Huge spread in CMIP6 diffuse radiation impairs carbon budget estimates

Das Sonnenlicht, das die Erdoberfläche erreicht, ist kein einzelner, einheitlicher Strahl. Es trifft in zwei unterschiedlichen Formen ein: als direkte Strahlen, die geradlinig von der Sonne kommen, und als gestreutes Licht, das von Wolken, Staub und Gasmolekülen in der Atmosphäre reflektiert wurde. Dieses gestreute Licht, bekannt als diffuse Strahlung, verhält sich anders als das direkte Sonnenlicht. Während direkte Strahlen dazu neigen, hell auf die oberen Schichten eines Waldkronendachs zu scheinen und oft die Blätter darunter in tiefem Schatten zurücklassen, verteilt sich diffuses Licht in alle Richtungen. Es dringt tiefer in die Vegetation ein und beleuchtet die beschatteten Blätter, die ansonsten im Dunkeln blieben. Diese zusätzliche Beleuchtung ermöglicht es Pflanzen, effizienter zu photosynthetisieren, wodurch der gesamte Wald effektiv in einen produktiveren Motor für die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Luft verwandelt wird. Da dieser Prozess die Wolken und Partikel der Atmosphäre direkt mit der Gesundheit der Wälder der Welt verknüpft, ist das Verständnis darüber, wie viel dieses gestreute Licht den Boden erreicht, entscheidend für die Berechnung dessen, wie viel Kohlenstoff das Land der Erde speichern kann.

Ein Forscher des Pacific Northwest National Laboratory untersuchte kürzlich, wie gut moderne Klimamodelle diese spezifische Art von Sonnenlicht erfassen. Er untersuchte Daten aus sechzehn verschiedenen globalen Klimamodellen, bei denen es sich um komplexe Computersimulationen handelt, die von Wissenschaftlern verwendet werden, um zukünftige Klimaveränderungen zu projizieren und vergangene Umweltveränderungen zu verstehen. Diese Modelle sind die primären Werkzeuge zur Schätzung des globalen Kohlenstoffbudgets – der Bilanz zwischen dem in die Atmosphäre freigesetzten Kohlenstoff und dem von Pflanzen und Ozeanen aufgenommenen Kohlenstoff. Der Forscher konzentrierte sich auf den historischen Zeitraum von 2000 bis 2014 und verglich die Vorhersagen der Modelle mit tatsächlichen Messungen, die weltweit von Wetterstationen durchgeführt wurden. Sein Ziel war es zu sehen, ob die Modelle hinsichtlich der Menge der die Oberfläche erreichenden diffusen Strahlung untereinander sowie mit der Realität übereinstimmten.

Die Ergebnisse zeigten eine erschreckende mangelnde Übereinstimmung unter den Modellen. Als der Forscher den globalen Durchschnitt betrachtete, variierten die Schätzungen für die diffuse Strahlung um fast das Dreifache. Einige Modelle sagten sehr geringe Mengen an gestreutem Licht voraus, während andere Mengen vorhersagten, die fast dreimal so hoch waren. Diese Abweichung war über Land noch ausgeprägter, wo der Unterschied zwischen den höchsten und niedrigsten Schätzungen einen Faktor von drei erreichte. Das Problem bestand nicht nur darin, dass die Modelle untereinander uneinig waren; sie widersprachen auch den Beobachtungen aus der realen Welt. Als das Team den Durchschnitt aller Modelle mit Tausenden von Bodenmessungen verglich, stellte er fest, dass die Modelle die Menge des diffusen Lichts systematisch unterschätzten, insbesondere während der Wachstumsperiode, wenn Pflanzen am aktivsten sind. In der Nordhalbkugel beispielsweise verfehlten die Modelle die Spitzenmenge des gestreuten Lichts während der Sommermonate erheblich, was auf einen systematischen Fehler in der Art und Weise hindeutet, wie diese Simulationen die Wechselwirkung zwischen der Atmosphäre und der Oberfläche handhaben.

Diese Diskrepanz ist von Bedeutung, da die Menge des gestreuten Lichts direkt beeinflusst, wie viel Kohlenstoff Pflanzen aufnehmen können. Der Forscher berechnete, dass die weite Variation in den Schätzungen der Modelle bezüglich der diffusen Strahlung in massive Unsicherheiten bei den Vorhersagen des Pflanzenwachstums münden könnte. Wenn die Modelle falsch liegen bei der Frage, wie viel gestreutes Licht die Wälder erreicht, liegen sie wahrscheinlich auch falsch bei der Frage, wie viel Kohlenstoff diese Wälder speichern. Die Studie legt nahe, dass diese Unsicherheit in der Größenordnung von mehreren Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr liegen könnte – eine Zahl, die groß genug ist, um die gesamte Menge des Kohlenstoffs zu erreichen, die derzeit von den Landökosystemen der Welt absorbiert wird. In tropischen Regionen, in denen die Streuung der Modellechätzungen besonders groß ist, könnte die Unsicherheit bei der Kohlenstoffaufnahme 13 Prozent der Gesamtaufnahme übersteigen. Dies bedeutet, dass aktuelle Projektionen künftiger Kohlenstoffsenken, die für die Klimapolitik entscheidend sind, hinsichtlich der Reaktion von Pflanzen auf Sonnenlicht auf einem wackeligen Fundament stehen könnten.

Die Wurzel des Problems scheint in der Konstruktion dieser Modelle zu liegen. Die Art und Weise, wie sie die Aufteilung zwischen direktem und diffusem Sonnenlicht berechnen, stützt sich auf komplexe Formeln für Wolken und atmosphärische Partikel, die noch nicht vollständig verstanden oder genau repräsentiert sind. Darüber hinaus vereinfachen viele der in diesen Systemen verwendeten Landmodelle die Art und Weise, wie Licht durch einen Wald wandert, indem sie das Kronendach oft als eine einzige Schicht behandeln statt als eine komplexe Struktur mit sonnenbeschienenen und beschatteten Blättern. Diese Vereinfachung versäumt es, den „Düngungseffekt“ des diffusen Lichts zu erfassen, bei dem die zusätzliche Beleuchtung die Produktivität der gesamten Pflanzengemeinschaft steigert. Der Forscher merkte an, dass selbst Modelle, die von denselben Institutionen mit ähnlichen Kernkomponenten der Atmosphäre gebaut wurden, für dieselbe Region völlig unterschiedliche Ergebnisse lieferten, was verdeutlicht, dass das Problem nicht nur in unterschiedlichen Daten liegt, sondern in grundlegenden Unterschieden in der Simulation der Physik.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Wissenschaftler, um unser Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs zu verbessern, der korrekten Darstellung der diffusen Strahlung Priorität einräumen müssen. Dies erfordert bessere Beobachtungen des gestreuten Lichts, insbesondere in abgelegenen tropischen Wäldern, in denen es derzeit an Daten mangelt, sowie anspruchsvollere Methoden zur Modellierung der Wechselwirkung zwischen Licht und Vegetation. Während sich die wissenschaftliche Gemeinschaft auf die nächste Generation von Klimamodellen vorbereitet, argumentiert der Autor, dass die Standardisierung der Art und Weise, wie diese Modelle die diffuse Strahlung aufzeichnen und bewerten, nicht mehr optional ist. Ohne diese blinden Flecken zu beheben, wird die Unsicherheit in den globalen Kohlenstoffbudgets zu groß bleiben, um die verlässliche Orientierungshilfe zu bieten, die für das Klimaschutzhandeln erforderlich ist. Der Weg nach vorn erfordert eine koordinierte Anstrengung, um sicherzustellen, dass die nächste Generation von Simulationen die subtile, aber kraftvolle Rolle des gestreuten Sonnenlichts für die Aufrechterhaltung des Lebens auf dem Planeten genau widerspiegeln kann.