Mehr

5.7: Treibhausgase und die Keelingkurve - Geowissenschaften

5.7: Treibhausgase und die Keelingkurve - Geowissenschaften


Der Treibhauseffekt

Eines der häufigsten Missverständnisse über das globale Klima ist, dass der Treibhauseffekt nur eine Hypothese ist, deren Rolle beim jüngsten Klimawandel umstritten ist. Die Strahlung der Sonne wird durch unsere Atmosphäre auf die Erde übertragen. Dies erwärmt die Oberfläche des Planeten und es ist ein äußerst wichtiger Effekt, denn ohne ihn wäre der Planet viel zu kalt für uns, um darauf zu leben. Wir haben auch einige Treibhausgase synthetisiert, die nicht natürlich vorkommen, und diese auch der Atmosphäre hinzugefügt.

Kredit: Arbeitsgruppe I . des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen.

Obwohl der natürliche Kohlenstoffkreislauf der Erde auf natürliche Weise eine gigantische Menge Kohlenstoff zwischen Land, Meer und Atmosphäre bewegt, ist das Gleichgewicht ziemlich empfindlich und die Menge, die der Mensch seit der industriellen Revolution der Atmosphäre hinzugefügt hat, verweilt seit über 100 Jahren in der Atmosphäre. Dies bedeutet, dass die Auswirkungen des Klimawandels, die wir jetzt empfinden, durch Aktivitäten in der Vergangenheit verursacht wurden. Die Tatsache, dass durch menschliche Aktivitäten immer wieder Treibhausgase emittiert werden, bedeutet, dass wir uns bereits einer wärmeren Zukunft verschrieben haben.

Kohlendioxid

Die „Keeling Curve“ ist vielleicht die bekannteste Darstellung globaler Klimadaten. Charles Keeling begann 1958 mit der Messung der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentration auf Mauna Loa. Heute werden von den Beobachtungstürmen auf Mauna Loa vier Luftproben pro Stunde entnommen und die Konzentrationen mehrerer Gase gemessen. Die NOAA verfolgt die Beobachtungen von über 50 Stationen auf der ganzen Welt. Die durchschnittliche CO .-Konzentration2 in der Atmosphäre hat seit Beginn der Überwachung stetig zugenommen.

Klicken Sie hier, um eine Textbeschreibung von Abbildung 5.8 anzuzeigen.

Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre, gemessen am Mauna Loa Observatory von 1974 bis 2008. Die blau unterlegten Daten wurden qualitätsgeprüft und die grau unterlegten Daten sind vorläufig. Die wackeligen Linien zeigen jahreszeitliche Schwankungen des Kohlendioxids und die gerade Linie ist ein laufender Durchschnitt, der die jahreszeitlichen Schwankungen effektiv beseitigt.

Kredit: NOAA-Labor für Erdsystemforschung

Schauen wir uns dieses Diagramm zusammen an (oops! Beachten Sie, dass ich in meiner Erklärung fälschlicherweise sage, dass die y-Achse die Kohlendioxidkonzentration in Millimol pro Mol Luft ist, obwohl sie tatsächlich Mikromol pro Mol ist):

Schauen Sie sich außerdem diese wirklich coole Animation an, die zeigt, wie die Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre in den letzten Jahrzehnten weltweit zugenommen haben. Im Video ist die x-Achse der Breitengrad und die y-Achse ist CO2 Konzentration. Die verschiedenen Symbole stehen für verschiedene Typen von Aufnahmestationen (Turm, Flugzeug usw.) und die Linie ist ein Durchschnittswert.


Einheit 5: Modernes CO2 Akkumulation

Diese Materialien wurden auf ihre Übereinstimmung mit den Wissenschaftsstandards der nächsten Generation, wie unten beschrieben, überprüft.

Überblick

Wissenschaftliche und technische Praktiken

Analysieren und Interpretieren von Daten: Konstruieren, analysieren und/oder interpretieren Sie grafische Darstellungen von Daten und/oder großen Datensätzen, um lineare und nichtlineare Beziehungen zu identifizieren. MS-P4.1:

Erklärungen konstruieren und Lösungen entwerfen: Stellen Sie eine quantitative und/oder qualitative Aussage über die Beziehung zwischen abhängigen und unabhängigen Variablen. HS-P6.1:

Analysieren und Interpretieren von Daten: Bewerten Sie die Auswirkungen neuer Daten auf eine funktionierende Erklärung und/oder ein Modell eines vorgeschlagenen Prozesses oder Systems. HS-P4.5:

Analysieren und Interpretieren von Daten: Vergleichen und kontrastieren Sie verschiedene Arten von Datensätzen (z. B. selbsterstellt, archiviert), um die Konsistenz von Messungen und Beobachtungen zu überprüfen. HS-P4.4:

Querschnittskonzepte

Maßstab, Proportion und Menge: Die Bedeutung eines Phänomens hängt von der Größe, Proportion und Menge ab, in der es auftritt. HS-C3.1:

Maßstab, Proportion und Menge: Muster, die auf einer Skala beobachtbar sind, sind möglicherweise auf anderen Skalen nicht beobachtbar oder existieren. HS-C3.3:

Muster: Um Muster zu erkennen, sind empirische Beweise erforderlich. HS-C1.5:

Muster: Auf jeder der Skalen, auf denen ein System untersucht wird, können unterschiedliche Muster beobachtet werden, die bei Erklärungen von Phänomenen HS-C1.1 Hinweise auf Kausalitäten liefern können:

Ursache und Wirkung: Empirische Evidenz ist erforderlich, um zwischen Ursache und Korrelation zu unterscheiden und Aussagen über spezifische Ursachen und Wirkungen zu machen. HS-C2.1:

Disziplinarische Kernideen

Globaler Klimawandel: Menschliche Aktivitäten, wie die Freisetzung von Treibhausgasen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, sind wesentliche Faktoren für den aktuellen Anstieg der mittleren Erdoberflächentemperatur (globale Erwärmung). Die Verringerung des Ausmaßes des Klimawandels und die Verringerung der menschlichen Anfälligkeit für auftretende Klimaänderungen hängen vom Verständnis der Klimawissenschaften, technischen Fähigkeiten und anderen Arten von Wissen ab, wie dem Verständnis des menschlichen Verhaltens und der klugen Anwendung dieses Wissens bei Entscheidungen und Aktivitäten. MS-ESS3.D1:

Wetter und Klima: Allmähliche atmosphärische Veränderungen waren auf Pflanzen und andere Organismen zurückzuführen, die Kohlendioxid einfangen und Sauerstoff freisetzen. HS-ESS2.D2:

Wetter und Klima: Veränderungen in der Atmosphäre durch menschliche Aktivitäten haben die Kohlendioxidkonzentrationen erhöht und wirken sich somit auf das Klima aus. HS-ESS2.D3:

Erdmaterialien und -systeme: Die geologischen Aufzeichnungen zeigen, dass Veränderungen des globalen und regionalen Klimas durch Wechselwirkungen zwischen Änderungen der Sonnenenergieabgabe oder der Erdumlaufbahn, tektonischen Ereignissen, Ozeanzirkulation, vulkanischer Aktivität, Gletschern, Vegetation und menschlichen Aktivitäten verursacht werden können. Diese Veränderungen können auf einer Vielzahl von Zeitskalen auftreten, von plötzlichen (z. B. Vulkanaschewolken) über mittlere (Eiszeiten) bis hin zu sehr langfristigen tektonischen Zyklen. HS-ESS2.A3:

Leistungserwartungen

Erdsysteme: Analysieren Sie geowissenschaftliche Daten, um die Behauptung aufzustellen, dass eine Änderung der Erdoberfläche Rückkopplungen erzeugen kann, die Änderungen an anderen Erdsystemen verursachen. HS-ESS2-2:

  • teambasierte Entwicklung, um sicherzustellen, dass die Materialien für mehrere Bildungseinrichtungen geeignet sind.
  • mehrere iterative Überprüfungen und Feedbackzyklen im Verlauf der Materialentwicklung mit Input für das Autorenteam sowohl von Projektredakteuren als auch von einem externen Bewertungsteam.
  • echtes Testen von Materialien in der Klasse in mindestens 3 Institutionen mit externer Überprüfung der Bewertungsdaten der Schüler.
  • mehrere Überprüfungen, um sicherzustellen, dass die Materialien der Rubrik Materialien von InTeGrate entsprechen, die bewährte Verfahren in der Lehrplanentwicklung, Schülerbewertung und pädagogischen Techniken kodifiziert.
  • Überprüfung der wissenschaftlichen Inhalte durch externe Experten.

Diese Aktivität wurde für die Sammlung On the Cutting Edge Reviewed Teaching ausgewählt

Diese Aktivität wurde in einem Peer-Review-Verfahren mit fünf Bewertungskategorien positiv bewertet. Die fünf Kategorien, die in den Prozess einbezogen werden, sind

  • Wissenschaftliche Genauigkeit
  • Ausrichtung von Lernzielen, Aktivitäten und Bewertungen
  • Pädagogische Wirksamkeit
  • Robustheit (Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit aller Komponenten)
  • Vollständigkeit der ActivitySheet-Webseite

Weitere Informationen zum Peer-Review-Verfahren selbst finden Sie unter https://serc.carleton.edu/teachearth/activity_review.html.

Diese Seite wurde erstmals veröffentlicht: 15. Juli 2016

Zusammenfassung

Die Studierenden untersuchen Daten, die den modernen Anstieg der Kohlendioxidkonzentration und den damit verbundenen Anstieg der Durchschnittstemperaturen erfassen, und untersuchen die Auswirkungen von Kohlendioxid auf verschiedene Komponenten des Erdsystems (Atmosphäre, Kryosphäre, Hydrosphäre – Ozeane). Die Schüler lernen auch, wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe zum Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids beiträgt.


Die Erde hat sich bereits als recht empfindlich erwiesen

Seit Beginn der industriellen Revolution ist die Durchschnittstemperatur der Erde um 1,8 Grad Fahrenheit oder 1 Grad Celsius gestiegen.

Im Wasserkreislauf der Erde wurden bereits regelmäßig schwerwiegende Folgen beobachtet – was die Wahrscheinlichkeit von Extremen bei Überschwemmungen und Dürren erhöht. Die am leichtesten vorhersehbaren Ergebnisse, rekordverdächtige Hitzewellen und historische Waldbrände, manifestieren sich weltweit ebenso wie komplexere atmosphärische Veränderungen.

„Sie [global warming] erhöht den Meeresspiegel und verschlimmert Sturmfluten, sie macht die Atmosphäre feuchter, was zu Überschwemmungen durch extreme Regenfälle führt, und die Erwärmung der Ozeantemperaturen liefert zusätzliche Energie für tropische Stürme“, Klimawissenschaftler Stefan Rahmstorf, Leiter der Erdsystemanalyse am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, sagte im September.

„Das Polareis schmilzt, im Ozean schwächt sich das Golfstromsystem ab und in der Atmosphäre wird der Jetstream seltsam“, fügte Rahmstorf hinzu.

Im Gegensatz zu früheren geologischen Epochen ist der bestimmende Umstand heute nicht nur ein bemerkenswert hoher Kohlenstoffgehalt in der Luft – es ist die Geschwindigkeit, die sich alles ansammelt.

Die natürliche Welt lädt über lange Zeiträume von Tausenden bis Zehntausenden von Jahren Kohlenstoff sowohl auf als auch aus der Atmosphäre.

So schmolz beispielsweise eine Warmperiode namens Eemian, die vor etwa 120.000 Jahren endete, langsam einen erheblichen Teil der grönländischen Eisschilde – selbst bei deutlich niedrigeren Kohlenstoffkonzentrationen von etwa 280 ppm.

Aber in diesen Tagen hat das Klima noch nicht aufgeholt.

„Wir erwärmen uns so schnell, dass wir noch nicht einmal angefangen haben, Grönland schmelzen zu lassen“, bemerkte Prather von der UC Irvine.

Wo die Zivilisation letztendlich endet, hängt davon ab, wie schnell die globalen Gesellschaften auf saubere Energie umsteigen und Elektrizität ohne starke Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen erzeugen.

„Ich würde argumentieren, dass es wirklich relevant ist, wo wir uns stabilisieren“, sagte Lachniet. „In den nächsten hundert Jahren legen wir wirklich die nächsten 10.000 Jahre Klimageschichte fest.“


Zeitpunkt des abrupten Klimawandels am Ende des Jüngeren Dryas-Intervalls durch thermisch fraktionierte Gase im Polareis

Schnelle Temperaturänderungen fraktionieren Gasisotope im unverfestigten Schnee und erzeugen ein Signal, das in eingeschlossenen Luftblasen erhalten bleibt, während der Schnee Eis bildet. Die im grönländischen Eis aufgezeichnete Fraktionierung von Stickstoff- und Argonisotopen am Ende des jüngeren Dryas-Kälteintervalls zeigt, dass die Erwärmung zu diesem Zeitpunkt abrupt war. Diese Erwärmung fällt mit dem Beginn eines markanten Anstiegs der atmosphärischen Methankonzentration zusammen, was darauf hindeutet, dass der Klimawandel in einer Region von mindestens hemisphärischer Ausdehnung synchron (innerhalb weniger Jahrzehnte) verlief und die bisher vorgeschlagenen Mechanismen des Klimawandels zu dieser Zeit einschränken . Die Tiefe des Stickstoff-Isotopen-Signals relativ zur Tiefe des in der Eismatrix aufgezeichneten Klimawandels zeigt, dass der Gipfel Grönlands während der Jüngeren Dryas 15 ± 3 °C kälter war als heute.


Globale Kohlendioxidwerte nahe einem besorgniserregenden Meilenstein

Die Konzentrationen von Treibhausgasen werden am Sentinel Spot bald 400 Teile pro Million überschreiten.

In der Nähe des Mondlandschaftsgipfels des Vulkans Mauna Loa auf Hawaii wird ein Infrarot-Analysator bald Geschichte schreiben. Irgendwann im nächsten Monat wird erwartet, dass eine tägliche Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre von mehr als 400 Teilen pro Million (ppm) gemessen wird, ein Wert, der an diesem wichtigen Überwachungspunkt seit einigen Millionen Jahren nicht erreicht wurde.

Es wird keine Ballons oder Krachmacher geben, um das Ereignis zu feiern. Forscher, die Treibhausgase überwachen, werden es eher als beunruhigendes Zeichen für die Macht der Menschheit betrachten, die Chemie der Atmosphäre und damit auch das Klima des Planeten zu verändern. Bei 400 ppm wird es den Nationen schwer fallen, die globale Erwärmung in Schach zu halten, sagt Corinne Le Quéré, Klimaforscherin an der University of East Anglia in Norwich, Großbritannien °C-Ziel, das Regierungen auf der ganzen Welt zugesagt haben, nicht zu überschreiten“.

Es wird noch eine Weile, vielleicht ein paar Jahre dauern, bis die globale CO2 Konzentration über ein ganzes Jahr gemittelt, überschreitet 400 ppm. Aber dieser Wert am Mauna Loa ist bedeutend, da Forscher das Gas dort seit 1958 überwachen, länger als an jedem anderen Ort. „Es ist an der Zeit, eine Bestandsaufnahme darüber zu machen, wo wir stehen und wohin wir gehen“, sagt Ralph Keeling, Geochemiker an der Scripps Institution of Oceanography in La Jolla, Kalifornien, der die CO . des Zentrums überwacht2 Überwachung der Bemühungen auf Mauna Loa. Dieser Gasrekord, bekannt als die Keeling-Kurve, wurde von seinem Vater Charles Keeling gestartet.

Beim Start der Überwachung wurde das CO2 Niveau lag bei 316 ppm, nicht viel höher als die 280 ppm. die die Bedingungen vor der industriellen Revolution prägten. Aber seit Beginn der hawaiianischen Messungen folgten die Werte einem Aufwärtstrend, der keine Anzeichen einer Abflachung zeigt (siehe „Auf dem Weg“). Die Emissionen anderer Treibhausgase nehmen ebenfalls zu und erhöhen die Gesamtäquivalentkonzentration von CO2 in der Atmosphäre bis etwa 478 Uhr im April, so Ronald Prinn, Atmosphärenforscher am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.

Von Le Quéré und anderen Mitgliedern des Global Carbon Project zusammengestellte Daten deuten darauf hin, dass der Mensch im Jahr 2011 rund 10,4 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in die Atmosphäre eingebracht hat. Etwa die Hälfte davon wird jedes Jahr von Kohlenstoff-„Senken“ wie dem Ozean und der Vegetation auf Land, der Rest verbleibt in der Atmosphäre und erhöht die globale CO .-Konzentration2.

„Die eigentliche Frage ist jetzt: Wie werden sich die Senken in Zukunft verhalten?“ sagt Gregg Marland, Umweltwissenschaftler an der Appalachian State University in Boone, North Carolina, der bei der Zusammenstellung der Emissionsdaten hilft.

Die Senken sind seit Keeling mit seinen Messungen erheblich gewachsen, als sich die CO2-Emissionen auf etwa 2,5 Milliarden Tonnen pro Jahr beliefen. Klimamodelle deuten jedoch darauf hin, dass Land und Meer nicht lange Schritt halten werden.

„Irgendwann kann uns der Planet keinen Gefallen tun, insbesondere die terrestrische Biosphäre“, sagt Jim White, Biogeochemiker an der University of Colorado Boulder. Wenn die Senken langsamer werden und mehr CO . emittiert wird2 in der Atmosphäre bleibt, steigen die Werte noch schneller an.

Einige Forscher haben vorgeschlagen, dass die Senken bereits verstopft sind, was ihre Fähigkeit verringert, mehr CO . aufzunehmen2 (J. G. Canadell et al. Proz. Natl Acad. Wissenschaft USA 104, 18866–18870 2007). Andere sind anderer Meinung.

Ashley Ballantyne, Biogeochemikerin an der University of Montana in Missoula, arbeitete mit White und anderen zusammen, um Aufzeichnungen über Emissionen sowie CO . zu untersuchen2 Messungen rund um den Globus. Sie fanden keine Anzeichen für eine Verlangsamung der Senken (A. P. Ballantyne et al. Natur 488, 70–72 2012). Aber es ist schwierig, sicher zu sein, sagt Inez Fung, Klimamodelliererin an der University of California in Berkeley. "Wir haben keine ausreichenden Beobachtungsnetze." Das größte globale Netzwerk, das von der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration betrieben wird, musste 2012 wegen Budgetkürzungen 12 Stationen kürzen.

Einige der wichtigsten Gebiete wie die Tropen werden auch am wenigsten überwacht, obwohl Forscher versuchen, die Lücken zu schließen. Wissenschaftler aus Deutschland und Brasilien bauen einen 300 Meter hohen Turm, um den Amazonas im Auge zu behalten (vgl. Nature 467, 386–387 2010). Und Europas integriertes Kohlenstoff-Beobachtungssystem richtet auf dem ganzen Kontinent und an einigen Meeresstandorten Stationen ein, um CO . zu messen2 und andere Treibhausgase.

Auch Satelliten könnten Kohlenstoffquellen und -senken überwachen. Zwei Orbiter liefern bereits einige Daten, und die NASA plant, nächstes Jahr das mit Spannung erwartete Orbiting Carbon Observatory-2 zu starten (siehe Seite 5). Eine frühere Version dieses Satelliten scheiterte bei seinem Start im Jahr 2009.

Auch wenn neue Ressourcen online gehen, kämpfen die Forscher jedoch darum, die Station Mauna Loa am Laufen zu halten. „Der Geldbetrag, den ich für das Programm aufbringen kann, hat sich im Laufe der Zeit verringert“, sagt Keeling, dessen Gruppe CO . überwacht2 Konzentration an 13 Standorten weltweit.

„Es ist irgendwie albern, dass wir uns entschieden haben, ganz straußenähnlich zu werden“, sagt White über die Finanzierungsschwierigkeiten. „Wir wollen nicht wissen, wie viel CO2 in der Atmosphäre ist, wenn wir noch mehr überwachen sollten.“


Abstrakt

Permafrost und Methanhydrate sind große, klimaempfindliche alte Kohlenstoffspeicher, die das Potenzial haben, große Mengen Methan, ein starkes Treibhausgas, zu emittieren, wenn sich die Erde weiter erwärmt. Wir präsentieren Isotopenmessungen von Methan aus Eisbohrkernen (Δ 14 C, δ 13 C und δD) aus der letzten Deglaziation, die ein teilweises Analogon zur modernen Erwärmung sind. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Methanemissionen aus alten Kohlenstoffspeichern als Reaktion auf die deglaziale Erwärmung gering waren (<19 Teragramm Methan pro Jahr, 95% Konfidenzintervall) und sprechen gegen ähnliche Methanemissionen als Reaktion auf eine zukünftige Erwärmung. Unsere Ergebnisse zeigen auch, dass die Methanemissionen aus der Verbrennung von Biomasse im vorindustriellen Holozän 22 bis 56 Teragramm Methan pro Jahr (95% Konfidenzintervall) betrugen, was mit heute vergleichbar ist.

Methan (CH4) ist ein wichtiger Verursacher des Treibhauseffekts mit einem globalen Erwärmungspotenzial

28-mal höher als die von Kohlendioxid (CO2) auf einer 100-Jahres-Skala (1). Natürliches CH4 Emissionen entfallen derzeit

40% der Gesamtemissionen (2) und es bestehen erhebliche Unsicherheiten hinsichtlich ihrer Reaktion auf die zukünftige Erwärmung (3). Obwohl Feuchtgebiete die dominierende natürliche Quelle von CH . sind4, erhöhte Emissionen aus großen, klimasensiblen alten Kohlenstoffspeichern wie Permafrost (4) und hydratisiert unter Eisschilden (5) könnte im kommenden Jahrhundert an Bedeutung gewinnen. Marine Hydrate können auch das Potenzial haben, eine beträchtliche Menge an CH . freizusetzen4 in die Atmosphäre als Reaktion auf die Erwärmung (6), aber die Zeitskala der Dissoziation von Meereshydraten ist relativ lang (in der Größenordnung von Hunderten bis Tausenden von Jahren). Darüber hinaus besteht ein wachsender Konsens, dass CH4 Freisetzung in die Atmosphäre aus dissoziierenden Meereshydraten wird durch effizientes CH . gepuffert4 Oxidation in den Sedimenten und in der Wassersäule (3, 7).

Die letzte Deglaziation [18 bis 8 Kilo-Jahr vor heute (ka BP)] bietet die Möglichkeit, die langfristige Empfindlichkeit dieser alten Kohlenstoffspeicher (marine Hydrate, Permafrost und Hydrate unter Eisschilden) gegenüber einem sich ändernden Klima zu bewerten. Es gibt zahlreiche Beweise für die Destabilisierung von Meereshydraten (8, 9), Land-Permafrost-Degradation (10) und Thermokarstsee (Permafrost-Tausee) Bildung (11) während der letzten Deglaziation. Jedoch CH4 Emissionen aus diesen alten Kohlenstoffspeichern in die Atmosphäre sind nicht gut eingeschränkt. Das paläoatmosphärische CH4 Molenbruch und seine Isotopenzusammensetzung aus eingeschlossener Luft in Eisbohrkernen bieten eine historische Perspektive darauf, wie natürliches CH4 Quellen reagieren auf den Klimawandel (z. 12, 13). Messungen von Kohlenstoff-14 ( 14 C) von CH4 ( 14 CH4) aus Eisbohrkernen bieten speziell eine eindeutige Top-Down-Beschränkung für das global integrierte 14 C-freie CH4 -Emissionen aus allen alten Kohlenstoffspeichern.

14 C zerfällt radioaktiv und ist daher in Kohlenstoffspeichern, die länger als seine Halbwertszeit von von der Atmosphäre isoliert waren, stark erschöpft

5730 Jahre. Wegen der geringen Häufigkeit von 14 C (in der Größenordnung von 10 −12 im Vergleich zu 12 C) sind Messungen von 14 CH4 in Eisbohrkernen sind anspruchsvoll und erfordern

1000 kg Eis pro Probe. Wir sammelten Eisbohrkerne von einer gut datierten Eisablationsstelle am Taylor-Gletscher in der Antarktis (14), die einen einfachen Zugang zu großen Mengen alten Eises in geringer Tiefe ermöglicht. Petrenko et al. (15) präsentierte kürzlich Messungen von paläoatmosphärischem 14 CH4 von Taylor Glacier für den Younger Dryas-Preboreal (YD-PB) Transition (11,7 bis 11,3 ka BP) und schlossen, dass 14 C-freies CH4 -Emissionen waren gering [<7,7% des gesamten CH4 -Emissionen, 95 %-Konfidenzintervall (KI)]. Ihre Ergebnisse erstreckten sich jedoch nur über einen kurzen Zeitraum innerhalb des deglazialen Übergangs. In dieser Studie präsentieren wir 11 zusätzliche Messungen von paläoatmosphärischem 14 CH4 (Abb. 1A) kombiniert mit stabilen Isotopenmessungen (δ 13 CH4 und D-CH4) (Abb. 1, C und D) im 15- bis 8-ka-BP-Zeitintervall, was ein vollständigeres Bild des deglazialen CH . liefert4 Budget.

(EIN) ∆ 14 CH4 vom Taylor-Gletscher (blaue Diamanten in dieser Studie), ∆ 14 C gleichzeitiges CO2 von IntCal13 [grüne Linie (19)], IntCal13 Rohdaten [graue Kreuze (19)] und früher ∆ 14 CH4 Ergebnisse [hellblaue Diamanten (15)]. Zwei ∆ 14 CH4 Proben aus der Feldsaison 2014–2015 (bei 17,8 und 12,8 ka BP) wurden wegen vermuteter Zugabe von fremdem 14 C verworfen [siehe Abschnitt 3 der Materialien und Methoden (20)]. (B) CH4 Molenbruch aus diskretem WAIS Dividieren Sie die Eiskernmessungen [rote Punkte (39)], Taylor Glacier (blaue Rauten in dieser Studie) und eine frühere Taylor-Gletscher-Studie [hellblaue Rauten (15)]. (C) δ 13 CH4 von TALDICE (rote Quadrate), EDML [gelbe Quadrate (13)] und Taylor Glacier (blaue Quadrate dieser Studie). (D) δD-CH4 von EDML [grüne Dreiecke (13)] und Taylor Glacier (blaue Dreiecke in dieser Studie). (E) Zusammengesetzter NH-Temperaturstapel (rote Linie) und sein 95 % CI (orange schattierter Bereich) (16). (F) Globale RSL abgeleitet aus Korallendaten (32). Alle Eisbohrkerndaten sind in Bezug auf die Altersskala von WD2014 (40) IntCal13-, RSL- und NH-Temperaturstapel sind auf ihren jeweiligen Altersskalen aufgetragen. Alle Fehlerbalken repräsentieren das 95 %-KI.

Der Älteste Dryas-Bølling (OD-B) Übergang (14,6 bis 14,45 ka BP) repräsentiert den ersten großen und abrupten CH4 Anstieg während der letzten deglazialen Ereignisfolge (Abb. 1B) zum Zeitpunkt des Meeresspiegels

100 m tiefer als heute. Dieses abrupte CH4 Anstieg war synchron mit der Beschleunigung der Erwärmung der nördlichen Hemisphäre (NH) (16) (Abb. 1E), Eisschildrückgang und rascher Meeresspiegelanstieg (17). Dieser Klimaübergang könnte auch mit der ersten Destabilisierung von Meereshydraten während der letzten Deglaziation zusammengefallen sein, die durch den hydrostatischen Druckabbau durch den Rückzug des NH-Eisschildes und das Eindringen von warmem Zwischenozeanwasser in flache, hydrathaltige arktische Sedimente verursacht wurde (8). Während der Destabilisierung mariner Hydratreservoirs können abrupte Ereignisse wie unterseeische Erdrutsche (18) oder Zusammenbruch von Meereshydrat-Pingos (8) könnte zu großen und schnellen CH4 Austreibungen, die möglicherweise zu dem schnellen atmosphärischen CH . beigetragen haben4 erhebt euch (9), wenn sie in der Lage wären, die Oxidation in der Wassersäule zu umgehen.

Im Gegensatz zu alten Kohlenstoffspeichern ist das heutige CH4 Quellen wie Feuchtgebiete und Biomasseverbrennung emittieren CH4 mit einer 14 C-Signatur, die das gleichzeitige Δ 14 CO . widerspiegelt2 damals (15). Unsere Δ 14 CH4 Messungen für den OD-B-Übergang liegen alle innerhalb einer Unsicherheit von 1σ der gleichzeitigen atmosphärischen Δ 14 CO2 (19) (Abb. 1A), was auf eine dominante Rolle von gleichzeitigem CH4 Quellen. Wir haben ein One-Box-Modell verwendet (siehe Abschnitt 4.2 der Materialien und Methoden) (20) zur Berechnung der Menge an 14 C-freiem CH4 Emission in die Atmosphäre (Tabelle 1, Abb. S9 und Tabelle S10) (20). Unser Boxmodell zeigt, dass die insgesamt 14 C-freie CH4 -Emissionen während des OD-B-Übergangs waren gering [im Durchschnitt <13 Teragramm (Tg) CH4 pro Jahr, 95 % CI Obergrenze]. Kombiniert mit früher Δ 14 CH4 Daten vom YD-PB-Übergang (15) sprechen unsere Ergebnisse stark gegen die Hypothese, dass alte Kohlenstoffreservoirs einen wichtigen Beitrag zum schnellen CH4 Anstiege im Zusammenhang mit abrupten Erwärmungsereignissen (Dansgaard-Oeschger-Ereignisse) (9). Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit früheren Studien (13) zeigt keine größere Anreicherung im CH4 Deuterium/Wasserstoff-Verhältnis (δD-CH4) gleichzeitig mit dem abrupten CH4 Übergänge (CH4 aus Meereshydraten ist in δD relativ angereichert). Es hat sich gezeigt, dass selbst bei einer relativ geringen Wassertiefe von

90% des 14 C-freien CH4 aus auftauendem Unterwasser-Permafrost freigesetzt wurde in der Wassersäule oxidiert (21). Wir gehen davon aus, dass während des OD-B-Übergangs ein relativ schneller Meeresspiegelanstieg mit dem Schmelzwasserpuls 1-A (17), kombiniert mit CH4 Oxidation in der Wassersäule (22), kann CH . verhindert haben4 Emissionen aus zerfallenden Meereshydraten und Unterwasser-Permafrostböden, die die Atmosphäre erreichen.

Das Probenalter wurde durch Wertanpassung global gut gemischter Gase (CH4 und δ 18 O Luftsauerstoff) nach WD2014-Chronologie [siehe Abschnitt 1 der Materialien und Methoden (20)]. Die in dieser Tabelle angegebenen Stichprobenalter stellen das „beste“ (maximale Wahrscheinlichkeit) Alter der Wahrscheinlichkeitsverteilung dar (Abb. S3) (20) in Bezug auf die Chronologie von WD2014 (40).

Unsere Messungen von 14 CH4 während des Bølling-Allerød-Interstadials (14,45 bis 13 ka BP) und der frühen Holozän- (10 bis 8 ka BP) warmen Periode (Abb. 1A) bieten eine Gelegenheit, die Wahrscheinlichkeit einer verzögerten CH4 -Emissionen aus alten Kohlenstoffspeichern als Reaktion auf die Erwärmung. Der Beginn der Dissoziation von Meereshydraten könnte das anfängliche Erwärmungssignal dekadisch verzögern (23), hundertjährigen oder sogar tausendjährigen (18) Zeitskalen. Die Degradation des Permafrosts könnte auch ein Erwärmungssignal auf jahrzehntelangen und hundertjährigen Zeitskalen hinterherhinken (24) abhängig von lokalen Umweltbedingungen wie Permafrosttiefe, Bodenart und Feuchtigkeitsgehalt (4). In Teilen des frühen Holozäns waren die Temperaturen in der Arktis wahrscheinlich wärmer als heute (25), die in den kommenden Jahrzehnten ein gutes Analogon für die arktischen Bedingungen darstellt. Stellvertreterrekonstruktionen der Thermokarstseeinitiierung (11) und Landpermafrostdegradation (10, 24) deutete auf einen möglichen Anstieg von CH4 Emissionen aus diesen Prozessen sowohl während des Bølling-Allerød-Interstadials als auch während der frühen holozänen Warmzeit. Unsere Δ 14 CH4 Messungen (Abb. 1A und Tabelle 1) zeigen keinen Hinweis auf verzögertes 14 C-freies CH4 Emissionen nach Erwärmung. Diese Ergebnisse stimmen mit heutigen Beobachtungen überein, dass Kohlenstoff aus Thermokarstseen und Permafrost überwiegend in Form von CO . emittiert wird2 statt CH4 (4, 26), und dass CH4 Emissionen aus Permafrostsystemen werden von relativ zeitgleichem Kohlenstoff (26, 27).

Da im Permafrostboden gespeicherter Kohlenstoff voraussichtlich nicht 14 C-frei ist (28), haben wir auch versucht, unser 14 CH4 Ergebnisse zur Berechnung der möglichen Größe von CH4 Emissionen aus dem Auftauen von Altkohlenstoff im Permafrost (Abschnitt 4.3) (20). Diese Berechnung ging davon aus, dass die 14 C-Aktivität von Permafrost CH4 -Emissionen folgt dem prädepositionellen Alter terrigener Biomarker, die aus auftauendem Permafrost freigesetzt wurden (7500 ± 2500 Jahre alt relativ zu unserem Probenalter) (10). Resultierendes CH4 Emissionen aus altem Permafrost-Kohlenstoff reichen von 0 bis 53 Tg CH4 pro Jahr (Tabelle S10) (20) während der letzten Deglaziation und kann bis zu 27 % des gesamten CH . beigetragen haben4 Emissionen in die Atmosphäre (95% CI Obergrenze) am Ende des OD-B-Übergangs (14,42 ka BP). Wir halten diese Berechnung jedoch für spekulativ (siehe Abschnitt 4.3 der Materialien und Methoden) (20).

Als der globale Meeresspiegel niedriger war, könnte die Exposition der Kontinentalschelfs zu einem höheren CH . geführt haben4 Emissionen aus natürlichen geologischen Quellen (29). Eine aktuelle Studie ergab auch die Existenz von CH4 Hydratablagerungen unter Eisschilden und deuteten darauf hin, dass der Schmelzwasserabfluss aus der Voreiszeit wahrscheinlich eine wichtige Quelle für CH . ist4 zur Atmosphäre (5). Der Rückzug des Eisschildes während der letzten Deglaziation könnte die subglazialen Hydratablagerungen destabilisiert haben, die altes, 14 C-abgereichertes CH . enthalten4. Unsere Daten, die den Großteil des deglazialen Eisrückgangs und des Meeresspiegelanstiegs umfassen (Abb. 1F), sprechen jedoch stark gegen beide Hypothesen. Das 14 C-freie CH4 Die Emissionen waren während der letzten Deglaziation gering (Tabelle 1) und scheinen sowohl gegenüber dem globalen Meeresspiegel als auch dem Eisvolumen unempfindlich zu sein.

Die Verbrennung von Biomasse ist ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs und eng mit den Emissionen von Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx), Nichtmethan-Kohlenwasserstoffe und Aerosole, die erhebliche Auswirkungen auf die Atmosphärenchemie und Strahlungsenergieflüsse haben. Verglichen mit anderen Proxys der vergangenen Biomasseverbrennung, CH4 hat einen Vorteil, weil es ein gut gemischtes Gas in der Atmosphäre ist und die global integrierten Emissionen aus der Biomasseverbrennung darstellen kann. Bock et al. (13) lieferte die neueste stabile isotopenbasierte (δ 13 C und δD) Studie des glazialen-interglazialen CH4 Budget, aber sie waren nicht in der Lage, die relativen Beiträge von CH . zu trennen4 Quellen, die mit schwereren Isotopen angereichert sind (Biomasseverbrennung und natürliche geologische Emissionen). Mit verbesserten Schätzungen der natürlichen geologischen Emissionen ermöglichen unsere Ergebnisse bessere Einschränkungen für den gesamten CH4 Budget. Wir haben die stabilen Isotopendaten (Abb. 1, C und D) in einem One-Box-Modell verwendet (siehe Abschnitt 5 der Materialien und Methoden) (20) um CH . zu berechnen4 Emissionen aus der Verbrennung von Biomasse (CH4 bb) und mikrobielle Quellen (CH4 Mikrofone, bestehend aus Emissionen von Feuchtgebieten, Wiederkäuern und Termiten) für das Frühe Holozän (Tabelle 1 und Abb. S11) (20). Wir erweiterten unsere Berechnung auf das späte Holozän (

2 ka BP) (Tabelle 1) zum direkten Vergleich unserer CH4 Quellenstärkeschätzungen mit denen früherer Studien (30, 31). Diese Annahme kann gerechtfertigt werden, da eine große Änderung der natürlichen geologischen Emissionen zwischen dem frühen Holozän und 2 ka BP unwahrscheinlich erscheint, da sich der globale Meeresspiegel und das Eisvolumen nach 8 ka BP nicht nennenswert verändert haben (32). Wir haben diese Berechnung jedoch nicht für die präholozänen Proben durchgeführt, da Schätzungen des CH4 interpolarer Unterschied, atmosphärischer globaler Durchschnitt CH4 stabile Isotopenwerte und stabile Isotopensignaturen der Quellen sind unsicherer (Abschnitt 5) (20).

Wir berechneten relativ hohe CH4 bb -Emissionen im frühen Holozän (33 bis 56 Tg CH4 pro Jahr, 95 % KI) bei 10 ka BP und einer leichten Abnahme von CH4 bb -Emissionen (22 bis 42 Tg CH4 pro Jahr, 95 % KI) zum späten Holozän (Tabelle 1). Das Ausmaß des Rückgangs der Emissionen aus der Verbrennung von Biomasse (

7 TL CH4 pro Jahr) ist im Verhältnis zu den Unsicherheiten sowohl für die CH4 bb und CH4 Mikrofone -Emissionen (±11 und ±18 Tg CH4 pro Jahr bzw. 95% KI-Unsicherheiten). Unsere Schätzung von 22 bis 42 Tg CH4 pro Jahr (95% KI) CH4 bb -Emissionen für das späte Holozän (

2 ka BP) liegt im oberen Bereich der Schätzungen aus früheren Eisbohrkernstudien (13, 30, 31). In Anbetracht der großen Abwärtsrevision der natürlichen geologischen Emissionen, die aus unseren 14 C-Daten abgeleitet wurde, ist eine Aufwärtsrevision der pyrogenen CH4 -Emissionen sollen die CH .-Emissionen ausgleichen4 stabiles Isotopenbudget. Der Anstieg von CH4 bb die von einer Verringerung der natürlichen geologischen Emissionen erwartet wird, wird teilweise durch eine –0,5 bis –1‰ Revision in atmosphärischen δ 13 CH . ausgeglichen4 Werte (12, 30, 31) weil die δ 13 CH4 Werte aus früheren Studien (30, 31) waren wahrscheinlich aufgrund von Krypton (Kr)-Interferenzen (33). Unser CH4 bb Schätzungen werden auch reduziert, weil wir im Gegensatz zu früheren Studien zeitliche Verschiebungen in den Isotopensignaturen von CH . berücksichtigt haben4 bb und CH4 Mikrofone zwischen dem vorindustriellen Holozän und der Neuzeit, die von anthropogen bedingten Veränderungen des δ 13 CO . erwartet wird2 Vorläufermaterial und Landnutzung (siehe Abschnitt 5.2 der Materialien und Methoden) (20). Unser bestes CH4 bb Schätzungen für das späte Holozän (22 bis 42 Tg CH4 per year, 95% CI) are comparable to the present-day estimates of combined pyrogenic CH4 emissions from anthropogenic biomass burning and wildfires (2). This result is supported by some (34, 35), but not all (36), independent paleoproxies of biomass burning.

The last deglaciation serves only as a partial analog to current anthropogenic warming, with the most important differences being the much colder baseline temperature, lower sea level, and the presence of large ice sheets covering a large part of what are currently permafrost regions in the NH. Although Arctic temperatures during the peak early Holocene warmth were likely warmer than today (25), they were still lower than the Arctic temperature projections by the end of this century under most warming scenarios (37). However, there are also many similarities between the last deglaciation and current anthropogenic warming. Both deglacial and modern warming include strong Arctic amplification, and the magnitude of global warming (

4°C) (16) during the last deglaciation was comparable to the expected magnitude of equilibrium global temperature change under midrange anthropogenic emission scenarios (37). Because the relatively large global warming of the last deglaciation (which included periods of large and rapid regional warming in the high latitudes) did not trigger CH4 emissions from old carbon reservoirs, such CH4 emissions in response to anthropogenic warming also appear to be unlikely. Our results instead support the hypothesis that natural CH4 emissions involving contemporaneous carbon from wetlands are likely to increase as warming continues (38). We also estimated relatively high CH4 bb emissions for the pre-Industrial Holocene that were comparable to present-day combined pyrogenic CH4 emissions from natural and anthropogenic sources. This result suggests either an underestimation of present-day CH4 bb or a two-way anthropogenic influence on fire activity during the Industrial Revolution: reduction in wildfires from active fire suppression and landscape fragmentation balanced by increased fire emissions from land-use change (deforestation) and traditional biofuel use (burning of plant materials for cooking and heating).


Abstrakt

A newly developed isotope ratio laser spectrometer for CO2 analyses has been tested during a tracer experiment at the Ketzin pilot site (northern Germany) for CO2 Lagerung. For the experiment, 500 tons of CO2 from a natural CO2 reservoir was injected in supercritical state into the reservoir. The carbon stable isotope value (δ 13 C) of injected CO2 was significantly different from background values. In order to observe the breakthrough of the isotope tracer continuously, the new instruments were connected to a stainless steel riser tube that was installed in an observation well. The laser instrument is based on tunable laser direct absorption in the mid-infrared. The instrument recorded a continuous 10 day carbon stable isotope data set with 30 min resolution directly on-site in a field-based laboratory container during a tracer experiment. To test the instruments performance and accuracy the monitoring campaign was accompanied by daily CO2 sampling for laboratory analyses with isotope ratio mass spectrometry (IRMS). The carbon stable isotope ratios measured by conventional IRMS technique and by the new mid-infrared laser spectrometer agree remarkably well within analytical precision. This proves the capability of the new mid-infrared direct absorption technique to measure high precision and accurate real-time stable isotope data directly in the field. The laser spectroscopy data revealed for the first time a prior to this experiment unknown, intensive dynamic with fast changing δ 13 C values. The arrival pattern of the tracer suggest that the observed fluctuations were probably caused by migration along separate and distinct preferential flow paths between injection well and observation well. The short-term variances as observed in this study might have been missed during previous works that applied laboratory-based IRMS analysis. The new technique could contribute to a better tracing of the migration of the underground CO2 plume and help to ensure the long-term integrity of the reservoir.


Einführung

Forests, Carbon, and the Additional Benefits of Woodlands

Global forests store about a trillion tons of carbon [1]. Forests—whether temperate or tropical, and with closed or open canopy—are the largest terrestrial sink of carbon, comprising about 25% of the planetary carbon budget [2]. This is roughly equivalent to the carbon sequestered, or kept out of the atmosphere, by the oceans [3]. The 2015 Paris Climate Agreement among 196 countries calls for achieving a balance between the anthropogenic emissions by sources and removal by sinks in the second half of this century. Most temperate zone and developed world strategies focus on cutting carbon emissions through changes in technology and energy consumption in order to “bend the curve” of climate change below the projected 2+ degrees centigrade. However, to achieve the Paris goals, enhancement of forest-based carbon (C) removals to mitigate emissions in other sectors will be a critical component of any collective global strategy for achieving carbon neutrality [4,5]. Any attempt at carbon neutrality must have significant forest and landscape dimensions. Forests cover a large area of the planet, especially in comparison to the 3% of the Earth’s surface occupied by cities. In the short term, carbon uptake by vegetation and storage in biotic systems is one of the most rapid and promising strategies for addressing emissions.

In the United States (US), Carbon sequestration in forests offsets about 10–15% of emissions from transportation and energy sources and may help to significantly reduce the overall costs of achieving emission targets set by the Paris Agreement [1]. Without improving the extent, health, and productivity of these forests, the sequestration capacity may reduce because of climate change and increasing disturbance [6]. Many climate change adaptation enterprises will certainly involve enhancing tree landscapes at many scales. Such improvements provide additional “ecosystem services,” or positive impacts for people, from shading buildings and buffering cities against storms to making agricultural and grazing landscapes more productive.

With the recent prominence of Reduced Emissions from Deforestation and Degradation (REDD+), more than sixty, mostly tropical, countries place forests at the center of their climate strategies as part of the 2015 Paris Climate Accords, which make special provision “to conserve and enhance sinks and reservoirs of greenhouse gases through results based payments”—which is more generally known as REDD+. While many discussions of climate solutions focus on technological change, energy demand, and reactivating energy resources such as nuclear power, there are significant and rapid carbon uptake gains to be made through managing landscape systems. Changes in landscape management are generally more decentralized than changes in technology and energy, especially in the tropics where most of this sequestration and storage takes place [7,8,9]. We also emphasize that there are gains to be made “at the margins” through improvement of secondary, agricultural, and urban forests with positive mitigation and adaptation outcomes.

Many technological solutions to climate change define the benefits by human gains and goals. These approaches usually require rarified knowledge systems and complex technologies such as electric cars and solar panels they have narrowly specified outcomes and are often highly monetized. In contrast, forest and landscape improvement provides many additional benefits for humans, non-humans, and biophysical processes with relatively low entry and management costs. These co-benefits—or environmental services—improve the health of the biosphere as well as the hydrological and microclimatic systems that play an important role in the maintaining the carbon sequestration capacity of the Earth. This “broad spectrum” quite direct enhancement, in addition to GHG uptake and storage, is unmatched by any other intervention to avoid climate disruption.

We frame this paper by exploring the multifunctionality of arboreal systems, including their carbon uptake (or sequestration) and storage. We emphasize the importance not only of dense tropical forests, but also of inhabited landscapes shaped by people—such as secondary forests, mixed agricultural systems, and cities and their environs—and discuss where such landscapes fit in climate policy and practices. We begin by introducing the ideas of multifunctionality and climate justice, but then move to specific contributions to carbon uptake in a range of forest types, including “agroforests,” or forests people use to grow food, as well as urban and peri-urban forests. We conclude with the question of GHG uptake in urban areas and how researchers are rethinking the greenhouse gas footprint of cities, including urban waste. We emphasize that “bending the curve” of climate change below 2+ degrees centigrade is not simply a technical issue of planting more trees, although that is part of it. “Bending the curve” also involves reassessing our relationship to nature and creating political economies, institutions, and practices that support biotic processes as one of the central responses to climate change.

Forest Multifunctionality

Woodlands ranging from the high biomass forests of the humid tropics to the peri-urban and urban arborizations, especially in the developing world, all provide ecosystem services that go well beyond carbon. Many of these are summarized in the Table 1.

The Multifunctionality and Co-Benefits of Woodlands.

1. Biodiversity benefits, including

ecological and habitat connectivity

ecological services such as pollination, commensal support, predation, seed distribution, and food supply.

2. Agricultural benefits, including

soil fertility improvements in some cases

3. Soil benefits, including

increasing organic matter in the soil and improving soil structure.

buffering the impacts of rainfall

transpiration (taking up moisture through the roots and releasing it through the leaves)

recharging the moisture in the soil

moderating the flow of streams

5. Microclimate improvements, especially for

moderating urban heat island effects [16,17,18]

reduction of heat stress in agroforestry and silvo-pastoral systems [16,19]

6. Local weather defense, including

shoreline protection via mangroves

7. Economic benefits, such as

producing timber and posts

producing non-timber products, such as resins, latexes, medicines, oil seeds, and stimulants like coffee and teas

producing commercial commodities, such as coffee, tea, cacao, and so on

potential REDD derivatives or other offset initiatives pertaining to carbon.

8. Subsistence benefits, such as

providing food to people who live in or near forests

providing fodder for livestock

providing construction materials

9. Survival benefits and complex livelihood “insurance,” such as

10. Human symbolic meaning, including

1. Biodiversity benefits, including

ecological and habitat connectivity

ecological services such as pollination, commensal support, predation, seed distribution, and food supply.

2. Agricultural benefits, including

soil fertility improvements in some cases

3. Soil benefits, including

increasing organic matter in the soil and improving soil structure.

buffering the impacts of rainfall

transpiration (taking up moisture through the roots and releasing it through the leaves)

recharging the moisture in the soil

moderating the flow of streams

5. Microclimate improvements, especially for

moderating urban heat island effects [16,17,18]

reduction of heat stress in agroforestry and silvo-pastoral systems [16,19]

6. Local weather defense, including

shoreline protection via mangroves

7. Economic benefits, such as

producing timber and posts

producing non-timber products, such as resins, latexes, medicines, oil seeds, and stimulants like coffee and teas

producing commercial commodities, such as coffee, tea, cacao, and so on

potential REDD derivatives or other offset initiatives pertaining to carbon.

8. Subsistence benefits, such as

providing food to people who live in or near forests

providing fodder for livestock

providing construction materials

9. Survival benefits and complex livelihood “insurance,” such as

10. Human symbolic meaning, including

This impressive list of additional benefits provided by tree systems helps explain why between 800,000 and 1.4 billion people on the planet are at least periodically dependent on forest resources for their livelihoods, labor markets, agricultural inputs, building and artisanal materials, subsistence, and survival “insurance” in difficult times [20,21,22,23,24,25,26]. North American mainstream views of the environment that strongly segment land uses have difficulty “seeing” such heterogeneous systems in part because of the conceptual construction (and constriction) of “types” of nature into wild, agricultural, and urban systems which are assumed to have little overlap. This perception is far less prevalent in the developing world, but these separations, which have a venerable history, have led to many policy distortions [27]. The fact that human use of woodlands can be periodic, seasonal, dispersed, or indirect further obscures the importance of forested landscapes.

Forests reflect biotic, social, and symbolic systems. Forests occur in wild landscapes, in inhabited and working landscapes of varying forms and intensities, and in highly “unnatural landscapes” like cities. The ubiquity and extent of forests also contributes to their invisibility. Woodlands are culturally complex they have rich social and ecological capacities as well as social and ecological vulnerabilities. Forests embody ideologies, knowledge regimes, institutional approaches to land control and land access, human symbolic meaning, sensitivity to economic signals, and diverse power relations among local, national, and international stakeholders. While woodlands and pastures are generally viewed as parts of wild or distant nature, in this chapter we emphasize the pervasive arboreal nature of even urban areas as critical sites of woody and other biota-based “carbon plus” environmental services. Just as an example, in a survey of over a thousand Urban households in South Africa, non-timber forests products contributed 20% of household income [28,29,30], a finding hardly unique to South Africa [25,31,32,33]. Animal production is also often a considerable part of urban food production in cities, both in the developing world and the US [34,35,36].

Peri-urban areas—or areas surrounding cities—are also increasingly important in this regard as intersections between wildlands, agricultural lands, and cities. Peri-urban areas often host complex agronomic systems with tree components on the urban fringes, in landscapes through which people migrate to the city [35,37,38,39,40,41,42,43].

Far more than any other climate mitigation or adaptation “technology,” forest systems of multiple types engage large portions of the planet’s residents. People of many cultures, backgrounds, and material capacities are, in fact, already taking part in global woodland dynamics as part of formal and informal systems of management and access, as well as through consumption of forest products, economic activity, and aesthetic and symbolic practices. Landscape systems are by far the most inclusive forms of intervention for “bending the curve” of climate change below 2+ degrees centrigrade. This helps explain why wooded landscapes from wildlands to urban regions produce faster results for GHG uptake and at larger scales than most other technological interventions in carbon mitigation, as we will show later in this paper.

Our own Western enchantment with technology blinds us to the importance of living landscapes and the contributions of their “soft technologies.” In part, this is because the management and stewardship of woodlands is imbricated in a vast set of social relations, institutions, socio-political forces, economic imperatives, and global pressures that are not especially amenable to reductionist analysis, uniform scales, or even necessarily classic forms of scientific inquiry. Further, these systems are ubiquitous, although very under-appreciated, and for this reason, some of the urban and peri-urban dynamics of woodlands and their “footprints” remain almost invisible [23,42,44,45,46,47]. These kinds of “invisibilities” have occluded attention to secondary forests and extensive home gardens for decades [48].

Climate Justice

The term climate justice, when used in a restricted sense for policy purposes, means addressing the economic disparity between those societies that now generate and have historically generated most GHGs, on one hand, and those that have borne the brunt of the effects of climate change, on the other. Climate justice involves not only compensating those who suffer the consequences of climate instabilities [49,50], but also, some argue, allowing them to participate in developing policies with climate consequences that affect them (such as policies about mining, REDD, the siting of pipelines and processing plants, and so on). A definition of climate justice that goes beyond economics (including a normative call for intergenerational equity, resources transfers, and sustainable development) can be found in chapter 8 of this report.

The decentralized nature of the problem of climate justice, the question of intentionality, and the difficulty of taking collective action to address climate injustice present serious ethical and practical challenges. These challenges involve problems of scale, unforeseen impacts, interactive outcomes among agents, power relations, and diffuse consequences that dramatically transform the vulnerabilities of populations whose carbon footprint and historic responsibility for planetary carbon loads and other GHGs are minimal. These indirect effects are compounded by globally divergent consumption patterns, limited capacities for resilience of states and communities, and augmented vulnerabilities [51]. The current explosive fires in the American west, continuing “record” flooding in the Mississippi and Missouri valleys, and hyper severe tornedo seasons highlight that climate justice and climate vulnerability is a class issue in environmental justice in developed countries as well.

The means of compensation so far have mainly taken the form of fiscal transfers, provisioning of social services, and in some cases infrastructure improvement. Broader approaches could include support for rural livelihoods, improvement of urban and peri-urban biotic amenities, jobs, compensation for environmental services (such as but not limited to REDD), adaptation investments and programs that focus on reducing vulnerabilities of regions and populations most at risk from climate change. Economic support for carbon absorptive production systems like agroforestry, urban community arborization, conservation investments within inhabited landscapes, and new institutions and ideologies that support such approaches can enact a wide number of interventions, seeking input from local populations and capitalizing on local innovations [52,53,54,55].

REDD might usefully focus on secondary and agro-forests, but so far most carbon offsets have emphasized standing old growth forests with conservation support, such as Noel Kempff Mercado National Park in Bolivia and the Juma Reserve in Amazonas [53,55,56,57,58]. Brazil’s “Bolsa Florestal” program and Ecuador’s “Socio-Bosque” program provide a modest subsidy to forest dwellers to conserve forests and alleviate poverty. Such REDD+ programs have raised many questions about tenurial arrangements (who owns and who has rights to occupy and use the land and other resources), distribution of economic benefits, inclusion, competition among governance strategies and institutions, and compliance and monitoring. All of these questions have significant climate justice implications [58,59,60]. While many actors are trying to build flexibility into the programs, REDD runs the risk of being excessively overarching and falling prey to the vice of becoming a “development fad,” abandoned and reviled a few years later. Given the problems that currently plague the carbon cap and trade markets, this is a real risk for REDD programs specifically and to addressing problems at the “transnational level” in general. Global policies may be unable to deal with resistance on the ground in part, this results from the importance of forest goods in people’s livelihoods and to their wellbeing. Article Five of the Paris Accords helped draw global attention to forests, but most of the language revolves around “wildlands,” rather than working landscapes, and many complexities remain [58,61,62]. Such working woodland areas are crucial for livelihoods and livelihood supplements in rural and urban economies throughout the world, where an estimated billion people are forest-dependent to some degree [33,63,64,65,66]. In a recent transnational set of studies in rural areas, about 30% of the livelihood products—including food, forage, fuel, building materials, and so on—were derived from forest ecosystems [67,68,69,70].

Smaller Scale, Bigger Impact?

Many subnational approaches, such as the 100 Resilient Cities initiative, seem to have more traction on climate justice concerns. As international REDD programs wait to get off the ground, national governments increasingly look to regional forests to offset their own emissions. This actually puts forest questions at the heart of climate justice issues, since most rural development policy increasingly focuses on a few global and regional markets and high-input commodities. While forest policy has garnered increased visibility, attention to it has revolved strongly around conservation and climate. Development policies focused on forest-based rural livelihoods have received less attention, in spite of the best efforts of international organizations such as the Center for International Forestry Research (CIFOR) and La Via Campesina, the international peasant movement for small-scale sustainable agriculture [71,72,73,74].

Access to forests and their products are changing, and traditional uses may be criminalized in some GHG offset regimes [9,53,75,76,77]. Insecure tenure regimes may precipitate land grabs and forest conversion. For this reason, it is essential to work with local communities and with multiple forms of local knowledge in order to design effective systems. We must make sure that carbon offsets do not become a new form of expropriation, assuaging the guilt of GHG gluttons while marginalizing and criminalizing those whose livelihoods depend on functioning forests. This is a critique that is regularly leveled at REDD. Woody systems have the potential to both sequester carbon and help alleviate poverty through subsistence and market goods, although the magnitude remains controversial [78,79,80,81,82].

In the next sections we outline several dynamics that we suggest have important effects for bending the curve. We look at six processes in terms of both how they can mitigate climate change and how they can help people and ecosystems adapt to it. These processes are: 1) slowing deforestation 2) forest resurgence 3) agroforestry and matrix systems 4) urban and peri-urban forests in carbon dynamics and finally 5) the urban waste system and methane management. All these strategies occur within highly conjunctural social, market, institutional, cultural, and environmental conditions of possibility, and all are highly interactive and reactive to economic, environmental, and political volatilities. History, economics, politics, culture, institutions, and questions of epistemology shape these dynamics far more than we imagine.


General Information and Collections

IPCC Graphics ( This site may be offline. ) A collection of graphics that have been created by the Intergovernmental Panel on Climate Change.

IPCC Vital Climate Graphics (more info) Compiled from the second IPCC assessment report, these graphics include causes of climate change and projected impacts such as temperature changes and sea level rise. The figures are browseable by title.

Global Warming Art (more info) Over 130 different images, graphs and photos describing various elements of climate change. Each image has a description, citation and information for reuse.

Global Climate Change Exploratorium (more info) This site, funded by NSF, is the home page for the Global Climate Change research explorer. Multicolor tabs at the top of the page link to further information and visualizations (graphs, charts, pictures, etc.) for climate change resources in each of the Earth's spheres, including: atmosphere, hydrosphere, cryosphere, biosphere, and global effects of climate change.

The Biodiversity: Climate Change (more info) This step-by-step slide show animation, from the International Polar Foundation, deals with the topics of biodiversity and climate change. It lays out the main effects of climate change, i.e. the strengthening of the natural greenhouse effect phenomenon that has been caused by our way of life, and the unprecedented speeding up of rises in temperature compared with the natural periods of warming that have occurred in the past. It also looks at the main consequences of these changes.

National Geographic Map Simulation of Global Warming Effects (more info) This interactive map shows what global environmental problems can arise based on the 2001 IPCC report on climate change. Users can see which problems affect different areas and can click on these areas for more information.

NASA Climate Change Resource Reel (more info) This collection of resources from NASA includes animations and still shots covering a wide range of topics in climate, including the cryosphere, ocean sciences, changes on land, the atmosphere, and satellite images.


The moving of high emission for biomass burning in China: View from multi-year emission estimation and human-driven forces

Biomass burning (BB) has significant impacts on air quality, climate and human health. In China, the BB emission has changed substantially over the past decades while the multi-year variation held high uncertainty and the driving forces have addressed little attention. Here, this research aimed to conduct a comprehensive and systematic analysis of BB variation in China and provided precise and targeted BB emission reduction suggestions. The moving of high emission for BB from 2003 to 2014 was clearly identified, by the view of reliable emission estimation and anthropogenic impacts. Multiple satellite products, field survey, time varying biomass loading data and measured emission factors were adopted to better estimating BB emission and reducing the uncertainty. Social-economic analysis was added to assess the anthropogenic impacts on high emission variation quantitatively. Results showed that the cumulative BB emissions of OC, EC, CH4, NOx, NMVOC, SO2, NH3, CO, CO2, PM2.5 und PN10 during 2003-2014 were 1.6 × 10 4 , 5.64 × 10 3 , 3.57 × 10 4 , 1.7 × 10 4 , 5.44 × 10 4 , 2.96 × 10 3 , 6.77 × 10 3 , 6.5 × 10 5 , 1.15 × 10 7 , 5.26 × 10 4 and 6.04 × 10 4 Gg, respectively. Crop straw burning (in-field and domestic) in northeast China plain (NEP), north China plain (NCP), northern arid and semiarid region and loess plateau were the key sources, averagely contributed 73% for all the pollutants emission. While domestic straw burning and firewood burning in Sichuan basin (SB), Yunnan-Guizhou plateau and southern China were main contributors, averagely accounting for 70% of all the pollutants emission. On regional level, high emissions were mainly found in SB, NCP and NEP. Temporally, high emissions were mainly found in crop sowing harvesting and heating seasons. From 2003 to 2014, the BB emission for different biomass species has changed significantly in different regions. High emission has gradually moved from SB to NCP and NEP. Firewood burning and domestic straw burning emission decreased by 47% and 14% in SB, respectively. In-field straw burning emission increased by 52% and 231% in NCP and NEP respectively and domestic straw burning emission increased by 62% in NEP. Emissions from heating season have decreased while emissions in corn harvest season were continuously increased. Analysis of Environmental kuznets curve, agricultural productivity level, human burning habits, rural energy structure and local control policies revealed the internal human driving strength of the variation for BB emission. The unbalanced development of social economy and the policy bias were primary drivers of limiting the BB management. BB emission will alleviate in NCP and aggravate in NEP. For the further emission reduction, effective measures for corn sources management, straw returning and rural energy utilization should be systematically considered. This research provides a clear evidence for the multi-year variation pattern of BB emissions, which is critical for pollution prediction, air quality modeling and targeted mitigation strategies for the key regions of China.

Schlüsselwörter: Biomass burning High emission variation Human-driven forces Multiple satellite data Social-economic analysis.

Copyright © 2020 The Author(s). Published by Elsevier Ltd.. All rights reserved.


Schau das Video: Michael Schnell - Welchen Einfluß haben Treibhausgase auf die Lufttemperatur?