De landecosystemen van de aarde absorberen een groot deel van alle koolstofdioxide-emissies die door menselijke activiteiten worden geproduceerd, helpen de opwarming van de aarde te vertragen. Gemiddeld voor een bepaald jaar, planten en grond nemen op, of repareren, ongeveer 30 procent van de menselijke uitstoot. Maar van het ene jaar op het andere dat aantal kan oplopen tot 40 procent of zo laag als 20 procent. Klimaatwetenschappers proberen precies vast te stellen wat deze variabiliteit veroorzaakt, zodat ze er rekening mee kunnen houden en de meest nauwkeurige modellen kunnen maken voor het voorspellen van het toekomstige klimaat.

Maar er is een aanzienlijke discussie geweest binnen de gemeenschap van klimaatmodellen over wat precies deze zogenaamde interjaarlijkse variabiliteit veroorzaakt. De ene kant stelt dat deze veranderingen meestal worden veroorzaakt door atmosferische eigenschappen, zoals temperatuur en luchtvochtigheid in de buurt van het oppervlak. De ander zegt dat bodemvocht veel belangrijker is.

Een nieuwe studie onder leiding van Caltech en gepubliceerd in het nummer van 1 april van het tijdschrift Natuur lost dit debat op, wat aantoont dat bodemvocht inderdaad de bestuurder is in termen van hoeveel koolstofdioxide wordt opgenomen door landecosystemen. Echter, de studie concludeert ook dat de hoeveelheid vocht in de bodem de temperatuur en vochtigheid in de buurt van het oppervlak beïnvloedt, die op hun beurt invloed hebben op het vermogen van planten om koolstof vast te leggen.

"Bodemvocht is de driver, en temperatuur en vochtigheid zijn de hefboom, " zegt Vincent Humphrey, een voormalig postdoctoraal wetenschapper bij Caltech en hoofdauteur van het nieuwe artikel.

Om het belang van bodemvocht te analyseren, de onderzoekers voerden simulaties uit met behulp van klimaatmodellen die volledig integreren wat er bekend is over het land van de aarde, oceanen, en sfeer. Ze simuleerden twee verschillende werelden:een referentieplaneet met normale aardse omstandigheden, en een hypothetische wereld die nooit extremen in bodemvocht ervaart - geen droogtes of overstromingen. In de referentiesimulatie, ze zagen de verwachte variabiliteit in de koolstofopname door het land in de loop van de tijd. Maar in het geval van de hypothetische wereld, de jaar-op-jaar veranderingen zijn in wezen verdwenen. Toen de onderzoekers nooit een afwijking in het vocht van de bodem toestonden, fabrieken hebben altijd ongeveer hetzelfde percentage menselijke emissies vastgesteld.

"Hier hebben we een rokend pistool, " zegt Humphrey. "We kunnen met vertrouwen zeggen dat bodemvocht een dominante rol speelt in de jaar-op-jaar verandering die we zien in de hoeveelheid koolstof die door het land wordt opgenomen."

Maar de onderzoekers realiseerden zich ook dat in de hypothetische wereld zonder droogte of overstromingen, er waren veel minder evenementen met verhoogde temperaturen of verminderde vochtigheid dan de referentie. Dit, ze vonden, was te wijten aan een reeks processen die land-atmosfeer-feedbacks worden genoemd, wanneer landkenmerken de atmosfeer nabij het aardoppervlak sterk beheersen.

Om dit te begrijpen, Humphrey stelt voor om te denken aan een keer dat je een kleine groep bomen in een park tegenkwam en de temperatuur onmiddellijk voelde dalen. Dit gebeurt omdat bomen veel water afgeven door het verdampingsproces van transpiratie. Dit richt de energie van de zon op het verdampen van water in plaats van het de omgeving te laten verwarmen. Tijdens een droogte, wanneer er niet zoveel water in de buurt is voor planten om te verdampen, meer van de energie van de zon gaat naar verwarming en uitdroging van de lucht.

"Onze resultaten laten zien dat bodemvocht een significante invloed heeft op de temperatuur nabij het oppervlak en de luchtvochtigheid vanwege deze land-atmosfeer feedback, " zegt co-auteur Christian Frankenberg, hoogleraar milieuwetenschappen en techniek bij Caltech en onderzoeker bij het Jet Propulsion Laboratory, die Caltech voor NASA beheert. Hij voegt eraan toe dat uit de studie bleek dat als de grond droog is, extreme gebeurtenissen zoals hittegolven worden veel schadelijker omdat de planten hun werk van het opnieuw bevochtigen en koelen van het landoppervlak niet kunnen doen. "Als er voldoende bodemvocht beschikbaar is, dit dempt sommige van deze extreme gebeurtenissen, " hij zegt.

De wetenschappers waren verrast door het belang van deze land-atmosfeer-feedbacks in termen van hun effect op de wereldwijde koolstofopname. Het bleek dat de directe impact van veranderend bodemvocht slechts ongeveer een kwart van de interjaarlijkse variabiliteit uitmaakt. Een verrassende 75 procent kwam indirect, als product van veranderingen in temperatuur en luchtvochtigheid. Dit betekent dat tijdens droogte, planten zijn niet in staat koolstof vast te leggen, niet zozeer omdat er minder water in de bodem zit, maar vooral omdat de atmosfeer door de droogte snel heter en droger is geworden.

"Dit verzoent eindelijk de verschillende perspectieven die mensen in ons vakgebied hebben gehad, " zegt Humphrey. "Totdat je weet dat het bodemvocht de temperatuur heeft beïnvloed en daarom zie je dat ze allebei effect hebben, u de indruk heeft dat er een conflict is tussen de resultaten. Dit verkoelt eindelijk het debat. Iedereen heeft gelijk."

De nieuwe Natuur paper is getiteld "Bodemvocht-atmosfeerfeedback domineert de variabiliteit van de opname van koolstof op het land."