Huge spread in CMIP6 diffuse radiation impairs carbon budget estimates

Zonlicht dat het aardoppervlak bereikt, is geen enkele, uniforme lichtstraal. Het komt aan in twee verschillende vormen: directe stralen die rechtstreeks van de zon komen, en verstrooid licht dat is weerkaatst door wolken, stof en gasmoleculen in de atmosfeer. Dit verstrooide licht, bekend als diffuse straling, gedraagt zich anders dan direct zonlicht. Terwijl directe bundels de neiging hebben om fel op de bovenste lagen van een bosbladerdak te schijnen, waardoor de bladeren eronder vaak in diepe schaduw blijven liggen, verspreidt diffuus licht zich in alle richtingen. Het dringt dieper door in de vegetatie en verlicht de schaduwrijke bladeren die anders donker zouden blijven. Deze extra verlichting zorgt ervoor dat planten efficiënter kunnen fotosynthetiseren, waardoor het hele bos effectief verandert in een productievere motor voor het absorberen van koolstofdioxide uit de lucht. Omdat dit proces de wolken en deeltjes in de atmosfeer direct koppelt aan de gezondheid van de wereldwijde bossen, is het begrijpen van hoeveel van dit verstrooide licht de grond bereikt essentieel voor het berekenen van hoeveel koolstof het land van de aarde kan opslaan.

Een onderzoeker bij het Pacific Northwest National Laboratory heeft onlangs onderzocht hoe goed moderne klimaatmodellen dit specifieke type zonlicht vastleggen. De onderzoeker onderzocht gegevens van zestien verschillende wereldwijde klimaatmodellen, complexe computersimulaties die wetenschappers gebruiken om toekomstige klimaatveranderingen te voorspellen en eerdere milieuverschuivingen te begrijpen. Deze modellen zijn de primaire instrumenten voor het schatten van de wereldwijde koolstofbegroting — de balans tussen de koolstof die in de atmosfeer wordt uitgestoten en de koolstof die door planten en oceanen wordt geabsorbeerd. De onderzoeker richtte zich op de historische periode van 2000 tot 2014 en vergeleek wat de modellen voorspelden met werkelijke metingen die door weerstations over de hele wereld zijn gedaan. Het doel was om te zien of de modellen met elkaar overeenstemden en met de werkelijkheid wat betreft de hoeveelheid diffuse straling die het oppervlak bereikt.

De bevindingen toonden een opmerkelijk gebrek aan overeenstemming tussen de modellen. Wanneer de onderzoeker naar het wereldwijde gemiddelde keek, varieerden de schattingen voor diffuse straling met bijna een factor drie. Sommige modellen voorspelden zeer lage hoeveelheden verstrooid licht, terwijl andere hoeveelheden voorspelden die bijna drie keer zo hoog waren. Deze divergentie was nog uitgesprokener over land, waar het verschil tussen de hoogste en laagste schattingen een factor drie bereikte. Het probleem was niet alleen dat de modellen met elkaar in strijd waren; ze waren ook in strijd met de waarnemingen in de echte wereld. Wanneer het team het gemiddelde van alle modellen vergeleek met duizenden grondmetingen, stelden zij vast dat de modellen de hoeveelheid diffuse straling consequent onderschatten, vooral tijdens het groeiseizoen wanneer planten het meest actief zijn. In het noordelijk halfrond misten de modellen bijvoorbeeld de piekhoeveelheid verstrooid licht met een aanzienlijke marge tijdens de zomermaanden, wat wijst op een systematische fout in de manier waarop deze simulaties de interactie tussen de atmosfeer en het oppervlak afhandelen.

Deze discrepantie doet er toe omdat de hoeveelheid verstrooid licht direct invloed heeft op hoeveel koolstof planten kunnen absorberen. De onderzoeker berekende dat de brede variatie in de schattingen van de modellen wat betreft diffuse straling zou kunnen leiden tot enorme onzekerheden in de voorspellingen van plantengroei. Als de modellen het fout hebben over hoeveel verstrooid licht de bossen bereikt, zullen ze waarschijnlijk ook fout zitten over hoeveel koolstof die bossen opslaan. De studie suggereert dat deze onzekerheid kan oplopen tot enkele miljarden tonnen koolstof per jaar, een cijfer dat groot genoeg is om het totale aantal koolstof dat momenteel door de landecosystemen van de wereld wordt geabsorbeerd, te evenaren. In tropische regio's, waar de spreiding in de model-schattingen bijzonder groot is, zou de onzekerheid in koolstofopname meer dan dertien procent van de totale opname kunnen bedragen. Dit betekent dat de huidige projecties van toekomstige koolstofputten, die cruciaal zijn voor het klimaatbeleid, mogelijk gebouwd zijn op een wankele basis wat betreft hoe planten op zonlicht reageren.

De kern van het probleem lijkt te liggen in de manier waarop deze modellen worden geconstrueerd. De manier waarop zij de splitsing tussen direct en verstrooid zonlicht berekenen, steunt op complexe formules voor wolken en atmosferische deeltjes, die nog niet volledig begrepen of nauwkeurig gerepresenteerd zijn. Bovendien vereenvoudigen veel landmodellen die binnen deze systemen worden gebruikt de manier waarop licht door een bos beweegt, waarbij het bladerdak vaak als een enkele laag wordt behandeld in plaats van als een complexe structuur met zonnige en schaduwrijke bladeren. Deze vereenvoudiging slaagt er niet in om het "bemestingseffect" van diffuus licht vast te leggen, waarbij de extra verlichting de productiviteit van de gehele plantengemeenschap een boost geeft. De onderzoeker merkte op dat zelfs modellen die door dezelfde instellingen zijn gebouwd, met vergelijkbare kerncomponenten van de atmosfeer, totaal verschillende resultaten produceerden voor dezelfde regio, wat benadrukt dat het probleem niet alleen een kwestie is van verschillende gegevens, maar van fundamentele verschillen in hoe de fysica wordt gesimuleerd.

De studie concludeert dat om ons begrip van de wereldwijde koolstofcyclus te verbeteren, wetenschappers prioriteit moeten geven aan het correct weergeven van diffuse straling. Dit vereist betere observaties van verstrooid licht, vooral in afgelegen tropische bossen waar de gegevens momenteel schaars zijn, en meer geavanceerde manieren om te modelleren hoe licht met vegetatie interageert. Terwijl de wetenschappelijke gemeenschap zich voorbereidt op de volgende generatie klimaatmodellen, betoogt de auteur dat het standaardiseren van de manier waarop deze modellen diffuse straling registreren en evalueren niet langer optioneel is. Zonder dit blinde vlek te repareren, zal de onzekerheid in de wereldwijnde koolstofbudgetten te groot blijven om de betrouwbare begeleiding te bieden die nodig is voor klimaatactie. De weg vooruit vereist een gecoördineerde inspanning om ervoor te zorgen dat de volgende generatie simulaties de subtiele maar krachtige rol van verstrooid zonlicht bij het in stand houden van de planeet effectief kan weerspiegelen.