За последние несколько десятилетий Арктика нагревается более чем в два раза быстрее, чем остальная часть планеты. В то же время долгосрочные измерения содержания углекислого газа в атмосфере показали существенное увеличение количества углерода, поглощаемого и выделяемого растениями и почвой – наземной экосистемой – в Арктике каждый год.
Ученые предположили, что эта земная экосистема играет большую роль в изменениях, которые они наблюдают в углеродном цикле Арктики.
Но им не хватало техники для независимого измерения поглощения и выброса углерода. И это ключ к пониманию того, как биосфера реагирует на изменение климата, вызванное выбросами ископаемого топлива.
Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, позволяет по-новому взглянуть на этот важный процесс, происходящий в Арктике и бореальном регионе, на основе моделирования атмосферных измерений связанного с ним химического вещества – карбонилсульфида.
Под руководством исследователей из Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) международная группа ученых разработала новый способ анализа атмосферных измерений содержания газовых примесей карбонил-сульфида, вместе с измерениями атмосферного CO2, чтобы предоставить информацию об общем количестве углерод, поглощаемый наземной растительностью во время фотосинтеза.
Доктор Парвадха Сунтаралингам из Школы экологических наук UEA и соавтор исследования сказал: «Эта работа дает нам новую и ценную информацию о процессах, контролирующих поглощение CO2 наземной растительностью в северной части Арктики.
«Карбонилсульфид усваивается растениями во время фотосинтеза, но, в отличие от CO2, он не попадает обратно в атмосферу в процессе дыхания экосистемы. Таким образом, это дает нам возможность разделить два ключевых процесса – фотосинтез и дыхание – которые контролируют обмен CO2 между наземной растительностью и атмосферой.
"Это исследование дает новые оценки поглощения углерода наземными экосистемами в высокоширотных регионах Северной Америки.
«Он снижает неопределенности по сравнению с предыдущими оценками, а также исследует влияние других факторов окружающей среды, таких как температура и солнечная радиация, на процессы, контролирующие поглощение углерода этими высокоширотными экосистемами.
«Наш анализ показывает потенциал использования измерений карбонилсульфида в качестве независимого средства получения дополнительной информации о ключевых процессах углеродного цикла», – добавила она.
Ведущий исследователь Лей Ху, ученый из Совместного института исследований в области наук об окружающей среде (CIRES), работающий в NOAA в Колорадо, сказал: «Теперь мы можем изучить, как арктические наземные экосистемы реагируют на изменение климата на уровне процессов, потому что мы можем разделить фотосинтетическое поглощение и дыхание экосистемы в региональном масштабе."
Что такое карбонилсульфид?
Ученым давно известно, что растения поглощают углекислый газ, или CO2, для поддержания фотосинтеза в течение вегетационного периода, а затем выбрасывают его обратно в атмосферу осенью и зимой, когда ткань растений разлагается. Этот компромисс, противопоставленный быстро растущим уровням CO2 в атмосфере, не позволяет ученым напрямую оценить, как поглощение CO2 в результате фотосинтеза меняется с течением времени, основываясь только на измерениях только CO2.
Однако растениям нужны другие питательные вещества, в том числе сера, которая не выделяется в конце вегетационного периода.
Карбонилсульфид, или COS, представляет собой простую молекулу, которая очень похожа на CO2.
В то время как CO2 состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода, COS состоит из одного атома углерода, одного атома кислорода и атома серы. Постоянно производимый океаническими процессами, его также можно найти в вулканических газах, сгорании сырой нефти, сернистых болотах и почвах, а также в выхлопных газах дизельных двигателей, природном газе и выбросах нефтеперерабатывающих заводов.
Он присутствует в атмосфере в крошечных количествах (части на триллион).
Поглощение растениями – доминирующий процесс, который удаляет COS из атмосферы.
Как меняются арктические экосистемы?
В новом исследовании Ху и группа исследователей из NOAA, Университета Колорадо, Университета штата Колорадо, Калифорнийского университета в Санта-Круз, Ассоциации космических исследований НАСА / университетов, Университета Рутгерса и UEA проанализировали атмосферные измерения собранного карбонилсульфида. из Глобальной справочной сети по парниковым газам NOAA с 2009 по 2013 год для исследования круговорота углерода в арктических и северных регионах Северной Америки.
Вклад UEA предоставил данные и информацию об океанических источниках карбонилсульфида в атмосферу.
Океанические выбросы являются крупнейшим глобальным источником COS в атмосферу, поэтому точное знание этих потоков необходимо при использовании атмосферных измерений для определения и количественной оценки поглощения COS и CO2 растительностью во время фотосинтеза.
Команда оценила, что растения в этом регионе заняли 3.6 миллиардов метрических тонн углерода из атмосферы во время фотосинтеза каждый год. Они также обнаружили, что повышение температуры вызывает увеличение как чистого поглощения весной, так и чистого выделения газа осенью, но не в равной степени из-за регулирования как температуры, так и света.
С 1979-1988 гг. По 2010-2019 гг. Годовая весенняя температура почвы в регионе повысилась в среднем на 0 °.9 ?, а осенняя температура повысилась на 1.8 ?. Исследователи обнаружили, что весной повышение температуры почвы помогает увеличить фотосинтетическое поглощение углерода, поскольку солнечный свет затопляет регион. Осенью количество углерода, поглощаемого растениями, уменьшается из-за уменьшения количества солнечного света, несмотря на то, что температура почвы остается повышенной до поздней осени.
Напротив, когда дело дошло до выделения CO2, ученые обнаружили, что скорость в основном зависит от температуры.
Результаты также согласуются с оценками валовой первичной продукции на основе спутникового дистанционного зондирования как в пространстве, так и во времени, что повышает уверенность в результатах.
Последствия для будущего
Одно из самых больших неизвестных о будущей Арктике заключается в том, будут ли растительные сообщества в Северном полушарии и дальше увеличивать поглощение углерода по мере роста выбросов CO2 в атмосфере. Ху сказал, что один из способов получить более четкую картину – это провести больше измерений COS в регионе.
Если температура поверхности Арктики продолжит повышаться, особенно осенью и зимой, Арктика может начать выделять больше CO2, чем потребляет, что усугубит изменение климата.
Расширение системы наблюдений за COS в атмосфере может улучшить способность ученых отслеживать, сколько углерода наземные растения удаляют из атмосферы по мере повышения уровня CO2 и изменения климата, что улучшит понимание обратной связи между климатом и углеродным циклом и климатических прогнозов в Арктике и Северном море. регионы.
Это исследование частично финансировалось НАСА при постоянной поддержке Лаборатории глобального мониторинга NOAA.
«Связь GPP на основе COS с температурой и светом помогает объяснить усиление сезонного цикла CO2 в атмосфере в высоких широтах» опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.