Geringere Land-Kohlenstoff-Rückkopplung im neuen MPI-Erdsystemmodell

In zwei kürzlich veröffentlichten Studien analysierten Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-M) die Rückkopplung zwischen CO2 und Klima anhand von Erdsystemmodell-Simulationen im Rahmen des Climate Modelling Intercomparison Project, Phase 6 (CMIP6). Die Autor*innen Prof. Victor Brovkin, Dr. Tatiana Ilyina, Prof. Julia Pongratz und Dr. Thomas Raddatz fanden heraus, dass die positive Rückkopplung zwischen Land-Kohlenstoff und Klima in der neuen Modellversion stark reduziert ist und dass die natürliche Kohlenstoffaufnahme nach einem vollständigen Stopp der CO2-Emissionen die globale Temperatur stabilisiert.

Kohlendioxid ist die Hauptursache des anthropogenen Klimawandels. Seit der vorindustriellen Zeit wurde mehr als die Hälfte der anthropogenen Kohlenstoffemissionen von Landökosystemen aufgenommen oder im Ozean gelöst. Was sind die wichtigsten Faktoren für die Kohlenstoffaufnahme, und werden diese auch in Zukunft bestehen bleiben? Immerhin hängen die notwendigen Bemühungen zur Treibhausgasreduktion direkt von der Größe dieser Senken ab.  Die Wissenschaftler*innen unterteilten die Rückkopplung zwischen Klima und Kohlenstoffkreislauf in zwei Komponenten: den Effekt der Erwärmung auf die Kohlenstoffaufnahme (Klima-Kohlenstoff-Rückkopplung) und den Effekt des ansteigenden CO2 auf die Kohlenstoffaufnahme (Kohlenstoff-CO2-Rückkopplung). Beide Effekte sind für Prozesse an Land und im Ozean ausgeprägt, aber die Unsicherheiten bei den Rückkopplungen an Land sind viel höher als im Ozean, wie auch in der vorangegangenen Phase des internationalen Vergleichsprojektes gekoppelter Modelle, CMIP5, gezeigt wurde (Abb. 1). Dies ist darauf zurückzuführen, dass die chemischen Reaktionen, die zur Auflösung von CO2 im Meerwasser führen, in den Modellen konsistenter dargestellt werden als die biologischen Prozesse an Land.

Neuerungen in CMIP6
Seit CMIP5 haben Wissenschaftler*innen erheblich in die Modellierung neuer Prozesse an Land, wie Waldbrände und die Stickstoff-Kohlenstoff-Kopplung, investiert. Die Kohlenstoff-Stickstoff-Kopplung führt im Allgemeinen zu einer verminderten Sensibilität von Land-Kohlenstoff. Dr. Thomas Raddatz kommentiert: „Als Teil des neuen Erdsystemmodells des MPI-M (MPI-ESM) bringt die Landoberflächenkomponente JSBACH eine Reihe von wichtigen Veränderungen mit sich: neue Landprozesse wie ein Nährstoffkreislauf sowie neue Modelle für Bodenkohlenstoff und Waldbrände. Infolgedessen zeigt JSBACH in CMIP6 eine viel geringere Sensitivität terrestrischer Kohlenstoffsenken gegenüber dem Anstieg des atmosphärischen CO2 und der Temperaturen im Vergleich zu CMIP5.“ Prof. Julia Pongratz fügt hinzu: „In dieser neuen Version des MPI-ESM haben wir die Darstellung der Bodenkohlenstoffdynamik wesentlich verbessert, etwa indem im Modell das Pflanzenwachstum nun auch durch die Stickstoffverfügbarkeit limitiert wird. Insgesamt haben unsere Aktualisierungen zu einer erheblichen Abschwächung der Rückkopplung von Kohlenstoffkreislauf und Klima geführt: Erwärmung führt aufgrund gesteigerter Mikrobenaktivität zu einem Verlust von Kohlenstoff aus dem Boden, aber insgesamt wird in der neuen Modellversion weniger aus den globalen Böden ausgegast. Da CO2 ein Treibhausgas ist, erscheint die zusätzliche Erwärmung, die „Rückkopplung“ zwischen Klima und Kohlenstoffkreislauf, weniger stark als in der früheren Modellversion. Andere Prozesse müssen also stärker zur historischen Erwärmung beigetragen haben.“

Abbildung 1: Vergleich der Rückkopplungen des Klima-Kohlenstoff-Kreislaufs zwischen CMIP5- und CMIP6-Erdsystemmodellen basierend auf idealisierten Experimenten mit jährlichem CO2-Anstieg um 1 %. Schwarze Punkte zeigen einzelne Modelle, farbige Balken die Multimodell-Mittelwerte. Graue Punkte stehen für Modelle mit gekoppeltem terrestrischen Kohlenstoff-Stickstoff-Kreislauf. Rote Punkte zeigen das MPI-ESM. Die Reaktion des Land-Kohlenstoffs auf CO2 und Klima sind im neuen MPI-Modell stark reduziert im Vergleich zu CMIP5. Daten von Arora et al. (2020).

Temperaturentwicklung nach einem Stopp der CO2-Emissionen
In der neuen Experimentreihe verwendet ein internationales Forschungsteam emissionsgetriebene CMIP6-Modelle, um die Klima- und CO2-Dynamik nach dem vollständigen Wegfall der CO2-Emissionen, der so genannten Nullemissionsverpflichtung, zu bewerten (MacDougall et al., 2020). Nach einem vollständigen Stopp der Emissionen wird die thermische Trägheit, die die Temperatur in die Höhe treiben würde, kompensiert durch abnehmendes atmosphärisches CO2 aufgrund der Kohlenstoffaufnahme an Land und im Ozean (Abb. 2, links). Diese beiden Faktoren wirken in verschiedenen Modellen unterschiedlich, aber im Durchschnitt zeigen die Modelle keinen globalen Temperaturanstieg nach Beendigung der Emissionen (Abb. 2, rechts). Diese Modellexperimente deuten darauf hin, dass der Grad der globalen Temperaturänderung in etwa linear proportional zu den gesamten kumulativen Emissionen seit der vorindustriellen Zeit ist. Prof. Victor Brovkin merkt dazu an: „Das sind gute Nachrichten für die politischen Entscheidungsträger. Auf lange Sicht können wir den globalen Temperaturanstieg stoppen, wenn wir die Emissionen streng regulieren.“ Dr. Tatjana Ilyina fügt hinzu: „Die Fähigkeit des neuen Modells, atmosphärisches CO2 interaktiv zu simulieren, eröffnet eine neue Möglichkeit, zusätzliche Klimawandel-Szenarien auf der Grundlage gemeinsamer sozioökonomischer Pfade zu erforschen, die sich in der Entwicklung und der Gesamtmenge des freigesetzten anthropogenen Kohlenstoffs unterscheiden.“

Abbildung 2: Anomalie der atmosphärischen CO2-Konzentration (links) und globale Temperaturanomalie (rechts) nach der Abschaltung der Emissionen während des Experiments, wobei 1000 PgC nach dem Experiment mit 1%-CO2-Anstieg emittiert wurden. ZEC ist die Temperaturanomalie im Verhältnis zur geschätzten Temperatur im Jahr der Beendigung des 1%-Anstiegs. Aus MacDougall et al. (2000).

Literaturhinweise
Arora, V. K., Katavouta, A., Williams, R. G., Jones, C. D., Brovkin, V., Friedlingstein, P., Schwinger, J., Bopp, L., Boucher, O., Cadule, P., Chamberlain, M. A., Christian, J. R., Delire, C., Fisher, R. A., Hajima, T., Ilyina, T., Joetzjer, E., Kawamiya, M., Koven, C. D., Krasting, J. P., Law, R. M., Lawrence, D. M., Lenton, A., Lindsay, K., Pongratz, J., Raddatz, T., Séférian, R., Tachiiri, K., Tjiputra, J. F., Wiltshire, A., Wu, T., and Ziehn, T.: Carbon–concentration and carbon–climate feedbacks in CMIP6 models and their comparison to CMIP5 models, Biogeosciences, 17, 4173–4222, doi.org/10.5194/bg-17-4173-2020, 2020.

MacDougall, A. H., Frölicher, T. L., Jones, C. D., Rogelj, J., Matthews, H. D., Zickfeld, K., Arora, V. K., Barrett, N. J., Brovkin, V., Burger, F. A., Eby, M., Eliseev, A. V., Hajima, T., Holden, P. B., Jeltsch-Thömmes, A., Koven, C., Mengis, N., Menviel, L., Michou, M., Mokhov, I. I., Oka, A., Schwinger, J., Séférian, R., Shaffer, G., Sokolov, A., Tachiiri, K., Tjiputra , J., Wiltshire, A., and Ziehn, T.: Is there warming in the pipeline? A multi-model analysis of the Zero Emissions Commitment from CO2, Biogeosciences, 17, 2987–3016, doi.org/10.5194/bg-17-2987-2020, 2020.

Zusätzliche Informationen
Prof. Victor Brovkin, Dr. Tatiana Ilyina, Prof. Julia Pongratz und Dr. Thomas Raddatz sind Mitglieder des wissenschaftlichen Lenkungsausschusses des Coupled Climate-Carbon Cycle Model Intercomparison Project (C4MIP), einem Teil des CMIP6-Projekts (Jones et al., 2016). Das Projekt ZECMIP (Zero-Emission Commitment Project) ist ein Spin-off-Projekt von C4MIP (Jones et al., 2019). Ein neuer Rahmen für die Rückkopplungsanalyse in C4MIP wird unter der Schirmherrschaft der Grand Challenge „Carbon Feedbacks in the Climate System“ des Weltklimaforschungsprogramms (WCRP) und des Projekts „Analysis, Integration, and Modelling of the Earth System“ des „Future Earth“-Programms entwickelt. Die C4MIP-Website (c4mip.net) wird vom Max-Planck-Institut für Meteorologie unterstützt.

Jones, C. D., Arora, V., Friedlingstein, P., Bopp, L., Brovkin, V., Dunne, J., Graven, H., Hoffman, F., Ilyina, T., John, J. G., Jung, M., Kawamiya, M., Koven, C., Pongratz, J., Raddatz, T., Randerson, J. T., and Zaehle, S.: C4MIP – The Coupled Climate–Carbon Cycle Model Intercomparison Project: experimental protocol for CMIP6, Geosci. Model Dev., 9, 2853–2880, doi.org/10.5194/gmd-9-2853-2016, 2016.

Jones, C. D., Frölicher, T. L., Koven, C., MacDougall, A. H., Matthews, H. D., Zickfeld, K., Rogelj, J., Tokarska, K. B., Gillett, N. P., Ilyina, T., Meinshausen, M., Mengis, N., Séférian, R., Eby, M., and Burger, F. A.: The Zero Emissions Commitment Model Intercomparison Project (ZECMIP) contribution to C4MIP: quantifying committed climate changes following zero carbon emissions, Geosci. Model Dev., 12, 4375–4385, doi.org/10.5194/gmd-12-4375-2019, 2019.

Kontakt

Prof. Victor Brovkin
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: victor.brovkin@we dont want spammpimet.mpg.de

Dr. Tatiana Ilyina
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: tatiana.ilyina@we dont want spammpimet.mpg.de

Prof. Julia Pongratz
Ludwig-Maximilians-Universität München und Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: julia.pongratz@we dont want spammpimet.mpg.de

Dr. Thomas Raddatz
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: thomas.raddatz@we dont want spammpimet.mpg.de