Ξεκλείδωμα αποθήκευσης άνθρακα:Μια νέα θεωρία για τους υγροτόπους

Για να υπολογίσουν την ποσότητα του άνθρακα που αποθηκεύεται μέσα σε τυρφώνες, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια ενοποιημένη θεωρία της «φυσικής των τυρφώνων» που μπορεί να εφαρμοστεί σε όλο τον κόσμο.

Αυτή η εναέρια άποψη του βάλτου Viru 3.000 ετών στην Εσθονία δείχνει το βασικό χαρακτηριστικό ενός τύρφη:έναν υγρό θόλο από τύρφη που καλύπτει μια πρώην λίμνη και είναι αρκετά ισχυρός για να υποστηρίξει δέντρα και θάμνους.

Jaanus Jagomägi

Εισαγωγή

Μια επίσκεψη σε έναν τύρφη θα σας κάνει να ξανασκεφτείτε όλα όσα γνωρίζετε για την επιφάνεια του πλανήτη μας. Ένας βάλτος είναι γη, κάπως, αλλά όχι με την έννοια του στερεού εδάφους που έχετε συνηθίσει. Αν προσπαθήσετε να περπατήσετε στην επιφάνεια κάποιου, μπορεί να νιώσετε την μαλακή οργανική λάσπη που είναι γνωστή ως τύρφη να κυματίζει από κάτω σας — ή μπορεί να βυθιστείτε μέσα σας. Από την επιφάνεια, είναι δύσκολο να γνωρίζουμε εάν η πνιγμένη τύρφη εκτείνεται σε βάθος 3 πόδια ή 30.

Αυτά τα παράξενα, μουσκεμένα μέρη έχουν υβριστεί ιστορικά και πολλά έχουν αποξηρανθεί έτσι ώστε οι άνθρωποι να μπορούν να χτίζουν ή να καλλιεργούν τη γη. Στην εποχή της κλιματικής αλλαγής, ωστόσο, αποκτούν νέα φήμη:οι τυρφώνες είναι από τους πιο αποτελεσματικούς τρόπους της φύσης για την αποθήκευση άνθρακα και την απομάκρυνση του από την ατμόσφαιρα. Για να διασφαλίσουν ότι παραμένει εκεί, οι επιστήμονες έχουν αναζητήσει εδώ και καιρό έναν τρόπο να υπολογίσουν πόση τύρφη και άνθρακα αποθηκεύουν.

Μια πρόσφατη μελέτη μπορεί να δώσει την απάντηση. Στα τέλη του περασμένου έτους στη Φύση , οι επιστήμονες ανέφεραν ένα μαθηματικό μοντέλο που λένε ότι μπορεί να υπολογίσει το σχήμα οποιουδήποτε τύρφη στη Γη χρησιμοποιώντας ένα απλό σύνολο μετρήσεων. Το μοντέλο, εάν λειτουργεί όπως διαφημίζεται, θα μπορούσε να διευκολύνει την καταμέτρηση του άνθρακα σε έναν βάλτο — ένα κρίσιμο βήμα για τον προσδιορισμό της συμβολής ενός συγκεκριμένου βάλτου στη μείωση της κλιματικής αλλαγής.

Ο Shawn Lum, οικολόγος στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang στη Σιγκαπούρη, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα, χαιρέτισε την εργασία ως σημαντική ανακάλυψη, αποκαλώντας την, «το ισοδύναμο τυρφώνων της ειδικής σχετικότητας».

Ο έπαινος του Λουμ είναι αποκαλυπτικός. Για δεκαετίες, οι βιολόγοι λαχταρούσαν για εξισώσεις στο καλούπι του E =mc 2 ή ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα — απλοί, σαρωτικοί μαθηματικοί κανόνες που ενώνουν βασίλεια γνώσης και παρέχουν βαθιές γνώσεις για την κρυμμένη τάξη που διέπει τον κόσμο μας. Ενώ τέτοιοι νόμοι που καλύπτουν τα πάντα έχουν οδηγήσει εδώ και πολύ καιρό στην πρόοδο στη φυσική, τα ισοδύναμα της βιοεπιστήμης τους έχουν αποδειχτεί άπιαστα. Τώρα, προφανώς, έχει βρεθεί κάποια ενότητα μεταξύ των τυρφώνων του κόσμου.

Οι τυρφώνες δύσκολα φαίνονται σαν τα είδη τακτοποιημένων θέσεων που θα έδιναν γενικούς νόμους. Αυτά τα φτωχά σε θρεπτικά συστατικά οικοσυστήματα, που τροφοδοτούνται αποκλειστικά από το νερό της βροχής, σχηματίζονται όταν τα νεκρά φυτά παγιδεύονται σε υγρά περιβάλλοντα που δεν έχουν οξυγόνο και επομένως είναι αφιλόξενα για τα μικρόβια που μπορεί να αφομοιώσουν τους νεκρούς ιστούς. Η νεκρή βλάστηση συσσωρεύεται για εκατοντάδες ή χιλιάδες χρόνια, σχηματίζοντας φαρδιούς, ήπια κεκλιμένους θόλους που μπορούν να υψωθούν δεκάδες πόδια πάνω από τη γύρω περιοχή.

Merrill Sherman/Quanta Magazine;
Πηγή:Irish Peatland Conservation Council

Οι τύρφηδες βρίσκονται σε όλο τον κόσμο. Σε κρύες τοποθεσίες υψηλού γεωγραφικού πλάτους όπως ο Καναδάς και η Ρωσία, συχνά καλύπτονται με βρύα σφάγνου. Στις θερμότερες τροπικές περιοχές, τείνουν να είναι βαλτώδη δάση με δέντρα ύψους έως 200 πόδια. Συνολικά, οι τυρφώνες και οι άλλες τυρφώνες καταλαμβάνουν περίπου το 3% της γης της Γης. Ωστόσο, καταφέρνουν να συσκευάσουν διπλάσιο άνθρακα από όλα τα δέντρα του πλανήτη. Εάν αυτός ο άνθρακας απελευθερωνόταν, το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας θα διπλασιαζόταν, με δυνητικά καταστροφικές συνέπειες για τον άνθρωπο και πολλά άλλα είδη.

Πολλοί επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η προστασία των τυρφώνων και η αποκατάσταση τυρφώνων που είχαν αποξηρανθεί προηγουμένως θα μπορούσαν να είναι εύκολοι αλλά ισχυροί τρόποι για την επιβράδυνση της κλιματικής αλλαγής. Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα:η αποστράγγιση τύρφης είναι συχνά πολύ επικερδής. Ήδη, περίπου το 15% των γνωστών τυρφώνων έχουν καταστραφεί, κυρίως για τη δημιουργία γεωργικών εκτάσεων. Για να σταματήσει η αιμορραγία, οι υποστηρικτές έχουν προτείνει τις χώρες που πληρώνουν για να διατηρήσουν αδιατάρακτους τυρφώνες. Ωστόσο, για να διασφαλίσουν τέτοιες πληρωμές για να βοηθήσουν το κλίμα, οι επιστήμονες χρειάζονται έναν τρόπο να ποσοτικοποιήσουν με ακρίβεια τον δεσμευμένο άνθρακα.

Αυτή η ανάγκη έστειλε τον Charles Harvey, καθηγητή Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, σε αναζήτηση μιας εξίσωσης που θα μπορούσε να προβλέψει το σχήμα οποιουδήποτε τύρφη και επομένως την ποσότητα άνθρακα που περιέχει. Προηγούμενες ερευνητικές ομάδες είχαν προσπαθήσει να μοντελοποιήσουν μαθηματικά τα έλη, είπε ο Χάρβεϊ, αλλά τα μοντέλα τους έτειναν να είναι μη ρεαλιστικά απλά.

Ο Τσαρλς Χάρβεϊ του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και η ομάδα του μελέτησαν εντατικά τον θόλο από τύρφη Mendaram στο Μπρουνέι για να αναπτύξουν τα μαθηματικά τους. «Είναι πολύ τρελό που έχετε αυτό το εντελώς αδιαπέραστο, τρομερό, δυσκολοδιάβατο, περίπλοκο δάσος και περιγράφεται με μια απλή εξίσωση», είπε.

Ευγενική προσφορά του Charles Harvey

Η ομάδα του πέρασε περισσότερα από 15 χρόνια ερευνώντας τον τροπικό θόλο τύρφης Mendaram στο Μπρουνέι. Οι ερευνητές επέλεξαν αυτόν τον βάλτο επειδή, σε αντίθεση με τους περισσότερους στην περιοχή, είναι «πραγματικά παρθένος», είπε ο Χάρβεϊ. "Από όσο γνωρίζουμε, κανένας άλλος άνθρωπος δεν έχει πάει ποτέ εκεί."

Η μέτρησή του αποδείχθηκε δύσκολη. Η τύρφη μπορεί να έχει βάθος μέτρων και δύσκολη στην πλοήγηση. «Είναι πραγματικά δύσκολο να κυκλοφορείς στο δάσος τύρφης», είπε ο Χάρβεϊ. "Δεν υπάρχει στέρεο έδαφος. Υπάρχουν μεγάλα κενά στην τύρφη, οπότε αν δεν είστε ισορροπημένοι σε ένα κούτσουρο ή σε ρίζες ή κάτι τέτοιο, απλά τρυπάτε στο έδαφος", καταλήγοντας ενδεχομένως να βυθιστείτε μέχρι τη μέση - ή χειρότερα - σε βρωμιά.

Για να βρουν τάξη μέσα στο χαοτικό τοπίο, οι ερευνητές μέτρησαν τον υδροφόρο ορίζοντα, που είναι το υψόμετρο στο οποίο το έδαφος γίνεται κορεσμένο με νερό. Παρατήρησαν ότι ανεξάρτητα από το ποια φυτά φύτρωναν ή πόσα υπολείμματα είχαν συσσωρευτεί στην τύρφη, ο υδροφόρος ορίζοντας βρισκόταν σχεδόν πάντα κοντά στην επιφάνεια του βάλτου. Εάν ο υδροφόρος ορίζοντας έπεφτε, ίσως λόγω του ότι το νερό ρέει πιο γρήγορα από ό,τι η βροχή μπορούσε να τον αναπληρώσει, λίγη τύρφη εκτέθηκε στον αέρα και αποσυντέθηκε έως ότου η επιφάνεια του βάλτου βυθίστηκε στο νέο επίπεδο. Εάν ο υδροφόρος ορίζοντας ανέβαινε, όπως κατά τη διάρκεια μιας περιόδου έντονων βροχοπτώσεων, η τύρφη συσσωρεύτηκε μέχρι να φτάσει.

Το σχήμα του βάλτου φαινόταν να διέπεται ουσιαστικά από τη φυσική του υδροφόρου ορίζοντα. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να μοντελοποιήσουν μαθηματικά το σχήμα του βάλτου λύνοντας μια ευρέως χρησιμοποιούμενη εξίσωση που ονομάστηκε για τον μαθηματικό του 19ου αιώνα Siméon-Denis Poisson, η οποία τους επέτρεπε να προσεγγίσουν το βάθος ενός βάλτου, δεδομένου μόνο του σχήματος του ορίου του.

Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν μετρήσεις του ύψους του θόλου τύρφης που ελήφθησαν κατά μήκος μιας ενιαίας γραμμής, ή διατομής, για να προσαρμόσουν το μοντέλο για τις συγκεκριμένες ιδιότητες του βάλτου - μια διόρθωση που ονόμασαν λειτουργία τέλματος. Για τον βάλτο Mendaram, έλαβαν αυτές τις μετρήσεις χρησιμοποιώντας lidar, μια τεχνολογία παρόμοια με ραντάρ που μετρά πόσο χρόνο χρειάζεται το φως λέιζερ για να ταξιδέψει από ένα αεροπλάνο ή έναν δορυφόρο στην επιφάνεια της Γης και να επιστρέψει σε έναν ανιχνευτή.

Ενώ προηγούμενες μελέτες είχαν προτείνει απλούστερα μοντέλα για το σχήμα του βάλτου, δεν μπορούσαν να λάβουν υπόψη περιβαλλοντικές μεταβλητές όπως η βροχόπτωση και η δυναμική της ροής του νερού από την τύρφη, είπε ο Harvey.

Χρειάστηκαν 15 χρόνια για την ομάδα PeatFlux του Charles Harvey (ορισμένα μέλη απεικονίζονται εδώ) για να χαρτογραφήσει πλήρως τον βάλτο Mendaram. Η εργασία ήταν επίπονη και βρώμικη επειδή το τυρφώδες έδαφος είναι κορεσμένο από τον υδροφόρο ορίζοντα.

Ευγενική προσφορά του Charles Harvey

Οι ερευνητές γνώριζαν ότι το μοντέλο μπορούσε να προβλέψει το σχήμα του τροπικού θόλου από τύρφη στο Μπρουνέι. Θα ίσχυε όμως και για άλλους βάλτους; Για να το δοκιμάσουν, προσπάθησαν να προβλέψουν τα σχήματα επτά άλλων τυρφώνων σε βόρειες και εύκρατες περιοχές για τις οποίες είχαν ήδη ληφθεί διατομές lidar. Το μοντέλο απέδωσε ακόμη καλύτερα από ό,τι είχε για τον βάλτο Mendaram, με σφάλματα μικρότερα από 6% σε σύγκριση με τις πραγματικές μετρήσεις. Αυτό ξεσήκωσε τους επιστήμονες.

«Είναι πολύ τρελό που έχεις αυτό το εντελώς αδιαπέραστο, τρομερό, δύσκολο να περάσεις, πολύπλοκο δάσος και περιγράφεται από μια απλή εξίσωση», είπε ο Χάρβεϊ. "Δεν θα πίστευα ότι θα λειτουργούσε επίσης."

Ο Lum, ο οικολόγος του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Nanyang, συμφώνησε. "Αυτό που βρήκα όμορφο και εκπληκτικό είναι ότι ανεξάρτητα από τη βλάστηση που αναπτύσσεται στον τύρφη, η εναπόθεση και η δημιουργία του θόλου της τύρφης είναι προβλέψιμη", είπε.

Πηγές:ESRI; Grid Arendal (Levi Westerveld)

Η μοντελοποίηση τύρφης περνάει λίγο. Πολλές ομάδες εργάζονται για να περιγράψουν μαθηματικά αυτά τα οικοσυστήματα, συμπεριλαμβανομένης μιας προσπάθειας από το Πανεπιστήμιο του Λιντς που ονομάζεται DigiBog, η οποία προσομοιώνει τη συσσώρευση τύρφης για δεκαετίες ή αιώνες και τη δυναμική του υδροφόρου ορίζοντα σε ημέρες ή εβδομάδες.

«Η τύρφη παρέχει ένα ελεγχόμενο πλαίσιο για έννοιες που βρίσκονται τώρα στην πρώτη γραμμή των εφαρμοσμένων μαθηματικών και της φυσικής της μαλακής ύλης», δήλωσε ο David Large, γεωλόγος στο Πανεπιστήμιο του Nottingham.

Σε μια προεκτύπωση υπό αξιολόγηση από ομοτίμους στο Earth System Dynamics , ο Large και οι συνεργάτες του ανέφεραν ένα τρίτο μοντέλο βάλτου που επιχειρεί να συλλάβει όχι μόνο την υδρολογία αλλά και τις μηχανικές ιδιότητες της τύρφης ως υλικού, όπως το πόσο εύκολα παραμορφώνεται. Τέτοιες ιδιότητες μπορούν να καθορίσουν πόσο εύκολα ένας βάλτος μπορεί να αναπηδήσει από ξηρασία ή άλλο καταστροφικό γεγονός, είπε ο Large.

Το Large αποκάλεσε τη μελέτη του Harvey «ένα εξαιρετικό χαρτί», ειδικά για την εκτίμηση του όγκου των μεγάλων τυρφώνων. Ωστόσο, σημείωσε ότι αγνοεί την τοπογραφία της γης κάτω από έναν βάλτο, κάτι που θα μπορούσε να είναι ένα ζήτημα σε περιοχές με πολύπλοκη τοπογραφία, όπως σε μεγάλο μέρος του Ηνωμένου Βασιλείου. "Υπάρχει σίγουρα ένα όριο σε αυτό που μπορούν να κάνουν", είπε ο Large.

Ο Χάρβεϊ λέει ότι η υποκείμενη τοπογραφία έχει μικρή επίδραση στο τελικό σχήμα ενός τυρφώνου. Η ομάδα του εφαρμόζει τώρα το μοντέλο της στις αχανείς και ουσιαστικά μη μελετημένες τυρφώνες της κεντρικής Αφρικής και του Αμαζονίου, οι οποίες έχουν περιγραφεί ως πιθανές «κλιματικές βόμβες» επειδή περιέχουν τόσο πολύ άνθρακα. Οι περιβαλλοντολόγοι ελπίζουν ότι οι πληρωμές μπορούν να πείσουν τις χώρες σε αυτές τις περιοχές να προστατεύσουν την τύρφη τους. Ο Χάρβεϊ λέει ότι το μοντέλο της ομάδας του μπορεί να βοηθήσει ποσοτικοποιώντας ακριβώς πόση ποσότητα άνθρακα θα χανόταν εάν αποστραγγιζόταν ή διοχετευόταν ένας συγκεκριμένος βάλτος.

Το εάν οποιοδήποτε μοντέλο τύρφης θα κερδίσει το είδος της ευρείας αποδοχής που παρέχεται σε φυσικές θεωρίες όπως η σχετικότητα, μένει να φανεί. Αλλά ακόμα κι αν δεν το κάνουν, οι πρακτικές τους εφαρμογές θα μπορούσαν να είναι βαθιές, είπε ο Lum. "Αποθέματα άνθρακα, πράσινη χρηματοδότηση, αντιστάθμιση άνθρακα, στρατηγικές σχεδιασμού… όλα αυτά γίνονται δυνατά και πολύ πιο εύκολα χάρη σε αυτή τη δουλειά."

Επόμενο άρθρο

Το S-Matrix είναι η Oracle Physicists που απευθύνονται σε περιόδους κρίσης