Onderzoekers van de Universiteit van East Anglia hebben een nieuwe manier ontwikkeld om te meten hoe Arctische planten reageren op klimaatverandering.

In de laatste paar decennia, het noordpoolgebied warmt meer dan twee keer zo snel op als de rest van de planeet. Tegelijkertijd, langetermijnmetingen van kooldioxide in de atmosfeer hebben aangetoond dat de hoeveelheid koolstof die wordt geabsorbeerd in en uitgestoten door planten en bodem - het terrestrische ecosysteem - in het noordpoolgebied elk jaar aanzienlijk toeneemt.

Wetenschappers hadden aangenomen dat dit terrestrische ecosysteem een ​​grote rol speelde in de veranderingen die ze zien in de Arctische koolstofcyclus.

Maar ze misten een techniek om de koolstofopname en -afgifte onafhankelijk te meten. En dit is essentieel om te begrijpen hoe de biosfeer reageert op klimaatverandering die wordt veroorzaakt door de uitstoot van fossiele brandstoffen.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , biedt nieuwe inzichten in dit belangrijke proces boven het noordpoolgebied en de boreale regio, gebaseerd op de modellering van atmosferische metingen van een verwante chemische stof-carbonylsulfide.

Onder leiding van onderzoekers van de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), het internationale team van wetenschappers heeft een nieuwe manier ontwikkeld om atmosferische metingen van het sporengas carbonylsulfide te analyseren, samen met atmosferische CO ₂ afmetingen, om informatie te verschaffen over de totale hoeveelheid koolstof die tijdens de fotosynthese door landvegetatie wordt opgenomen.

Dr. Parvadha Suntharalingam, van UEA's School of Environmental Sciences, en een co-auteur van de studie, zei:"Dit werk geeft ons nieuwe en waardevolle informatie over de processen die CO . beheersen ₂ opname door op het land gebaseerde vegetatie in het boreale gebied van het noordpoolgebied.

"Carbonylsulfide wordt door planten opgenomen tijdens fotosynthese, maar in tegenstelling tot CO ₂ , het wordt niet terug in de atmosfeer vrijgegeven door de ademhalingsprocessen van het ecosysteem. Het geeft ons daarom een ​​manier om de twee belangrijkste processen te scheiden - fotosynthese en ademhaling - die bepalen hoe CO ₂ wordt uitgewisseld tussen de landvegetatie en de atmosfeer.

"Dit onderzoek levert nieuwe schattingen op van de opname van koolstof door terrestrische ecosystemen in Noord-Amerikaanse regio's op hoge breedtegraden.

"Het vermindert de onzekerheden in vergelijking met eerdere beoordelingen, en onderzoekt ook de invloed van andere omgevingsfactoren, zoals temperatuur en zonnestraling, op de processen die de koolstofopname door deze ecosystemen op hoge breedtegraden regelen.

"Onze analyse toont het potentieel aan van het gebruik van metingen van carbonylsulfide als een onafhankelijk middel om aanvullende informatie te verkrijgen over belangrijke koolstofcyclusprocessen, " voegde ze eraan toe.

Hoofdonderzoeker Lei Hu, een wetenschapper van het Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (CIRES) werkzaam bij NOAA in Colorado, zei:"We kunnen nu bestuderen hoe Arctische terrestrische ecosystemen op procesniveaus reageren op klimaatverandering, omdat we de opname van fotosynthese en de ademhaling van het ecosysteem op regionale schaal kunnen scheiden."

Wat is carbonylsulfide?

Wetenschappers weten al lang dat planten koolstofdioxide opnemen, of CO ₂ , om de fotosynthese tijdens het groeiseizoen te voeden, en zend het vervolgens terug naar de atmosfeer tijdens herfst en winter wanneer plantenweefsel vergaat. Dit geven en nemen, ingesteld tegen snel stijgende atmosferische CO ₂ niveaus, maakt het voor wetenschappers onmogelijk om direct in te schatten hoe CO ₂ opname door fotosynthese verandert in de tijd op basis van metingen van CO ₂ alleen.

Echter, planten hebben andere voedingsstoffen nodig, inclusief zwavel, dat aan het einde van het groeiseizoen niet vrijkomt. Carbonylsulfide, of COS, is een eenvoudig molecuul dat erg lijkt op CO ₂ .

terwijl CO ₂ bestaat uit één koolstofatoom en twee zuurstofatomen, COS bestaat uit één koolstofatoom, een zuurstofatoom en een zwavelatoom. Voortdurend geproduceerd door oceanische processen, het kan ook worden gevonden in vulkanische gassen, verbranding van ruwe olie, zwavelhoudende moerassen en bodems, evenals dieseluitlaatgassen, natuurlijk gas, en raffinaderij-emissies.

Het is in kleine hoeveelheden (parts per triljoen) in de atmosfeer aanwezig. Opname door planten is het dominante proces dat COS uit de atmosfeer verwijdert.

Hoe veranderen arctische ecosystemen?

In de nieuwe studie Hu en een team van onderzoekers van NOAA, de Universiteit van Colorado, Colorado Staatsuniversiteit, Universiteit van Californië - Santa Cruz, NASA/Universities Space Research Association, Rutgers Universiteit, en UEA analyseerden atmosferische metingen van carbonylsulfide verzameld van NOAA's Global Greenhouse Gas Reference Network van 2009 tot 2013 om koolstofcycli in de Noord-Amerikaanse Arctische en boreale regio's te onderzoeken.

De UEA-bijdrage leverde gegevens en informatie over de oceanische bronnen van carbonylsulfide in de atmosfeer. Oceanische emissies vormen de grootste wereldwijde bron van COS in de atmosfeer - dus nauwkeurige kennis van deze fluxen is nodig bij het gebruik van atmosferische metingen om de opname van COS en CO te identificeren en te kwantificeren ₂ door vegetatie tijdens fotosynthese.

The team estimated plants over this region took up 3.6 billion metric tons of carbon from the atmosphere during photosynthesis each year. 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. In the autumn, the amount of carbon taken up by plants is reduced by the dwindling amount of sunlight, despite soil temperatures remaining elevated until late autumn.

In contrast, 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 said, 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, exacerbating climate change.

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 van de National Academy of Sciences .