3 maj 2010

Kvävet och klimatmodellerna


I den ständigt växande samlingen vetenskapliga publikationer som på olika sätt behandlar klimatförändringar riktar vi in strålkastaren mot en kortare artikel från december 2009 i tidskriften Geophysical Research Letters.

Artikeln är intressant för att den tar upp ett viktigt problem med dagens generation vegetationsmodeller, dvs den del av en klimatmodell som beräknar hur vegetationen påverkar och påverkas av klimatet. Dagens vegetationsmodeller tar vanligtvis inte hänsyn till tillgång eller brist på näringsämnen (framför allt kväve och fosfor) när man räknar på hur växterna kommer att svara på ökningen av koldioxid. Resultatet blir att man riskerar att överskatta den tillväxtökning hos vegetationen som förväntas som svar på koldioxidökningen, vilket i sin tur innebär att man överskattar hur mycket koldioxid som kan bindas in av vegetationen (det vill säga försvinner ur atmosfären), vilket leder till att man underskattar temperaturökningen under den modellerade tidsperioden.

Vi tittar närmare på problemet:

Kväve är för växter ett av de viktigaste näringsämnena eftersom det ofta ingår som byggsten i proteiner, däribland viktiga enzymer i kloroplasterna. Mängden tillgängligt kväve påverkar därför direkt hastigheten för fotosyntesen, växternas mekanism för energiutvinning och kolinbindning. Därmed påverkas växtens tillväxthastighet, och hur mycket och hur snabbt koldioxid kan tas upp och bindas in som biomassa och därmed tillfälligt försvinna ur atmosfären.

Växter kan inte ta upp kvävgas (N2) direkt ur atmosfären, utan är beroende av kväveföreningar i marken.
Trots att kvävgas utgör 78 % av volymen i atmosfären är därför tillgängligt kväve en bristvara för växter i majoriteten av jordens naturliga ekosystem [1]. Det finns två sätt för växtligheten att komma åt nytt kväve, antingen genom att utnyttja att vissa bakterier kan fixera kvävgas till användbara kvävemolekyler, eller genom att kväve tillförs utifrån via deposition av kväveoxider och ammoniak från atmosfären.



Dagens klimatmodeller räknar med antagandet att en ökande koldioxidhalt kommer att medföra en ökning av fotosynteshastigheten (”koldioxidgödsling”), vilket leder till en ökning av tillväxthastigheten och åter en ökning av mängden koldioxid som tas upp ur atmosfären. En ökad tillväxt leder till en ökande efterfrågan på kväve, men man har alltså inte tagit hänsyn till hur mycket kväve som faktiskt finns tillgängligt för växtligheten när man modellerar tillväxten under det närmsta århundradet. En av huvudanledningarna till detta är att man saknat bra metoder för att räkna på hur en sådan kvävebegränsning skulle se ut. Resultatet blir att man indirekt gör antagandet att kvävetillgången kommer att öka med ökande efterfrågan.

I den aktuella artikeln räknar författarna på något man kallar ”global Nitrogen deficit”, vilket man definierar som skillnaden mellan hur mycket kväve som finns tillgängligt för vegetationen, och hur mycket kväve som skulle behövas för att vegetationen ska kunna lagra in så mycket koldioxid som klimatmodellerna förutsäger. I studien ingår elva kopplade klimatmodeller [2], och man har räknat på tidsserien 1900 till 2050, respektive till 2099.

Resultatet av studien blev att nio av de elva testade modellerna krävde mer kväve än vad som kommer att finnas tillgängligt, och överskattar alltså hur mycket koldioxid som kommer att tas upp. Den beräknade extra uppvärmningen, när kväveunderskottet tagits med i beräkningarna, låg mellan 0.38 och 0.72 grader fram till år 2050, och 0.69 till 1.19 grader fram till 2099.

Studien är en av de första i sitt slag, och siffrorna ovan bör snarast ses som en fingervisning om storleksordningen på en eventuell inverkan. Författarna föreslår att nästa IPCC-rapport (2013) skall innehålla resultat från en ny generation kopplade klimatmodeller där även kvävet inkluderas i modelleringen, och fler resultat lär presenteras inom de närmsta åren.


Fotnoter

[1] Här används ordet ”naturliga” som samlingsnamn på all icke uppodlad mark, ett försök till översättning av engelskans ’unmanaged’ . Det är framförallt landekosystem utanför tropikerna som har kväve som huvudsakligt begränsande närningsämne. Tropikerna och haven begränsas istället framförallt av fosfortillgång, vilket också tas med i studien.

9 kommentarer:

  1. Två frågor bara, den första gäller problematiken med reaktivt kväve, dvs att vi under lång tid fixerat kväve som vi sedan gör tillgängligt för ekosystemen. Detta anses ju vara ett av våra stora framtida miljöproblem, bland annat i natureartikeln om planetary boundaries.

    Får man inte egentligen en negativ feedback på både föroreningarna av CO2 och reaktivt kväve när växterna kan ta upp mer av båda. Men det är ju klart att andra faktorer som ex. fosfor eller kalium kan begränsa båda.

    Den andra är hur hamnar resonemanget om att en ökad C02-halt ger mindre klyvöppningar hos växterna.
    http://www.sciencedaily.com/releases/2010/05/100503161435.htm

    Det borde också leda till ett mindre upptag av CO2 förutom en minskad avdunstning (och avkylning) från bladen.

    SvaraRadera
  2. Brännhet länk, tack!

    Första frågan – eutrofiering är ett av de stora miljöproblemen, men det är framför allt poblem runt industrialiserade/uppodlade/ tätbefolkade områden. Nedfallet av kväve i Europa till exempel ligger på sisådär 1-100 kg /ha och år, med den höga siffran i centraleuropa,och i princip ingenting uppe i norra Serige, som följaktligen också är hårt kvävebegränsad. Mitt i problematiken med kväveläckage, övergödning etc så diskuterar man möjligheten att intensivodla gran genom att kvävegödsla, bland annat för att få en ökad kolsänka och mer biobränsle. Globalt sett så finns de allra största skogsarealerna långt borta från mänsklig påverkan när det gäller kväve, dvs i princip hela boreala barrskogsbältet, plus de tropiska skogarna som är fosforbegränsade och inte kvävebegränsade. Jag lämnar temperarade skogarna osagda, har inte koll på det.

    Man kan gå in på IIASAs hemsida där RAINSmodellen finns publicerad och göra kartor över kvävenedfall etc över Europa och kolla precis hur lokalt nedfallet är. Välj i så fall i vänsterkolumnen under ”Deposition maps” något av Nitrogen-scenariona ur droplisten. Det är en kul sida, man kan kolla på marknära ozon och svavelnedfall också, och kolla skillnade på miljöpåverkan som var 1990 och som skulle varit om Göteborgsprotokollet följts ordentligt (I droplisten under Scenario i vänsterspalten välj ”RAINS_1990” eller ”Protocol”). Siffrorna är 10 år gamla vid dethär laget, men mekanismerna är desamma.

    SvaraRadera
  3. Andra frågan är stoff till en hel blogpost (eller flera...). ”Korta” svaret är att det finns två olika teorier, antingen att klyvöppningarna kommer att minska och avdunstningen kommer att minska enligt sciencedailylänken. Jag menar personligen att den teorin helt bortsett från klyvöppningarnas roll att hindra att bladen överhettas, samma som att svettas alltså. Det går inte bara att stänga igen, då kraschar balansen fotosyntes – respiration och växten börjar gå minus på kol i extrema fall. Detta är dock inte mainstream-uppfattningen, de flesta (alla?) modeller bygger på antagandet att klyvöppningarna delvis stänger igen när CO2halten ökar. Författarna till PNASartikeln verkar mena att den effekten underskattats, men jag har inte fått tag i ursprungsartikeln än.

    Andra varianten är att koldioxidgödslingen kommer att få totala bladytan att öka, vilket gör att avdunstningen trots allt ökar, eller åtminstone hålls konstant, eftersom ökningen av bladyta kompenserar för att det finns färre/mindre klyvöppningar per bladyta. De allra senaste exprimentresultaten från fältförsök där man ökar CO2halten och mäter responsen hos växtligheten (”FACE”-expriment) pekar i den riktningen, vilket är precis motsatt mot vad man tidigare mätt i samma expriment. Tidigare exprimentresultat har stött antagendet ovan. Om avdunstningen är konstant eller ökar kan man i extremfallet hamna på att man får en kylningseffekt på bortåt en grad, jämfört med dagens modellscenarion. Men då är vi tillbaka på att näringsbegränsningen måste plockas in i modellen, så att vi landar på rätt slutliga bladarea.

    mvh

    Mia

    SvaraRadera
  4. Sorry, glömde kommentera din sista mening.

    När klyvöppningarna minskar i en framtid med högre CO2halt, så minskar inte upptaget av CO2. Idén är att samma mängd CO2 kan tas upp genom en mindre öppning, vilket är bra ur vattensynpunkt. Mindre öppning betyder mindre förlorat vatten per upptagen koldioxidmolekyl.

    SvaraRadera
  5. Betyder detta att det också finns frågetecken kring klimatets påverkan på växtligheten?
    Kanske kan träd inte alltid svara med extrem årsringstillväxt extremt varma år?
    Träd som proxytermometrar verkar ha stor osäkerhet och liet vetenskapligt värde.

    SvaraRadera
  6. Kväve är ju ett nödvändigt näringsämne, men det kan ju fixeras av bakterier, som påpekas i artikeln. Undras hur mängden kvävefixerande bakterier påverkas...
    Det som är det mest begränsande näringsämnet är väl annars fosfor. Det vore intressant att läsa liknande studie med avseende på fosfor, där ju inte mer än vad som finns tillgängligt i jorden kan tillföras på något naturligt sätt. Mänsklig fosfatgödning är en annan sak.

    SvaraRadera
  7. motorfot,
    Just för att undvika och upptäcka eventuella fel pga bieffekter på årsringar har man gjort proxistudier både med och utan årsringsdata. Skillnaden är inte större än felmarginalerna.

    SvaraRadera
  8. motorfot - Nu pratar vi om lite olika saker. Kväveinlägget och mina kommentarer till Måns B handlar snarast om hur man ska kunna modellera kända mekanismer på bästa sätt med processbaserade/mekanistiska modeller, dvs modeller som konstrueras för att räkna på multipla miljö/klimateffekter i nuvarande eller framtida klimat.

    Trädringsproxy räknas med statistiska modeller som bygger på sk spline-funktioner. Den sortens modeller kan enbart modellera kända statistiska (inte mekanistiska), historiska samband mellan miljö/klimat och tillväxt. Då blir finlir av typen "exakt vad händer egentligen med transpirationen när CO2 ändras och hur påverkas detta av näringsstatus", vilket är en knäckfråga i vegetationsmodellerna, inte längre relevant på samma sätt. Det är ett helt annat sätt att modellera på, med helt andra möjligheter och begränsningar.

    SvaraRadera
  9. flute - exakt, hur mikroorganismer kommer att påverkas av klimatfrågorna är också viktigt. Troligtvis kommer de att kunna fixera mer kväve än idag eftesom deras aktivitet är temperaturberoende. Mikrobeffekter ska väl kanske också in i modellerna så småningom, åtminstone i modeller som körs på bestånds- och landskapsnivå men kanske inte på globalnivå, men det ligger längre fram i tiden. Finns mycket forskning som måste göras i det fältet först.

    Fosfor var med i studien, men hamnar lite i skymundan eftersom kvävet är viktigare (förutom i tropikerna och i haven där fosfor är mer begränsande). Båda bör vara med eftersom de verkar samtidigt, även om den ena är starkare begränsning än den andra, beroende på var man är.

    SvaraRadera

Tips: Använd gärna signatur när du kommenterar. Det underlättar samtalet