Как фотосинтез может уменьшить глобальное потепление

Биоразнообразие влияет на климат на местном, региональном и глобальном уровнях, однако большинство климатических моделей не принимают во внимание биоразнообразие, поскольку его переменные и эффекты слишком разнообразны и сложны для расчета. Два недавних исследования, однако, демонстрируют важность возможности учитывать реакцию растительности на повышенный уровень углекислого газа в климатических моделях, поскольку мы пытаемся предсказать будущее нашего климата.

Фото предоставлено Дэвидом Даррико.

Ученые из Института науки Карнеги обнаружили, что прямое воздействие углекислого газа на растительность способствует глобальному потеплению. Через поры, называемые устьицами в листьях, растения поглощают углекислый газ из атмосферы, который они используют для фотосинтеза. Затем они выделяют воду через устьица в процессе, называемом эвапотранспирацией, который охлаждает растение так же, как пот охлаждает человека. Эвапотранспирация также охлаждает окружающий воздух — дерево может испарять до десяти галлонов воды в жаркий день. Но когда уровень углекислого газа увеличивается, устьица растений сжимаются, выделяя в воздух меньше воды и уменьшая охлаждающий эффект.

Устьица: открытые и закрытые

Ученые Карнеги Лонг Цао и Кен Калдейра удвоили уровень углекислого газа в своей модели и обнаружили, что в глобальном масштабе снижение эвапотранспирации является причиной 16 процентов потепления суши; остальное было связано с эффектом удержания тепла CO2.В Северной Америке и Азии более 25 процентов потепления произошло из-за воздействия повышенного содержания CO2 на растительность. «Больше нет никаких сомнений в том, что углекислый газ снижает испарительное охлаждение растений и что это уменьшение охлаждения способствует глобальному потеплению», — сказал Цао. «Этот эффект вызвал бы значительное потепление, даже если бы углекислый газ не был парниковым газом».

Еще одним эффектом удвоения CO2 является увеличение стока с земли, поскольку больше осадков не попадает в систему эвапотранспирации растения и попадает прямо в ручьи и реки.

В исследовании Карнеги не учитывались другие эффекты увеличения содержания углекислого газа, такие как увеличение площади листьев, изменения в распределении растительности и, как следствие, изменения альбедо (отражательная способность земных поверхностей, влияющая на степень поглощения солнечной радиации). Эти аспекты были зафиксированы в их модели. Но они процитировали более раннее исследование повышенного содержания CO2, которое показало, что охлаждение из-за увеличения площади листьев оказывает общее охлаждающее воздействие на землю, а уменьшение альбедо из-за расширения хвойных лесов приводит к потеплению земли.

«Эти результаты действительно показывают, что то, как растения реагируют на углекислый газ, очень важно для хороших климатических прогнозов», — сказал Калдейра. «Поэтому, если мы хотим улучшить прогнозы климата, нам нужно улучшить представление наземных растений в климатических моделях.

Новое исследование НАСА, в котором учитывался рост растений, показало, что удвоение уровня CO2 приводит к охлаждающему эффекту. Модель, использованная Лахуари Буноуа из Центра космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, была новаторской, поскольку в ней рассматривалась реакция растений на повышенное содержание CO2, называемая «понижающей регуляцией». Понижающая регуляция — это процесс, который позволяет растениям более эффективно использовать воду и питательные вещества при повышенном уровне CO2, чтобы они могли поддерживать прежний уровень фотосинтеза, что в конечном итоге может ускорить рост листьев.

Кредит фотографии: Стен

Увеличение площади листа привело к увеличению эвапотранспирации в глобальном масштабе и, таким образом, создало охлаждающий эффект. Величина охлаждения в исследовании измерялась на -0,6 градуса C (-1,1 F) над сушей по сравнению с моделями, которые не включали понижающее регулирование.

Однако Бунуа подчеркнул, что похолодания недостаточно, чтобы компенсировать прогнозируемые тенденции к потеплению.

Климатические модели обычно учитывают удвоение выбросов CO2 для имитации глобального потепления, и ученые в целом согласны с тем, что при таком сценарии температура повысится с 2 до 4,5 градусов по Цельсию (от 3,5 до 8,0 по Фаренгейту). Модель Бунуа выявила глобальное потепление на 1,94 градуса Цельсия без учета понижающего регулирования. Диапазон температур является результатом неизвестности различных «обратных связей», то есть того, как различные системы на Земле, такие как облака, рост растений, выделение метана, круговорот воды, альбедо и т. д., могут реагировать на потепление и взаимодействовать друг с другом.

Боунуа и ее коллеги также изучили, как рост растений стимулируется более высокими температурами, увеличением количества осадков в некоторых районах и более эффективным использованием растениями воды и питательных веществ при удвоении СО2. Результаты показывают, что в долгосрочной перспективе рост растительности из-за повышенного содержания CO2 может привести к снижению температуры после стабилизации уровня CO2.

«Когда мы узнаем больше о том, как эти системы реагируют, мы сможем узнать больше о том, как изменится климат», — сказал соавтор исследования Форрест Холл. «С каждым годом мы становимся все лучше и лучше».

Новые климатические модели разрабатываются для учета динамической глобальной растительности, которая позволяет типам растений интерактивно меняться в зависимости от климата, и демографии экосистем, которая объясняет, как сообщества различных растений могут реагировать на изменение климата с течением времени.