Come i più recenti modelli climatici simulano il carbonio globale del suolo

I terreni del mondo sono il più grande deposito attivo di carbonio sulla superficie terrestre – con una quantità almeno tre volte superiore a quella delle foreste e delle piante.

Secondo l’ultimo Bilancio Globale del Carbonio, l’emissione di altri 120 miliardi di tonnellate di carbonio nell’atmosfera sarà probabilmente sufficiente a spingere il riscaldamento globale oltre il limite di 1,5 gradi centigradi. Si tratta di una cifra minima rispetto alle stime di 2.000-4.000 miliardi di tonnellate di carbonio immagazzinate nel suolo a livello globale.

La conseguenza di una così grande riserva di carbonio è che se anche una piccola frazione venisse rilasciata nell’atmosfera a causa di un cambiamento climatico, potrebbe provocare un significativo feedback climatico positivo, causando un ulteriore riscaldamento.

I modelli climatici globali consentono agli scienziati di prevedere cosa potrebbe accadere al carbonio del suolo in futuro, con il riscaldamento della Terra. Tuttavia, con molti fattori che influenzano il modo in cui i suoli guadagnano e perdono carbonio, si tratta di un quadro complicato.

In un nuovo studio, pubblicato su Biogeosciences, è stata testata la capacità dei modelli più recenti di replicare ciò che vediamo nel presente. Questo dà un quadro di quanto possiamo fidarci delle loro previsioni sul futuro e mette in evidenza le aree in cui i modelli potrebbero essere migliorati.

I risultati dello studio mostrano che i modelli stanno migliorando nella simulazione della quantità di carbonio che viene immessa nel suolo, ma devono ancora migliorare nella riproduzione della quantità di carbonio che viene persa quando i microbi nel suolo scompongono il carbonio e lo rilasciano nell’atmosfera.

Ulteriori progressi nella modellazione futura saranno fondamentali per prevedere con successo come il carbonio del suolo sarà influenzato dal riscaldamento e se aiuterà – o ostacolerà – gli sforzi globali per ridurre le emissioni di carbonio.

Il carbonio del suolo in presenza di cambiamenti climatici

Il carbonio immagazzinato nei suoli costituisce una parte fondamentale del ciclo del carbonio della Terra – il ciclo naturale del carbonio tra atmosfera, terra e oceano.

Il ciclo del carbonio è importante per determinare il futuro cambiamento climatico, perché è sensibile all’aumento delle concentrazioni di CO2 nell’atmosfera e al riscaldamento che provoca.

In assenza di cambiamenti climatici, l’assorbimento di carbonio da parte del suolo sarebbe generalmente in equilibrio a lungo termine con le perdite di carbonio, mantenendo costante la quantità complessiva di carbonio immagazzinato nel suolo.

Su scala globale, le fluttuazioni del carbonio nel suolo sono sostanziali – circa cinque volte più grandi delle attuali emissioni di CO2 causate dall’uomo ogni anno. Si prevede anche che aumentino con il riscaldamento del clima, per cui l’impatto complessivo sul carbonio del suolo in futuro è una sfida importante.

Il principale apporto di carbonio nel suolo è la “lettiera” della vegetazione, dove le foglie morte e i detriti finiscono come carbonio nel suolo. In presenza di un aumento dei livelli di CO2 atmosferica, le piante e gli alberi sono spesso più “produttivi”, poiché c’è più CO2 disponibile per la fotosintesi. Ciò si traduce in un maggiore assorbimento di carbonio dall’atmosfera da parte della superficie del terreno e può potenzialmente portare a un’aggiunta di carbonio al suolo.

Tuttavia, a contrastare questo effetto ci sono altri fattori che devono essere considerati. Uno di questi è che l’aumento delle temperature in seguito al riscaldamento globale consente ai microbi che vivono nel suolo di scomporre il carbonio a un ritmo più veloce. Ciò può causare il rilascio di più carbonio dal suolo all’atmosfera, riducendo il carbonio immagazzinato. Un buon esempio è il suolo congelato del permafrost, che è noto per essere particolarmente sensibile al cambiamento climatico e per rappresentare una grande minaccia per il futuro cambiamento climatico.

Questi cambiamenti nel ciclo del carbonio che influenzano la quantità di CO2 nell’atmosfera sono noti come feedback del ciclo del carbonio, che possono accelerare o rallentare il cambiamento climatico. Il futuro destino del carbonio del suolo gioca quindi un ruolo importante nella quantificazione del riscaldamento futuro.

Modellazione

Per prevedere il futuro destino del carbonio nel suolo, gli scienziati del clima utilizzano gli Earth system models (ESMs). Si tratta di modelli climatici che possono simulare sia il clima sia i processi del ciclo del carbonio e rappresentano lo strumento migliore per fare proiezioni future del cambiamento climatico.

Gli ESMs simulano il ciclo del carbonio e i feedback associati; tuttavia, la modellazione del carbonio del suolo e dei processi correlati presenta molte sfide.

Si prevede che sia l’apporto di carbonio dalla lettiera delle piante sia la produzione dalla decomposizione microbica aumentino in base al cambiamento climatico. Tuttavia, questi fattori hanno effetti contrastanti sulla variazione del carbonio nel suolo. Il problema principale della modellazione del carbonio del suolo è che non sappiamo quanto il carbonio in entrata e in uscita cambierà con il riscaldamento globale e l’equilibrio tra loro è fondamentale per prevedere l’effetto netto sul clima.

Un’ulteriore complicazione nella comprensione del futuro cambiamento del carbonio nel suolo è che i terreni di tutto il mondo differiscono in modo significativo e questo influisce sul modo in cui il carbonio viene immagazzinato.

Ad esempio, ci riferiamo ad alcuni tipi di carbonio che si trovano in un “pool di carbonio lento”, il che significa che il terreno potrebbe avere proprietà che lo rendono più resistente alla decomposizione, il che è più comune nelle latitudini più fredde dell’emisfero settentrionale. Allo stesso modo, abbiamo dei “bacini di carbonio del suolo veloci”, in cui la vita del carbonio nel suolo è breve e viene rapidamente decomposto nell’atmosfera, più comuni nelle regioni tropicali più calde.

L’equilibrio tra questi tipi di bacini di carbonio ha un ruolo importante nel comportamento del carbonio del suolo a livello globale e capire come questo equilibrio cambierà nel tempo rappresenta una sfida significativa nella modellazione del cambiamento del carbonio del suolo.

I modelli più recenti

Il nuovo studio valuta come il carbonio del suolo viene modellato nell’ultima generazione di ESMs nella sesta – e più recente – iterazione del Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). Confrontiamo i nostri risultati con i set di dati osservativi e anche con la precedente generazione di modelli (CMIP5).

Il CMIP è uno sforzo di modellazione climatica coordinato a livello globale che alimenta il processo di valutazione del Gruppo intergovernativo di esperti sul cambiamento climatico (IPCC). Esistono numerosi ESMs che sono stati sviluppati da diversi centri di modellazione in tutto il mondo e vengono costantemente aggiornati e migliorati. Il CMIP definisce esperimenti di cambiamento climatico coerenti per consentire il confronto tra ciascuno degli ESMs e tra generazioni diverse.

Nello studio, si confrontano i dati di output dei modelli CMIP6 e CMIP5 e i dati osservativi presi dal mondo reale, come le stime derivate dai satelliti. Da questo si piò vedere dove sono stati apportati miglioramenti in CMIP6 rispetto a CMIP5, e dove rimangono dei limiti per quanto riguarda la modellazione del carbonio del suolo.

Consideriamo il carbonio del suolo a livello globale e i fattori che influenzano l’assorbimento e le perdite di carbonio. Per l’assorbimento, ci concentriamo sull’apporto “fuori terra” derivante dalla produttività della vegetazione sul terreno. Per le perdite, ci concentriamo sulla produzione “sotto terra”, studiando il tempo in cui il carbonio sopravvive nel suolo prima di essere scomposto dai microbi e rilasciato nuovamente nell’atmosfera.

Sono stati identificati miglioramenti nella simulazione dei processi in superficie nei modelli CMIP6 rispetto a CMIP5. Ciò è dovuto in gran parte all’inclusione delle limitazioni dei nutrienti sulla crescita delle piante nei modelli CMIP6. Per la fotosintesi, le piante hanno bisogno di CO2, luce e acqua, ma anche di nutrienti sufficienti come azoto e fosforo. Pertanto, se uno qualsiasi di questi requisiti sarà limitato in futuro, limiterà il potenziale aumento della produttività e dell’apporto di carbonio nel suolo con l’aumento della CO2.

Tuttavia, gli stessi miglioramenti coerenti non si vedono nella simulazione dei processi sotto il suolo. Come mostrano le mappe sottostanti, ciò si manifesta soprattutto con una sottostima generale del carbonio nel suolo alle alte latitudini settentrionali nei modelli CMIP6 (in alto) rispetto alle osservazioni (in basso). Nelle mappe, l’ombreggiatura verde più scura indica livelli più elevati di carbonio nel suolo.

Il carbonio del suolo varia in modo significativo in tutto il mondo, sia in termini di tipo di suolo che di quantità di carbonio immagazzinato. Ad esempio, nelle regioni tropicali, dove la Terra registra temperature molto più calde, tendono ad esserci quantità minori di riserve di carbonio nel suolo. Al contrario, le riserve di carbonio nel suolo tendono ad essere più grandi nelle regioni ad alta latitudine settentrionale, dove la Terra registra temperature molto più fredde.

Tuttavia, questo carbonio del suolo dell’emisfero settentrionale ad alta latitudine non viene riprodotto nella maggior parte dei modelli climatici CMIP6.

Focus sui processi sotterranei

I risultati dello studio suggeriscono che gran parte dell’incertezza rimanente nella modellazione del carbonio del suolo è legata alla simulazione dei processi sotto il suolo.

Ciò indica la necessità di concentrarsi maggiormente sul miglioramento della simulazione di questi processi nella prossima generazione di ESM per CMIP7.

I miglioramenti contribuirebbero a ridurre l’incertezza nel rilascio di carbonio previsto dai suoli globali nell’ambito del cambiamento climatico e ad aumentare la fiducia nei bilanci di carbonio associati a diversi livelli di riscaldamento globale.

A causa delle quantità significative di carbonio immagazzinato nei suoli a livello globale, la comprensione e la quantificazione del potenziale rilascio di carbonio dai suoli è fondamentale se si vogliono rispettare i limiti di temperatura dell’Accordo di Parigi.

Dott.ssa Rebecca Varney, ricercatrice presso l’Università di Exeter
Prof Peter Cox, professore di Dinamiche del sistema climatico presso l’Università di Exeter
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