De globala koldioxidutsläppen nådde rekordhöga 2018, stiger med uppskattningsvis 3,4 procent bara i USA. Denna trend gör att forskare, regeringstjänstemän, och branschledare mer oroliga än någonsin för vår planets framtid. Som FN:s generalsekreterare António Guterres sa vid invigningen av FN:s 24:e årliga klimatkonferens den 3 december, "Vi är i djupa problem med klimatförändringarna."

En Columbia Engineering-studie, publiceras idag i Natur , bekräftar att det är brådskande att ta itu med klimatförändringarna. Även om det är känt att extrema väderhändelser kan påverka variationen i kolupptag från år till år, och vissa forskare har föreslagit att det kan finnas långsiktiga effekter, den här nya studien är den första som faktiskt kvantifierar effekterna under 2000-talet och visar att våtare år än normalt inte kompenserar för förluster i kolupptag under år som är torrare än normalt, orsakas av händelser som torka eller värmeböljor.

Antropogena utsläpp av CO2 – utsläpp orsakade av mänskliga aktiviteter – ökar koncentrationen av CO2 i jordens atmosfär och producerar onaturliga förändringar i planetens klimatsystem. Effekterna av dessa utsläpp på den globala uppvärmningen minskas endast delvis av marken och havet. För närvarande, havet och den terrestra biosfären (skogar, savanner, etc.) absorberar cirka 50 % av dessa utsläpp – vilket förklarar blekningen av korallrev och försurningen av havet, samt ökad kollagring i våra skogar.

"Det är oklart, dock, om marken kan fortsätta att ta upp antropogena utsläpp i nuvarande takt, säger Pierre Gentine, docent i jord- och miljöteknik och knuten till Earth Institute, som ledde studien. "Om marken når en maximal kolupptagningshastighet, den globala uppvärmningen kan accelerera, med viktiga konsekvenser för människor och miljö. Det betyder att vi alla verkligen behöver agera nu för att undvika större konsekvenser av klimatförändringarna."

Arbetar med sin Ph.D. student Julia Green, Gentine ville förstå hur variationen i den hydrologiska cykeln (torka och översvämningar, och långsiktiga torkningstrender) påverkade kontinenternas kapacitet att fånga upp en del av utsläppen av CO2. Forskningen är särskilt läglig eftersom klimatforskare har förutspått att extrema händelser sannolikt kommer att öka i frekvens och intensitet i framtiden, några som vi redan bevittnar idag, och att det också kommer att ske en förändring i nederbördsmönster som sannolikt kommer att påverka jordens vegetationsförmåga att ta upp kol.

För att definiera mängden kol som lagras i vegetation och jord, Gentine och Green analyserade netto biomproduktivitet (NBP), definieras av den mellanstatliga panelen för klimatförändringar som nettovinsten eller förlusten av kol från en region, lika med nettoproduktionen av ekosystem minus det kol som förlorats från störningar som en skogsbrand eller en skogsskörd.

Forskarna använde data från fyra jordsystemmodeller från experimenten GLACE-CMIP5 (Global Land Atmosphere Coupling Experiment—Coupled Model Intercomparison Project), att köra en serie experiment för att isolera minskningar av NBP som enbart beror på förändringar i markfuktigheten. De kunde isolera effekterna av förändringar i långsiktiga markfuktrender (dvs torkning) såväl som kortsiktiga variationer (dvs. effekterna av extrema händelser som översvämningar och torka) på markens förmåga att ta upp kol.

"Vi såg att värdet av NBP, i detta fall en nettovinst av kol på landytan, skulle faktiskt vara nästan dubbelt så hög om det inte vore för dessa förändringar (variabilitet och trend) i markfuktighet, säger Green, tidningens huvudförfattare. "Detta är en stor sak! Om markfuktigheten fortsätter att minska NBP i nuvarande takt, och markens kolupptagshastighet börjar minska i mitten av detta århundrade – som vi fann i modellerna – vi skulle potentiellt kunna se en stor ökning av koncentrationen av atmosfärisk CO2 och en motsvarande ökning av effekterna av global uppvärmning och klimatförändring."

Gentine och Green noterar att variationer i markfuktighet avsevärt minskar den nuvarande kolsänkan på land, och deras resultat visar att både variation och torkningstrender minskar den i framtiden. Genom att kvantifiera den kritiska betydelsen av jord-vattenvariabilitet för den terrestra kolcykeln, och minskningen av kolupptaget på grund av effekterna av dessa förändringar i markfuktigheten, studiens resultat visar på nödvändigheten av att implementera förbättrad modellering av vegetationsrespons på vattenstress och land-atmosfär-koppling i jordsystemmodeller för att begränsa det framtida markbundna kolflödet och för att bättre förutsäga framtida klimat.

"Väsentligen, om det inte fanns några torka och värmeböljor, om det inte skulle bli någon långvarig torkning under nästa århundrade, då skulle kontinenterna kunna lagra nästan dubbelt så mycket kol som de gör nu, " säger Gentine. "Eftersom jordfuktighet spelar en så stor roll i kolets kretslopp, i landets förmåga att ta upp kol, det är viktigt att processer relaterade till dess representation i modeller blir en högsta forskningsprioritet."

Det råder fortfarande en hel del osäkerhet om hur växter reagerar på vattenstress, och så Green och Gentine kommer att fortsätta sitt arbete med att förbättra representationerna av vegetationens svar på markfuktighetsförändringar. De fokuserar nu på tropikerna, en region med massor av okända, och den största markbundna kolsänkan, för att bestämma hur vegetationsaktiviteten kontrolleras av både förändringar i markfuktighet och atmosfärisk torrhet. Dessa fynd kommer att ge vägledning för att förbättra representationen av växtvattenstress i tropikerna.

"Denna studie är mycket värdefull eftersom den kastar ljus på hur viktigt vatten är för upptaget av kol i biosfären, " säger Chris Schwalm, en associerad forskare vid Woods Hole Research Center och expert på global miljöförändring, kolcykelkänslighet och modelleringsramverk som inte var involverade i studien. "Den exponerar också underutvecklade aspekter av jordsystemsmodellering såsom processer relaterade till vegetationsvattenstress och markfuktighet, som kan riktas mot under modellutvecklingen för bättre prediktiv kapacitet i samband med globala miljöförändringar."