Bài đăng của khách: Kiểm tra cách các mô hình khí hậu mới nhất mô phỏng lượng carbon trong đất toàn cầu

Đất trên thế giới là nơi lưu trữ cacbon hoạt động lớn nhất trên bề mặt Trái đất – nhiều hơn ít nhất ba lần so với trong rừng và thực vật.

Theo Ngân sách Carbon toàn cầu mới nhất, việc thải thêm 120 tỷ tấn carbon vào khí quyển có thể đủ để đẩy hiện tượng nóng lên toàn cầu vượt quá giới hạn 1,5C. Đây là một con số rất nhỏ so với ước tính 2.000 đến 4.000 tỷ tấn carbon được lưu trữ trong đất trên toàn cầu.

Hậu quả của lượng carbon dự trữ lớn như vậy là nếu ngay cả một phần nhỏ được thải vào khí quyển do khí hậu thay đổi, nó cũng có thể tạo ra phản hồi tích cực đáng kể về khí hậu, gây ra tình trạng nóng lên nhiều hơn.

Các mô hình khí hậu toàn cầu cho phép các nhà khoa học dự đoán điều gì có thể xảy ra với carbon trong đất trong tương lai khi Trái đất ấm lên. Tuy nhiên, với nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cách đất hấp thụ và mất đi carbon, đó là một bức tranh phức tạp.

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên Biogeosciences, chúng tôi kiểm tra khả năng của các mô hình mới nhất trong việc tái tạo những gì chúng ta thấy ngày nay. Điều này cho chúng ta thấy bức tranh về mức độ chúng ta có thể tin tưởng vào những dự đoán của họ về tương lai và nêu bật những lĩnh vực mà mô hình có thể được cải thiện.

Phát hiện của chúng tôi cho thấy các mô hình đang trở nên tốt hơn trong việc mô phỏng lượng carbon đi vào đất, nhưng vẫn cần cải tiến trong việc tái tạo lượng carbon bị mất khi vi khuẩn trong đất phân hủy carbon và thải vào khí quyển.

Những tiến bộ hơn nữa trong mô hình hóa trong tương lai sẽ rất quan trọng để dự đoán thành công mức độ ảnh hưởng của carbon trong đất do sự nóng lên và liệu điều đó sẽ giúp ích hay cản trở những nỗ lực toàn cầu nhằm giảm lượng khí thải carbon.

Carbon đất dưới tác động của biến đổi khí hậu

Carbon được lưu trữ trong đất tạo thành một phần quan trọng trong chu trình carbon của Trái đất – chu trình tự nhiên của carbon giữa khí quyển, đất liền và đại dương.

Chu trình carbon rất quan trọng trong việc xác định sự thay đổi khí hậu trong tương lai vì nó nhạy cảm với sự gia tăng nồng độ CO2 trong khí quyển và sự nóng lên mà nó gây ra.

Nếu không có biến đổi khí hậu, sự hấp thụ carbon của đất nhìn chung sẽ cân bằng lâu dài với lượng carbon bị mất đi, giữ cho tổng lượng carbon được lưu trữ trong đất ổn định.

Ở quy mô toàn cầu, sự biến động của lượng carbon trong đất là rất đáng kể – lớn hơn khoảng 5 lần so với lượng khí thải CO2 hiện nay do con người gây ra mỗi năm. Chúng cũng được dự đoán sẽ tăng lên khi khí hậu ấm lên và do đó, việc tìm ra tác động tổng thể lên lượng carbon trong đất trong tương lai là một thách thức lớn.

Đầu vào chính của carbon vào đất là “rác” từ thảm thực vật, nơi lá chết và mảnh vụn sẽ trở thành carbon trong đất. Dưới sự gia tăng CO2 trong khí quyển_{cấp độ, thực vật và cây cối thường có năng suất cao hơn vì có nhiều CO2 hơn để quang hợp. Điều này dẫn đến việc bề mặt đất hấp thụ nhiều carbon hơn từ khí quyển và có khả năng dẫn đến việc bổ sung thêm nhiều carbon vào đất.}

Tuy nhiên, việc chống lại tác động này là những yếu tố bổ sung cũng phải được xem xét. Một là nhiệt độ tăng lên do hiện tượng nóng lên toàn cầu cho phép các vi khuẩn sống trong đất phân hủy carbon với tốc độ nhanh hơn. Điều này có thể khiến nhiều carbon được giải phóng từ đất vào khí quyển, làm giảm lượng carbon được lưu trữ. Một ví dụ điển hình cho điều này là đất đóng băng vĩnh cửu, được biết đến là đặc biệt nhạy cảm với biến đổi khí hậu và là mối đe dọa lớn đối với biến đổi khí hậu trong tương lai.

Những thay đổi trong chu trình carbon ảnh hưởng đến lượng CO2 trong khí quyển được gọi là phản hồi chu trình carbon, có thể tăng tốc hoặc làm chậm biến đổi khí hậu. Do đó, số phận tương lai của cacbon trong đất đóng vai trò lớn trong việc định lượng sự nóng lên trong tương lai.

Làm người mẫu

Để dự đoán số phận tương lai của carbon trong đất, các nhà khoa học khí hậu sử dụng các mô hình hệ thống Trái đất (ESM). Đây là những mô hình khí hậu có thể mô phỏng cả quá trình khí hậu và chu trình carbon, đồng thời đưa ra công cụ tốt nhất để đưa ra các dự báo về biến đổi khí hậu trong tương lai.

ESM mô phỏng chu trình carbon và các phản hồi liên quan; tuy nhiên, việc mô hình hóa cacbon trong đất và các quá trình liên quan đặt ra nhiều thách thức.

Cả lượng carbon đầu vào từ rác thải thực vật và đầu ra từ quá trình phân hủy của vi sinh vật đều được dự đoán sẽ tăng lên do biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, những yếu tố này có tác dụng chống lại sự thay đổi cacbon trong đất. Vấn đề chính với mô hình hóa carbon đất là chúng ta không biết lượng carbon đến và đi sẽ thay đổi bao nhiêu dưới sự nóng lên toàn cầu và sự cân bằng giữa chúng là rất quan trọng để dự đoán tác động thực sự đối với khí hậu.

Một điều phức tạp nữa khi tìm hiểu sự thay đổi cacbon trong đất trong tương lai là các loại đất trên khắp thế giới có sự khác biệt đáng kể và điều này ảnh hưởng đến cách lưu trữ cacbon ở đó.

Ví dụ: chúng tôi gọi một số carbon là nằm trong “bể carbon đất chậm”, có nghĩa là đất có thể có các đặc tính giúp nó có khả năng chống phân hủy cao hơn, điều này phổ biến hơn ở các vĩ độ cao lạnh hơn ở bán cầu bắc. Tương tự, chúng ta có “bể chứa cacbon nhanh trong đất”, trong đó thời gian tồn tại của cacbon trong đất ngắn và nhanh chóng bị phân hủy trở lại khí quyển, hiện tượng này phổ biến hơn ở các vùng nhiệt đới ấm hơn.

Sự cân bằng giữa các loại bể chứa carbon này có vai trò quan trọng trong hoạt động của carbon trong đất trên toàn cầu và việc hiểu sự cân bằng này sẽ thay đổi như thế nào theo thời gian là một thách thức đáng kể khi mô hình hóa sự thay đổi carbon trong đất.

Mẫu mới nhất

Nghiên cứu mới của chúng tôi đánh giá cách mô hình hóa carbon trong đất trong thế hệ ESM mới nhất trong phiên bản thứ sáu – và gần đây nhất – của Dự án so sánh liên mô hình kết hợp (CMIP6). Chúng tôi so sánh những phát hiện của mình với các bộ dữ liệu quan sát và cả thế hệ mô hình trước đó (CMIP5).

CMIP là một nỗ lực lập mô hình khí hậu được phối hợp toàn cầu nhằm đưa vào quá trình đánh giá của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC). Có rất nhiều ESM được phát triển bởi các trung tâm mô hình hóa khác nhau trên khắp thế giới và đang được cập nhật và cải tiến liên tục. CMIP xác định các thí nghiệm nhất quán về biến đổi khí hậu để cho phép so sánh giữa từng ESM và giữa các thế hệ khác nhau.

Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi so sánh dữ liệu đầu ra của mô hình từ CMIP6 và CMIP5 với dữ liệu quan sát được lấy từ thế giới thực, chẳng hạn như các ước tính có nguồn gốc từ vệ tinh. Từ đó, chúng ta có thể thấy những cải tiến đã được thực hiện trong CMIP6 so với CMIP5 ở đâu và những hạn chế vẫn còn liên quan đến mô hình carbon đất.

Chúng tôi xem xét lượng carbon trong đất trên toàn cầu cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ và thất thoát carbon. Để hấp thụ, chúng tôi tập trung vào đầu vào “trên mặt đất” từ năng suất của thảm thực vật trên đất liền. Đối với tổn thất, chúng tôi tập trung vào sản lượng “dưới mặt đất”, điều tra thời gian carbon tồn tại trong đất trước khi nó bị vi khuẩn phân hủy và thải trở lại khí quyển.

Chúng tôi đã xác định những cải tiến trong việc mô phỏng các quy trình trên mặt đất trong các mô hình CMIP6 so với CMIP5. Điều này phần lớn là do việc đưa vào các hạn chế về dinh dưỡng đối với sự phát triển của cây trồng trong các mô hình CMIP6. Để thực vật có thể quang hợp, chúng cần CO2, ánh sáng và nước, nhưng cũng cần đủ các chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho. Do đó, nếu bất kỳ yêu cầu nào trong số này bị hạn chế trong tương lai, nó sẽ hạn chế khả năng tăng năng suất và lượng carbon đưa vào đất khi lượng CO2 tăng lên.

Tuy nhiên, những cải tiến nhất quán tương tự không được thấy trong mô phỏng các quá trình dưới mặt đất. Như các bản đồ bên dưới cho thấy, điều này chủ yếu được thể hiện qua việc đánh giá thấp lượng carbon trong đất ở các vĩ độ cao phía bắc trong các mô hình CMIP6 (trên cùng) khi so sánh với các quan sát (phía dưới). Trong các bản đồ, màu xanh đậm hơn cho thấy hàm lượng carbon trong đất cao hơn.

Carbon trong đất thay đổi đáng kể trên toàn cầu, cả về loại đất và lượng carbon được lưu trữ. Ví dụ, ở các vùng nhiệt đới nơi Trái đất có nhiệt độ ấm hơn nhiều, trữ lượng carbon trong đất có xu hướng nhỏ hơn. Ngược lại, trữ lượng carbon trong đất có xu hướng lớn hơn ở những vùng có vĩ độ bắc cao, nơi Trái đất có nhiệt độ lạnh hơn nhiều.

Tuy nhiên, lượng carbon đất ở vĩ độ cao ở Bắc bán cầu này không được tái tạo trong phần lớn các mô hình khí hậu CMIP6.

Tập trung vào các quá trình dưới mặt đất

Kết quả từ nghiên cứu của chúng tôi cho thấy phần lớn sự không chắc chắn còn lại trong mô hình hóa carbon đất có liên quan đến việc mô phỏng các quá trình dưới mặt đất.

Những điểm này cho thấy cần phải tập trung nhiều hơn vào việc cải thiện việc mô phỏng các quy trình này trong thế hệ ESM tiếp theo cho CMIP7.

Những cải tiến sẽ giúp giảm bớt sự không chắc chắn về lượng carbon thải ra từ đất toàn cầu dưới tác động của biến đổi khí hậu và tăng cường niềm tin vào lượng carbon liên quan đến các mức độ nóng lên toàn cầu khác nhau.

Do lượng carbon được lưu trữ trong đất trên toàn cầu là rất lớn nên việc hiểu và định lượng khả năng giải phóng carbon từ đất là rất quan trọng nếu muốn đáp ứng các giới hạn nhiệt độ của Thỏa thuận Paris.