Geringere Land-Kohlenstoff-Rückkopplung im neuen MPI-Erdsystemmodell

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.“

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.“