichte oberirdischer Biomasse (links) werden mit Karten von Anomalien im spaltengemittelten CO verglichen2 Molenbruch der trockenen Luft, XCO2 für den Zeitraum 2015 – 2019 (rechts). Positiver XCO2 Anomalien sind bei negativem XCO mit persistenten Quellen verbunden2 Anomalien werden als dauerhafte Senken interpretiert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass tropische Regionen mit den größten Dichten an oberirdischer Biomasse nun zu den stärksten CO-Quellen gehören2während diejenigen in hohen Breiten starke CO-Senken sind2. Anerkennung: Crispet al. [2022]

Ortsaufgelöste Beobachtungen von atmosphärischem CO2 von bodengestützten, luftgestützten und weltraumgestützten Plattformen werden mit atmosphärischen inversen Modellen analysiert. Diese Analysen helfen uns, sowohl die natürlichen als auch die anthropogenen Prozesse des Hinzufügens und Entfernens von CO zu verstehen2 von der Atmosphäre auf Skalen, die von einzelnen Kraftwerken über Ozeanregionen im Beckenmaßstab bis hin zum Globus reichen. Diese Daten werden mit verbesserten Bottom-up-Schätzungen anthropogener Emissionen und Modellen der Landbiosphäre und des Ozeans kombiniert, um die heutigen Prozesse zu diagnostizieren, die den luftgetragenen Anteil aufrechterhalten, und vorherzusagen, wie sie sich als Reaktion auf anhaltende menschliche Aktivitäten und den Klimawandel entwickeln könnten.

Für den Ozean haben Wissenschaftler frei zugängliche Datenbanken mit Messungen an der Oberfläche und im Inneren des Ozeans aufgebaut. Mit maschinellem Lernen und anderen statistischen Ansätzen verbessern sie die Quantifizierung der Kohlenstoffsenke im Ozean und ihrer zeitlichen Variabilität. Die Tatsache, dass unabhängige Beobachtungen und numerische Modelle vergleichbare Größenordnungen der mehrjährigen mittleren Senke anzeigen, weist auf ein solides Verständnis der Meeressenke hin. Die laufenden Bemühungen zielen darauf ab, die Schwankungen der Kohlenstoffsenke im Ozean von Jahr zu Jahr besser zu quantifizieren und zu verstehen, wie physikalische und biologische Rückkopplungen zukünftige Ozeansenken verändern werden.

Was sind Bottom-up- und Top-down-Methoden und was sagen sie uns?

Bottom-up-Methoden erstellen CO-Inventare2 -Emissionen und -Abbau, indem die Beiträge aller bekannten Quellen und Senken geschätzt und die Ergebnisse dann summiert werden. Bottom-up-Methoden, wie sie von der empfohlen werden Taskforce für Inventare des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC). Unterteilen Sie menschliche Aktivitäten in eine Reihe spezifischer Sektoren, darunter Energie, industrielle Prozesse und Produktnutzung (IPPU), Landwirtschaft, Forstwirtschaft und andere Landnutzer (AFOLU) und Abfall. Jeder Sektor wird dann in Kategorien unterteilt. Zum Beispiel umfasst der AFOLU-Sektor Landnutzungskategorien für Wald, Ackerland, Grünland, Feuchtgebiete, Siedlungen und andere Flächen. Für jede Kategorie jedes Sektors werden die anthropogenen Emissionen und der Abbau von CO2 und andere Treibhausgase können direkt gemessen, modelliert oder durch Multiplikation von Beobachtungen geschätzt werden Aktivitätsdaten durch eine vermutete Emissionsfaktor. Dieser Ansatz funktioniert im Allgemeinen am besten für bekannte Prozesse wie die Nutzung fossiler Brennstoffe, bei denen die Aktivitätsdaten (d. h. Anzahl Liter Öl oder Tonnen Kohle) gut quantifiziert sind und die Emissionsfaktoren (d. h. Anzahl kg CO2 freigesetzt pro Liter Öl) ist hinlänglich bekannt.

Andere Bottom-up-Methoden basieren auf der „Hochskalierung“ von Messungen von diskreten, oberflächenbasierten Sensoren, wie z. B. Eddy-Kovarianz-Türmen, die in Wald- oder Pflanzenbiomen eingesetzt werden. Schätzungen der Emissionen und des Abbaus von CO2 können auch aus Computersimulationen der Ozeanzirkulation, Biologie und Chemie oder der Photosynthese, des Wachstums und der Mortalität der Vegetation und der Bodenzersetzung an Land abgeleitet werden. Diese gelten auch als Bottom-up-Methoden, da sie auf der Skalierung von lokalen Prozessen auf regionale oder globale Skalen basieren.

Eine weitere Möglichkeit, Emissionen und den Abbau von CO zu verfolgen2 besteht darin, seine Konzentration in der Atmosphäre mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung direkt zu messen und diese Daten dann mit atmosphärischen inversen Modellierungssystemen zu analysieren, um Top-down-Schätzungen der Netto-Kohlenstoffflüsse zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre zu generieren. Diese Top-down-Methoden sind im Allgemeinen nicht so quellenspezifisch wie Bottom-up-Methoden, ergänzen diese Methoden jedoch, indem sie eine integrierte Beschränkung der gesamten Nettomenge an CO bereitstellen2 in die Atmosphäre emittiert oder aus ihr entfernt werden.

Warum ist es wichtig, die Prozesse zu verstehen, die die Emissionen und die Entfernung von CO steuern?2?

Menschliche Aktivitäten haben das atmosphärische CO erhöht2 Konzentration um fast 50 % seit Beginn des Industriezeitalters, von etwa 270 Teilen pro Million (ppm) im Jahr 1750 auf heute 415 ppm. CO2 ist ein effizientes Treibhausgas, das jetzt etwa 70 % der beobachteten Erwärmung um 1,1 °C bei den globalen Temperaturen ausmacht.

CO2 ist ein effizientes Treibhausgas, das jetzt etwa 70 % der beobachteten Erwärmung um 1,1 °C bei den globalen Temperaturen ausmacht.

Während diese Änderungen des atmosphärischen CO2 groß sind, wären sie viel größer gewesen, wenn natürliche Senken in der Landbiosphäre und den Ozeanen nicht mehr als die Hälfte der anthropogenen Emissionen absorbiert hätten, wodurch der luftgetragene Anteil auf etwa 0,45 begrenzt wäre. Trotz ihrer Bedeutung sind Art und Lage dieser natürlichen Senken in der Landbiosphäre noch immer nicht gut verstanden. Die Ozeansenke wird durch eine Vielzahl von Datenquellen und numerischen Modellen besser eingeschränkt, aber die Mechanismen, die für die jüngsten Veränderungen von Jahr zu Jahr verantwortlich sind, bleiben unzureichend erklärt. Aus diesem Grund können wir nicht genau vorhersagen, wie sie sich als Reaktion auf anhaltende menschliche Aktivitäten und den Klimawandel entwickeln könnten.

Was sind einige der Mess- und Modellierungslücken, die angegangen werden müssen, um den Kohlenstoffkreislauf effektiv zu überwachen?

Kontinuierliche und erweiterte Messungen des Kohlenstoffaustauschs zwischen Atmosphäre, Ozean und Landreservoirs sind entscheidend für die Verfolgung von Veränderungen in diesen Systemen, wenn wir mit den Bemühungen beginnen, den atmosphärischen Kohlendioxidaufbau zu überwachen und zu kontrollieren. Für die terrestrischen und atmosphärischen Kohlenstoffkreisläufe werden erweiterte oberflächen- und luftgestützte In-situ-Messnetzwerke in den Tropen und in hohen Breiten benötigt, um die sich schnell entwickelnden feuchten Tropenwälder und arktischen und borealen Regionen in ihrer Reaktion auf den Klimawandel zu überwachen. Während weltraumgestützte Fernerkundungsbeobachtungen die Abdeckung dieser Gebiete verbessert haben, schließt der Mangel an genauen In-situ-Daten aus diesen Regionen derzeit Bemühungen aus, ihre Daten zu validieren oder zu interpretieren. Für die Ozeane werden schiffsbasierte Messungen des Ozeankohlenstoffs weiterhin kritische Genauigkeitsstandards bieten, während erweiterte Einsätze autonomer Plattformen erforderlich sind, um die Messabdeckung, Auflösung und Wiederholfrequenz zu verbessern.

– David Crisp (davidcri@gmail.com; 0000-0002-4573-9998), California Institute of Technology, USA (im Ruhestand); Han Dolman (0000-0003-0099-0457), Royal NIOZ, Niederlande; Toste Tanhua (0000-0002-0313-2557), GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, Deutschland; Galen A. McKinley (0000-0002-4072-9221), Columbia University und Lamont-Doherty Earth Observatory, USA; Judith Huck (0000-0003-4723-9652), Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Deutschland; Ana Bastos (0000-0002-7368-7806) Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena, Deutschland; und Stephen Sitch (0000-0003-1821-8561) Universität Exeter, Vereinigtes Königreich.

Anmerkung des Herausgebers: Es ist die Politik von AGU Publications, die Autoren von Artikeln, die in Reviews of Geophysics veröffentlicht wurden, einzuladen, eine Zusammenfassung für Eos Editors’ Vox zu schreiben.

Zitieren: Crisp, D., H. Dolman, T. Tanhua, GA McKinley, J. Hauck, A. Bastos und S. Sitch (2022), Mysteries of the global carbon cycle, Eos, 103, https://doi.org/10.1029/2022EO225018. Veröffentlicht am 22. Juni 2022.
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Text © 2022. Die Autoren. CC BY-NC-ND 3.0
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