افزایش در سراسر جهان سیگنال های ضبط CO2 گیاهی تغییر عمده آب و هوا

گیاهان نقش مهمی در شکل دادن به آب و هوای زمین دارند. از طریق فتوسنتز ، آنها دی اکسید کربن (CO₂) را از هوا بیرون می کشند. این مبادله عظیم – تولید ناخالص اولیه (GPP) – بزرگترین حرکت کربن روی کره زمین است. GPP چرخه کربن زمین را سوخت می کند و به تعادل جو کمک می کند. اما سالهاست که دانشمندان نتوانسته اند چقدر گیاهان کربن را وارد کنند ، یا کجا و چه زمانی این کار را انجام می دهند.

برای چندین دهه ، تخمین جهانی برای GPP حدود 120 پتگرام کربن در سال معلق بود. این تعداد ، که بیشتر مبتنی بر داده های ماهواره ای و مدل سازی غیرمستقیم است ، استاندارد شد. اما نگاهی تازه به اعداد نشان می دهد که گیاهان ممکن است در هر سال کربن بسیار بیشتری را به 157 پتگرام جذب کنند. این یک جهش 31 ٪ است و منظره های طولانی در مورد چگونگی نفس کشیدن سیاره را لرزاند.

برآورد اصلاح شده در طبیعت ظاهر شد و وزن زیادی نیز دارد. اگر گیاهان کربن بیشتری را از آنچه تصور می کردیم خیس کنند ، ممکن است در کاهش سرعت تغییرات آب و هوا کمک بیشتری کنند. همچنین ریاضیات را در مدلهایی تغییر می دهد که پیش بینی می کند آب و هوای زمین در دهه های آینده چگونه تغییر خواهد کرد. این مدل ها برای ردیابی سینک های کربن و اندازه گیری سریع گازهای گلخانه ای به شماره های GPP جامد متکی هستند.

برای رسیدن به این رقم جدید ، تیمی به سرپرستی محققان دانشگاه کرنل با آزمایشگاه ملی اوک ریج همکاری کردند. آنها به کربونیل سولفید (OCS) روی آوردند ، یک گاز نادر که از نزدیک با فتوسنتز گره خورده است. گیاهان OC را دقیقاً مانند آنچه انجام می دهند ، می گیرند ، اما برخلاف Co₂ ، OCS دوباره آزاد نمی شود. جذب یک طرفه ، آن را به یک ردیاب واضح برای فعالیت فتوسنتزی و ابزاری قدرتمند برای اندازه گیری GPP مستقیماً از گذشته تبدیل می کند.

محققان مدلی را تهیه کردند که حرکت OC را از جو به کلروپلاست های گیاهی ردیابی می کند – ساختارهای سلولی که در آن فتوسنتز رخ می دهد. این رویکرد از خصوصیات منحصر به فرد OCS برای غلبه بر محدودیت های روشهای سنتی ، مانند اندازه گیری های مبتنی بر ماهواره ، استفاده می کند ، که می تواند با پوشش ابر ، به ویژه در جنگلهای بارانی گرمسیری مانع شود.

Lianhong GU ، دانشمند برجسته کارکنان ORNL و همکار این مطالعه گفت: “فهمیدن اینکه گیاهان CO2 هر سال چقدر برطرف می شوند ، یک معضل است که دانشمندان مدتی در آن کار می کنند.” “این مهم است که ما از GPP جهانی برخورد خوبی داشته باشیم زیرا جذب اولیه کربن زمین بر بقیه بازنمایی های ما از چرخه کربن زمین تأثیر می گذارد.”

کلید تخمین جدید GPP بازنمایی بهتری از انتشار مزوفیل است – فرآیندی که توسط آن OCS و CO2 از برگها به کلروپلاست ها منتقل می شوند. لایه های مزوفیل به عنوان موانع قابل توجهی برای حرکت گاز عمل می کنند و بر نحوه کارآیی گیاهان فتوسنتز تأثیر می گذارد. مدلهای قبلی اغلب از این فرآیند غفلت می کردند یا از فرضیات ساده استفاده می کردند و منجر به دست کم گرفتن GPP می شدند.

برای پرداختن به این شکاف ، این تیم مدلهای مفصلی را برای هدایت مزوفیل در مرکز ملی تحقیقات جوی جامعه مدل زمین 5 (CLM5) گنجانیده است. محققان با حساب صریح و صریح برای انتشار مزوفیل ، صحت شبیه سازی های خود را بهبود بخشیدند و آنها را از نزدیک با اندازه گیری های میدانی از مکانهای نظارت مانند جنگل هاروارد در ایالات متحده و جنگل Hyytiälä در فنلاند هماهنگ کردند.

این مطالعه نشان داد که هدایت مزوفیل به طور قابل توجهی بر الگوهای فصلی و مکانی جذب OCS و GPP تأثیر می گذارد. به عنوان مثال ، در فصول خفته و شانه ، مدلهای قبلی فعالیت گیاهی را دست کم گرفت زیرا آنها نتوانستند پویایی ظریف تبادل گاز را در برگها ضبط کنند.

این مدل به روز شده همچنین آن را در مورد جذب OCS Plant Night Time برجسته کرده است-با توجه به 20-30 ٪ از کل روزانه-نقش برجسته تری را از آنچه قبلاً تصور می شد بازی می کند.

این یافته بر پیچیدگی فرآیندهای فتوسنتزی و اهمیت ترکیب مکانیسم های فیزیولوژیکی دقیق در مدلهای چرخه کربن جهانی تأکید دارد. نتایج همچنین حاکی از آن است که هدایت مزوفیل می تواند با شرایط محیطی و مراحل فنولوژیکی متفاوت باشد ، و بر برآوردهای GPP تأثیر می گذارد.

برآورد GPP اصلاح شده پیامدهای گسترده ای برای علم آب و هوا دارد. به عنوان یک تعیین کننده اصلی غرق کربن زمینی ، GPP نحوه پاسخ اکوسیستم ها به افزایش سطح CO2 و تغییرات آب و هوایی را شکل می دهد.

جنگلهای بارانی پان گرمسیری ، به ویژه ، به عنوان یک سینک کربن سازنده تر از داده های ماهواره ای نشان داده شده است. این کشف بر اهمیت اندازه گیری های زمینی در اعتبارسنجی و پالایش مدلهای جهانی تأکید می کند.

پیتر تورنتون گفت: “ناخن زدن برآوردهای ما از GPP با مشاهدات قابل اعتماد در مقیاس جهانی ، گامی مهم در بهبود پیش بینی های ما از CO2 آینده در جو و پیامدهای آب و هوای جهانی است.”

اندازه گیری دقیق GPP همچنین مدل های سیستم زمین را تقویت می کند ، که برای شبیه سازی سناریوهای آب و هوایی آینده ضروری هستند. دانشمندان با ترکیب هدایت مزوفیل و روشهای مبتنی بر OCS ، می توانند عدم قطعیت در پیش بینی پویایی کربن جنگل های گرمسیری و مسیرهای آب و هوایی جهانی را کاهش دهند.

این پیشرفت به ویژه برای ابتکاراتی مانند آزمایش های اکوسیستم نسل بعدی وزارت انرژی در مناطق استوایی ، که هدف آن اصلاح مدل های پاسخ جنگل های گرمسیری به تغییرات آب و هوا است ، مهم است.

علاوه بر این ، این یافته ها محدودیت های تکیه فقط به مشاهدات ماهواره ای برای برآورد GPP جهانی را برجسته می کند. روشهای مبتنی بر زمین ، مانند ردیابی OCS ، تصویری دقیق تر و دقیق تر از فعالیت فتوسنتزی را ارائه می دهند. این امر به ویژه در مناطقی مانند جنگلهای بارانی گرمسیری بسیار مهم است ، جایی که پوشش ابر متراکم می تواند داده های ماهواره ای را مبهم کند.

یافته های این مطالعه اهمیت ادغام بینش های علمی جدید در مدل های چرخه کربن جهانی را برجسته می کند. محققان نتایج خود را در برابر داده های با وضوح بالا از برج های نظارت بر محیط زیست تأیید کردند و از محدودیت مشاهدات ماهواره ای جلوگیری کردند. گنجاندن منابع داده های متنوع ، مانند پایگاه داده LeafWeb ، قابلیت اطمینان مدل را بیشتر تقویت می کند.

Leafweb ، ابتکاری که توسط منطقه تمرکز علمی علمی اکوسیستم زمینی ORNL پشتیبانی می شود ، داده های مربوط به صفات فتوسنتزی را از دانشمندان در سراسر جهان جمع می کند. این ثروت از اطلاعات در پالایش مدلهای هدایت مزوفیل و اطمینان از صحت برآوردهای GPP نقش مهمی داشت. محققان با استفاده از این داده ها توانستند پویایی پیچیده فتوسنتز را در هر دو مقیاس محلی و جهانی ضبط کنند.

پشتیبانی از این تحقیقات پیشگامانه از موسساتی از جمله دانشگاه کرنل ، دانشگاه واگننگن در هلند و برنامه تحقیقات بیولوژیکی و زیست محیطی وزارت انرژی انجام شد. همكاران تأكید كردند كه پیشرفت در فرآیندهای اساسی چرخه كربن برای پرداختن به برخی از مهمترین چالش های علوم آب و هوا بسیار مهم است.

گو توضیح داد: “ما باید اطمینان حاصل کنیم که فرآیندهای اساسی در چرخه کربن به درستی در مدل های در مقیاس بزرگتر ما نشان داده شده است.” “این کار از نظر ارائه یک شماره قطعی یک گام بزرگ به جلو است.”

از آنجا که دانشمندان همچنان روشهای تخمین GPP را اصلاح می کنند ، این تحقیق یک چارچوب قوی برای درک پویایی پیچیده فتوسنتز زمینی را فراهم می کند. این مطالعه با آشکار کردن میزان واقعی جذب کربن توسط گیاهان ، نقش حیاتی اکوسیستم های طبیعی در کاهش تغییرات آب و هوا را تأکید می کند.

علاوه بر پیامدهای آن برای مدل سازی آب و هوا ، این مطالعه راه های جدیدی را برای تحقیقات در مورد پاسخ های گیاهی به عوامل استرس زا محیط باز می کند. درک چگونگی تطبیق انتشار مزوفیل و سایر فرآیندهای فیزیولوژیکی با شرایط در حال تغییر می تواند بینش ارزشمندی را در مورد مقاومت و پایداری اکوسیستم فراهم کند. این یافته ها می تواند استراتژی های حفاظت را آگاه کند و به سیاست گذاران کمک کند تا رویکردهای مؤثرتری را برای مدیریت سینک های کربن طبیعی توسعه دهند.

ادغام روشهای نوآورانه ، مانند ردیابی OCS ، نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در زمینه علم چرخه کربن است. این تحقیق با ایجاد شکاف بین فرآیندهای فیزیولوژیکی در مقیاس کوچک و پویایی اکوسیستم در مقیاس بزرگ ، استاندارد جدیدی را برای مطالعه فتوسنتز جهانی تعیین می کند. از آنجا که این سیاره با چالش های زیست محیطی بی سابقه ای روبرو است ، چنین پیشرفت هایی برای ایجاد آینده ای پایدار ضروری است.