Uhlíkové emisie z permafrostu „môžu predstavovať značné riziko“ pre snahy o zmiernenie klímy

This one study sa zaoberá zmenami v permafroste v závislosti od možností odstraňovania oxidu uhličitého (nulové alebo negatívne emisie) a jeho úlohou v klimatických zmenách. Používa sa model Zeme na simuláciu emisií pri nulových a negatívnych emisiách po období pozitívnych emisií antropogénneho CO2. Cieľom je pochopiť, kedy a koľko uhlíka bude emitovaného z permafrostu, aký bude pomer CO2 a CH4 a či existuje hysterézia permafrostu pri nulových a negatívnych emisiách a ako ovplyvní bilanciu ekosystémového uhlíka.

Permafrost – ovplyvnené pôdy v severnej cirkumpolárnej oblasti permafrostu ukladajú približne 1460 až 1600 PgC. Otepľovanie Zeme vedie k rozkladu organického uhlíka v týchto pôdach, čo uvoľňuje skleníkové plyny ako CO2 a metán (CH4) do atmosféry, čím sa potenciálne zosilňuje globálne otepľovanie spôsobené človekom. Rastliny by mali rásť rýchlejšie a absorbovať viac uhlíka z atmosféry, čo by mohlo kompenzovať niektoré straty uhlíka z pôdy. Zmeny v bilancii čistého uhlíka v permafroste v reakcii na nulové a negatívne emisie sú komplexné, čo má zásadný vplyv na budúce reakcie uhlíkovo-klimatického systému na antropogénne emisie.

Kľúčové otázky a metodológia

1. Ako sa zmení rozsah permafrostu a hrúbka aktívnej vrstvy (ALT) pri nulových a negatívnych emisiách?
2. Koľko uhlíka z permafrostového ekosystému bude emitované alebo absorbované pozdĺž dráh znižovania emisií?
3. Aké sú hlavné procesy zodpovedné za tieto zmeny?
4. Existuje hysterézia permafrostu pri nulových a negatívnych emisiách, a ak áno, ako to ovplyvní bilanciu čistého ekosystémového uhlíka?

Na zodpovedanie týchto otázok boli vykonané simulácie pomocou modelu Community Earth System Model verzia 2 (CESM2) spojeného s Community Land Model verzia 5 (CLM5). Simulácie sú založené na dvoch idealizovaných a kontinuálnych emisných dráhach zahŕňajúcich nulové (Exp_zero) alebo negatívne emisie (Exp_neg) po pozitívnych antropogénnych emisiách CO2.

Zistenia

• Zmeny v rozsahu blízkeho povrchového permafrostu: Rozsah blízkeho povrchového permafrostu vysoko závisí od teploty blízkeho povrchového vzduchu (SAT). V Exp_zero sa objavuje vzorec rozmrazovania a opätovného zamrazovania podľa cyklu otepľovania a ochladzovania. V Exp_neg vedú teplotné výkyvy (otepľovanie, ochladzovanie, opätovné otepľovanie) k cyklu rozmrazovania, opätovného zamrazovania a opätovného rozmrazovania.
• Vývoj bilancie čistého ekosystémového uhlíka: Počas fázy pozitívnych emisií sa vegetačný uhlíkový fond neustále zvyšuje, zatiaľ čo sa znižuje súčet opadu a pôdneho uhlíkového fondu. Od roku 2060 začína opad a pôdny uhlík prudko klesať, čo vedie k čistej strate ekosystémového uhlíka v oblasti permafrostu. Po ukončení pozitívnych emisií v Exp_zero začína čistá absorpcia uhlíka vegetáciou klesať, ale vegetačný uhlík zostáva stabilný. Kvôli pokračujúcej strate opadu a pôdneho uhlíka spôsobenej vysokou teplotou sa celkový ekosystémový uhlík postupne znižuje, čo vedie k celkovej strate ekosystémového uhlíka o ~14 PgC do konca simulácie.
• Irreverzibilné zmeny v emisiách CH4: Ako sa klíma otepľuje, pozemný ľad sa topí a zvyšuje sa ukladanie povrchovej vody, zväčšuje sa zaplavená frakcia primárne v mriežkových bunkách, ktoré sú už čiastočne nasýtené, čo sa značne prekrýva s oblasťou, kde dominujú organické pôdy. Výsledkom je, že zvýšenie emisií CH4 je koncentrované v oblastiach s výrazným zvýšením zaplavených oblastí a vysokým obsahom SOM, t. j. v oblastiach, kde sú emisie CH4 pôvodne vysoké. Zvýšené zaplavené frakcie, najmä v organických pôdach, sa po nástupe nulových a negatívnych emisií nevracajú do predchádzajúceho stavu, čo vykazuje ireverzibilitu.
• Hysterézia blízkeho povrchového permafrostu a jeho uhlíkový cyklus: Oblasť blízkeho povrchového permafrostu vykazuje hysteréziu vo vzťahu ku koncentrácii CO2 a SAT. Ako sa koncentrácia CO2 znižuje, oblasť permafrostu sa obnovuje, ale je menšia pri rovnakej koncentrácii CO2 a teplote v porovnaní s obdobím zvyšovania CO2.

Po ukončení pozitívnych emisií sa rozsah permafrostu a ALT začínajú obnovovať, ale obnova je pomalá v porovnaní s rýchlosťou poklesu teploty v dôsledku tepelnej zotrvačnosti pôdy, najmä v oblastiach s vysokým obsahom SOM. Celková anomália ekosystémového uhlíka v oblasti permafrostu je počas fázy pozitívnych emisií pozitívna v dôsledku zvýšenia absorpcie uhlíka vegetáciou, čo prevyšuje respiráciu pôdy. Po nástupe nulových a negatívnych emisií však vegetačný uhlík zostáva stabilný alebo klesá, zatiaľ čo respiračná strata uhlíka z opadu a pôdneho uhlíkového fondu sa postupne zvyšuje, čo vedie k čistej strate ekosystémového uhlíka v oblasti permafrostu.

Neistoty

Projekcie emisií uhlíka z permafrostového ekosystému pri nulových a negatívnych emisiách obsahujú neistoty týkajúce sa zmien v permafroste a arktickom ekosystéme a klimatických zmien vyvolaných AMOC. Množstvo emisií uhlíka z pôdy je neisté kvôli nedostatočnému pochopeniu dynamiky rozkladu v hlbokých pôdach a obsahu uhlíka v pôde, ako aj neúplnému zastúpeniu procesov permafrostu v modeli. Emisie CH4 a ich citlivosť na klimatické zmeny sú stále neisté kvôli zložitosti procesov súvisiacich s biogeochémiou CH4 a interakciou s vlhkosťou pôdy. Mnohé procesy súvisiace s arktickými ekosystémami sú stále slabo zastúpené: jednoduché rastlinné spoločenstvo a statické zloženie vegetácie. Spring

---

Slovník kľúčových pojmov

• Permafrost: Trvalo zamrznutá pôda, ktorá zostáva pod bodom mrazu aspoň dva roky po sebe.
• Aktívna vrstva (ALT): Vrchná vrstva pôdy, ktorá sa každoročne rozmrazuje a zamrzne.
• Ekosystémový uhlík: Súčet uhlíka uloženého vo vegetácii, stelive a pôde.
• Heterotrofická respirácia: Rozklad organickej hmoty mikroorganizmami, ktorý uvoľňuje CO2.
• Atlantická meridionálna prevratná cirkulácia (AMOC): Systém oceánskych prúdov v Atlantickom oceáne, ktorý prenáša teplo z trópov na sever.
• CO2 fertilizačný efekt: Zvýšený rast rastlín v dôsledku vyšších koncentrácií oxidu uhličitého (CO2) v atmosfére.
• Net Primary Production (NPP): Miera, akou rastliny fixujú atmosférický uhlík prostredníctvom fotosyntézy.
• Hysterezia: Závislosť stavu systému od jeho minulosti. V kontexte permafrostu znamená oneskorenie alebo neschopnosť úplného obnovenia sa systému aj po návrate podmienok do pôvodného stavu.
• Cryoturbácia: Proces miešania pôdy spôsobený opakovaným zamŕzaním a rozmrazovaním.
• Talik: Oblasť nezamrznutej pôdy v trvale zamrznutej oblasti.
• PgC (Petagram uhlíka): Jednotka merania uhlíka, pričom 1 PgC = 10^15 gramov uhlíka.
• CO2 ekvivalent: Miera pre porovnanie radiačného vplyvu (globálne otepľovanie) rôznych skleníkových plynov.
• Net-Zero emisie: Stav, keď sú antropogénne emisie CO2 vyvážené antropogénnym odstraňovaním CO2 počas určitého obdobia.
• Negatívne emisie: Odstránenie oxidu uhličitého z atmosféry väčším tempom, ako sú emisie oxidu uhličitého do atmosféry.