Kredit:CC0 Public Domain
Forskare vid University of East Anglia har hjälpt till att utveckla ett nytt sätt att mäta hur arktiska växter reagerar på klimatförändringar.
Under de senaste decennierna, Arktis har värmts upp mer än dubbelt så snabbt som resten av planeten. På samma gång, Långsiktiga mätningar av atmosfärisk koldioxid har visat på betydande ökningar av mängden kol som absorberas och släpps ut av växter och mark – det terrestra ekosystemet – i Arktis varje år.
Forskare hade antagit att detta terrestra ekosystem spelade en stor roll i förändringarna de ser i den arktiska kolcykeln.
Men de saknade en teknik för att mäta kolupptag och frisättning oberoende. Och detta är nyckeln för att förstå hur biosfären reagerar på klimatförändringar som drivs av fossila bränslen.
Nu, en ny studie, publiceras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , ger nya insikter om denna viktiga process över den arktiska och boreala regionen, baserat på modellering av atmosfäriska mätningar av en relaterad kemikalie - karbonylsulfid.
Leds av forskare vid National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), det internationella teamet av forskare utvecklade ett nytt sätt att analysera atmosfäriska mätningar av spårgasen karbonylsulfid, tillsammans med atmosfärisk CO 2 mått, att ge information om den totala mängd kol som tas upp av landvegetation under fotosyntesen.
Dr. Parvadha Suntharalingam, från UEA:s School of Environmental Sciences, och en medförfattare till studien, sa:"Detta arbete ger oss ny och värdefull information om processerna som styr CO 2 upptag av landbaserad vegetation i det boreala området i Arktis.
"Karbonylsulfid tas av växter under fotosyntes, men till skillnad från CO 2 , det släpps inte tillbaka till atmosfären av ekosystemets andningsprocesser. Det ger oss därför ett sätt att separera de två nyckelprocesserna – fotosyntes och andning – som styr hur CO 2 utbyts mellan landvegetationen och atmosfären.
"Denna forskning ger nya uppskattningar av upptaget av kol av terrestra ekosystem i nordamerikanska höglatitudregioner.
"Det minskar osäkerheten i jämförelse med tidigare bedömningar, och undersöker också inverkan av andra miljöfaktorer – såsom temperatur och solstrålning – på processerna som styr kolupptaget av dessa ekosystem på hög latitud.
"Vår analys visar potentialen i att använda mätningar av karbonylsulfid som ett oberoende sätt att få ytterligare information om viktiga kolcykelprocesser, " tillade hon.
Ledande forskare Lei Hu, en forskare från Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (CIRES) som arbetar vid NOAA i Colorado, sa:"Vi kan nu studera hur arktiska terrestra ekosystem reagerar på klimatförändringar på processnivåer, eftersom vi kan separera fotosyntetisk upptag och ekosystemandning på regional skala."
Vad är karbonylsulfid?
Forskare har länge vetat att växter absorberar koldioxid, eller CO 2 , för att underblåsa fotosyntesen under växtsäsongen, och sedan släpper ut det tillbaka till atmosfären under hösten och vintern när växtvävnad förfaller. Detta ge-och-ta, ställs mot snabbt stigande atmosfärisk koldioxid 2 nivåer, gör det omöjligt för forskare att direkt uppskatta hur CO 2 upptaget genom fotosyntes förändras över tid baserat på mätningar av CO 2 ensam.
Dock, växter behöver andra näringsämnen, inklusive svavel — som inte släpps ut i slutet av växtsäsongen. Karbonylsulfid, eller COS, är en enkel molekyl som är väldigt lik CO 2 .
Medan CO 2 består av en kolatom och två syreatomer, COS består av en kolatom, en syreatom och en svavelatom. Ständigt producerad av oceaniska processer, det kan också hittas i vulkaniska gaser, förbränning av råolja, svavelhaltiga kärr och jordar, samt dieselavgaser, naturgas, och raffinaderiutsläpp.
Det finns i atmosfären i små mängder (delar per biljon). Upptag av växter är den dominerande processen som tar bort COS från atmosfären.
Hur förändras de arktiska ekosystemen?
I den nya studien, Hu och ett team av forskare från NOAA, University of Colorado, Colorado State University, University of California—Santa Cruz, NASA/Universities Space Research Association, Rutgers University, och UEA analyserade atmosfäriska mätningar av karbonylsulfid som samlats in från NOAA:s Global Greenhouse Gas Reference Network från 2009 till 2013 för att undersöka kolkretslopp i de nordamerikanska arktiska och boreala regionerna.
UEA-bidraget gav data och information om de oceaniska källorna för karbonylsulfid till atmosfären. Oceaniska utsläpp utgör den största globala källan till COS till atmosfären - så noggrann kunskap om dessa flöden behövs när man använder atmosfäriska mätningar för att identifiera och kvantifiera upptaget av COS och CO 2 av vegetation under fotosyntesen.
Teamet uppskattade att växter i denna region tog upp 3,6 miljarder ton kol från atmosfären under fotosyntesen varje 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. På hösten, 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 kontrast, 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 sa, 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, förvärrar klimatförändringarna.
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 .
