Feedback sul ciclo del carbonio:quando si tratta di comprendere il ruolo delle foreste sia nell'emissione che nel catturare l'anidride carbonica, queste sono tre parole che contengono molta scienza. In un nuovo studio, i ricercatori guidati dal Pacific Northwest National Laboratory hanno incorporato in un sistema terrestre un modello del complesso ruolo dell'ecosistema nell'amplificare o smorzare la concentrazione di anidride carbonica (CO2) nell'atmosfera.

È un processo chiamato vegetazione dinamica, in cui le piante possono cambiare il loro habitat in risposta a cambiamenti ambientali come un sistema climatico più caldo o nutrienti limitati. Utilizzando un modello di sistema territoriale con vegetazione dinamica abilitata o disabilitata, il team di ricerca ha scoperto che l'azoto e la sua interazione con le piante hanno una forte influenza sul modo in cui le piante rispondono ai cambiamenti ambientali. Questa influenza può comportare l'amplificazione o la riduzione dell'anidride carbonica, che è responsabile in primo luogo dei cambiamenti ambientali. La ricerca ha mostrato come una modellizzazione efficace della vegetazione dinamica e del ciclo dell'azoto possa aumentare la comprensione del ciclo del carbonio e dei futuri cambiamenti climatici.

L'ecosistema terrestre svolge un ruolo importante nel ciclo del carbonio terrestre inalando ed espirando CO2 dall'atmosfera. Un livello più elevato di CO2 aiuta le piante a utilizzare in modo più efficiente l'energia del sole per la fotosintesi, che li induce a rimuovere (inalare) più CO2 dall'atmosfera. D'altra parte, un più alto livello di CO2 nell'atmosfera porta a temperature più elevate, che può imporre stress da calore alle piante e accelerare la decomposizione della materia organica nella lettiera superficiale e nel terreno. Sia l'aumento dello stress che la decomposizione più rapida del materiale organico aggiungono più CO2 nell'atmosfera di quanta ne venga rimossa dall'aumento della fotosintesi. Questo aumento netto dell'esalazione di CO2 da parte delle piante all'aumentare della CO2 atmosferica è un feedback positivo del ciclo del carbonio che amplifica la CO2 nell'atmosfera.

Ma qui è dove l'azoto getta una chiave inglese negli ingranaggi del ciclo del carbonio. La decomposizione più rapida del carbonio organico rende più azoto disponibile per le piante, aiutandoli ad assorbire più CO2 man mano che crescono, riducendo i livelli atmosferici. Questo è un feedback negativo del ciclo del carbonio. Però, la forza di questo feedback negativo del ciclo del carbonio dipende dal fatto che il tipo di vegetazione possa cambiare con i cambiamenti ambientali perché alcune piante richiedono più azoto di altre. Questo studio ha dimostrato come il ciclo dell'azoto e la vegetazione dinamica e la loro interazione determinano come le piante di tutto il mondo possono amplificare o smorzare l'aumento della CO2 atmosferica e il riscaldamento climatico associato.

Tra i modelli del sistema Terra che hanno contribuito al quinto rapporto di valutazione del Gruppo intergovernativo di esperti sui cambiamenti climatici (IPCC) nel 2013, solo una manciata includeva vegetazione dinamica, e ancor meno incorporavano il ciclo dell'azoto. Stanno crescendo le prove che questi due processi svolgeranno un ruolo chiave nel futuro ciclo del carbonio.

Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory e i loro collaboratori hanno studiato uno dei pochi modelli terrestri globali, il Community Land Model versione 4, che è in grado di simulare il cambiamento della copertura vegetale rispondendo sia al clima in evoluzione che al ciclo dell'azoto. Eseguendo una serie di simulazioni per diversi scenari di cambiamento climatico e di CO2, sono stati in grado di calcolare la sensibilità del carbonio terrestre al riscaldamento climatico e all'aumento di CO2. La sensibilità al carbonio terrestre è un fattore importante che costituisce il feedback all'aumento di CO2. L'effetto del cambiamento della vegetazione su questo fattore è stato studiato raramente. Il team ha ripetuto la stessa serie di esperimenti senza un modello di vegetazione dinamica.

La loro analisi ha mostrato una differenza significativa nella forza potenziale del feedback del ciclo del carbonio con e senza la copertura vegetale dinamica che risponde allo stato climatico. Il team ha anche trovato un collegamento tra le caratteristiche emergenti della domanda di azoto delle piante da una rappresentazione inadeguata della competizione delle piante nel modello di vegetazione dinamica sopra i tropici e le subtropicali. L'analisi ha anche scoperto che gli errori nella simulazione della copertura vegetale possono propagarsi su scale più ampie attraverso l'interazione con il ciclo dell'azoto. La ricerca ha illustrato un esempio specifico di tale propagazione degli errori per guidare gli sforzi di sviluppo del modello.

Con i relativi processi di vegetazione migliorati nei modelli del sistema Terra di prossima generazione, la rappresentazione del feedback del ciclo del carbonio può essere meglio caratterizzata. Gli studi futuri eseguiranno simulazioni con il modello terrestre globale accoppiato all'atmosfera, oceano, e altri modelli di componenti del sistema Terra per quantificare le interazioni carbonio-clima, con un focus particolare sull'ambientazione della foresta tropicale.