Wildfires offset the increasing but spatially heterogeneous Arctic–boreal CO2 uptake
Virkkala, Anna-Maria et al. [2025], "Wildfires offset the increasing but spatially heterogeneous Arctic–boreal CO2 uptake", Nature Climate Change, (15): 188–195, https://doi.org/10.1038/s41558-024-02234-5
Virkkala, Anna-Maria es investigadora postdoctoral en el Woods Hole Research Center, donde se especializa en el ciclo del carbono en el Ártico, la ecología y el escalamiento estadístico.
Las reservas de carbono que se encuentran en el suelo de la Zona Ártica Boreal (ZAB) están siendo afectadas por el aumento de la temperatura y es preocupante, ya que la ZAB es un sumidero de CO2 de gran importancia (datos cruciales 1 y 2); sin embargo, a causa de los incendios forestales y el cambio en la dinámica de carbono, se produce una gran cantidad de CO2, por lo que esta zona deja de tener relevancia al momento de capturar emisiones contaminantes (datos cruciales 3 y 4).
Modelar el intercambio neto de CO2 del ecosistema terrestre (NEE por su sigla en inglés) requiere de estudios más comprehensivos tomando en cuenta la dinámica biogeofísica y falta de mediciones en el campo. Los modelos existentes tienen una discrepancia entre sí, existen algunos que afirman que la región es un gran sumidero, mientras que otros mencionan que se ha convertido en un sumidero moderado (dato crucial 5).
Un aumento de CO2 en la atmósfera significa que los efectos del cambio climático se intensificarán.
Aún no existe una relación en base al aumento de la vegetación de la región y sus consecuencias al balance de CO2 anual. Ahora bien, parte de la absorción de CO2 en la ZAB se ve contrarrestada tanto por el aumento de las emisiones generadas por la respiración de la vegetación, como por las perturbaciones como el deshielo abrupto, las sequías y los incendios.
La evidencia sobre el balance de CO2 en la región se ve limitada por varios factores, pues los modelos omiten las emisiones de los incendios y la dinámica interanual, los datos se encuentran en un corto periodo de tiempo y la perspectiva regional es limitada, lo que dificulta la comprensión total de los patrones en los flujos de CO2.
El estudio abarca datos de flujo de CO2 de la zona, incluyendo fotosíntesis terrestre mensual (GPP por su sigla en inglés; es la cantidad de CO2 absorbido por la vegetación a través de la fotosíntesis), respiración del ecosistema (Reco por su sigla en inglés; CO2 emitido por la respiración de vegetación, microorganismos y suelo) y datos del ecosistema terrestre (NEE, balance neto entre la absorción, GPP y la emisión, Reco) de 200 sitios de covarianza de remolinos terrestres y cámaras de flujo (4 897 sitios-meses) (dato crucial 6).
Utilizando el conjunto de datos empleado en modelos acerca del flujo de CO2 y conociendo que la absorción neta anual de CO2 está aumentando en las regiones sin permafrost, se incorporaron las observaciones de flujo con datos meteorológicos, de teledetección y modelos forestales aleatorios para estimar el balance de CO2 de la región.
Un aumento de escala temporal fue de gran utilidad, un periodo de 2001 al 2020 (resolución de 1 km) y de 1990 al 2016 (resolución de 8 km).
Se evaluaron los patrones y tendencias de manera regional y estacional de los flujos de CO2 en los ecosistemas de la zona, incluyendo las emisiones de incendios anuales, esto con ayuda de modelos de aprendizaje automático en donde el algoritmo en base a los datos proporcionados permitió descubrir patrones y tendencias (datos cruciales 7 y 8).
Presupuestos de CO2 en la zona del Ártico boreal
Se identificó que en promedio, el círculo polar tundra fue neutro en emisiones, sin tener en cuenta las emisiones de incendios (dato crucial 9).
Se mostró la importancia de la zona boreal como sumidero de carbono (dato crucial 10). Al incluir las emisiones de incendios, los balances de CO2 cambian radicalmente, un ejemplo sería la región de permafrost que pasó de ser uno de los principales sumideros a volverse neutral (datos cruciales 11 y 12).
La ZAB en conjunto ah sido un sumidero neto de CO2 entre 2001 y 2020, sin embargo, varias partes del área fueron fuentes de CO2; se trata de aquellas clasificadas de bajas temperaturas y bajos índices de vegetación. Zonas como Alaska, el norte de Europa, Canadá y Siberia, se presentaron como fuentes de CO2, estas emisiones se presentan en temporadas diferentes al verano.
Por lo tanto, los incendios, la fotosíntesis (GPP) y la respiración del ecosistema (Reco) afectan al balance neto del carbono en la ZAB y en los suelos con permafrost (dato crucial 13).
Comparación del desempeño de modelos
Existe una correlación moderada de los resultados de NEE mejorados con un conjunto de estimaciones sobre inversiones atmosféricas (modelo matemático y estadístico que se utiliza para estimar fuentes y sumideros de CO2; la inversión atmosférica refiere la presencia de capas de la atmósfera donde la temperatura aumenta con la altura, dando lugar a que múltiples altitudes tengan la misma temperatura).
Cuando se utilizan modelos a gran escala, las inversiones atmosféricas logran capturar tendencias generales del carbono aunque tienden a subestimar la absorción en comparación con las estimaciones derivadas de fuentes locales de CO2 (dato crucial 14).
Tendencias temporales en los presupuestos ampliados de CO2 de la ZAB
La ZAB aumenta su captura de CO2 principalmente por el aumento de la fotosíntesis (GPP). Cuando se incluyen las emisiones por incendios, la tendencia de aumento dejó de ser significativa, pues solo una pequeña parte de la región de permafrost aumenta la captura (dato crucial 15).
En el marco de los presupuestos ampliados de CO2 que proponen los autores, la mayoría del aumento neto anual de CO2 se debe al incremento en la respiración (Reco) en el norte de Europa o Canadá, debido a los bosques perennes con climas húmedos y moderadamente húmedos; en zonas de Alaska y el Norte de Siberia se encontraron emisiones de CO2 debido al deshielo del permafrost; así como en la Bahía de Hudson y las tierras bajas de Siberia, que cuentan con humedales y altas reservas de carbono orgánico en el suelo.
Durante los meses de verano se intensificó el aumento de la captura por la fotosíntesis, y durante los meses no estivales predominaron las emisiones netas por la respiración (dato crucial 16).
En promedio, ambos biomas, el boreal y la tundra, aumentaron la absorción en julio (dato crucial 17), mientras que el aumento de las emisiones ocurrió en otoño o invierno sin tener un pico claro.
Factores que impulsan los flujos de CO2 de la Zona Ártica Boreal.
La creciente captura de CO2 se justifica por las variables en la temperatura del suelo, la cubierta de nieve y el déficit de presión de vapor.
Las grandes incertidumbres generaron que el contenido de volumen de agua en el suelo no fuera relevante. Aunque los muestreos in situ han demostrado que los suelos más secos se relacionan con mayores emisiones de CO2 .
No existe una relación lineal de aumento en la vegetación a un aumento de los sumideros netos de CO2 (dato crucial 18).
Patrones continentales y regionales en los presupuestos de CO2 y sus tendencias
La tendencia de absorción neta fue más relevante en Euroasia que en América del Norte; las diferencias continentales se pronunciaron más cuando se agregaron las emisiones de CO2 debido a los incendios (datos cruciales 19 y 20).
Alaska es contribuyente importante al sumidero de CO2 más débil de América del Norte, muchos de los cambios ocasionados en Alaska se derivan del deshielo del permafrost.
Discusión
Los resultados muestran que en promedio la ZAB sigue funcionando como un gran sumidero terrestre de CO2 y su capacidad de absorción continua en aumento. Esto se debe a que el incremento de la fotosíntesis supera las emisiones en conjunto de la respiración y las emisiones por los incendios forestales, lo que representa que hay una retroalimentación negativa importante para el calentamiento global.
Sin embargo, en ciertas regiones de la ZAB, las emisiones de CO2 estaban por encima de la captura, en particular en los años recientes.
Para obtener presupuestos de CO2 más precisos se necesita tener una mejor compresión de la hidrología y la humedad en el suelo.
Muchas zonas de tundra podrían estar cambiando su papel en el balance de CO2 para convertirse en una fuente de emisiones. Los principales impulsores de este patrón se ven relacionados al deshielo del permafrost, así como el calentamiento de los suelos.
Las tendencias de sumideros crecientes en la tundra siberiana fueron las más fuertes de toda la región. Esto se debe al reverdecimiento de la zona que surge por la absorción de carbono, ya que disminuye la capa de nieve de primavera, aumenta el crecimiento y la distribución de los árboles, la región tiene una rápida recuperación de los ecosistemas después de un incendio.
Aunque sigue existiendo dispersión en el modelo de inversión, la red de medición dispersa y las incertidumbres, ocasionan que siga siendo difícil tener la magnitud del presupuesto de CO2.
Al modelarse los flujos de CO2, se encuentran vacíos de caracterización por perturbaciones tales como los incendios, las cosechas y termokarst*.
Nuevos sitios de muestreo y su mantenimiento a largo plazo es crucial para rastrear con precisión las tendencias en el balance de CO2.
* Es una superficie de terreno caracterizada por superficies muy irregulares de hondonadas pantanosas y pequeñas colinas formadas debido al deshielo de permafrost rico en hielo, que ocurre en zonas árticas y en menor escala en zonas montañosas como el Himalaya o los Alpes Suizos
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1) Entre 2001 y hasta 2020, la ZAB fue un sumidero de CO2 terrestre.
2) La ZAB tuvo un valor medio de intercambio neto de carbono de -548± 140 Tera gramos(Tg) de carbono por año (capturando CO2), con una tendencia de absorción de -14 Teragramos de carbono por año
3) Más de 30% de la región fue una fuente neta de CO2.
4) Contando las recientes emisiones de carbono -319 ± 140 teragramos de carbono por año (capturando CO2) con una tendencia de absorción de -9teragramos de carbono por año
5) Los modelos que mencionan que es un gran sumidero hablan de -1 800 Teragramos de carbono al año absorbido; mientras que una absorción moderada es de 600 Teragrammos de carbono al año.
6) Conjunto de datos 4 veces más grande que investigaciones pasadas.
7) Tabla 1. Valores promedio del flujo de CO2 en la Zona Ártico Boreal.
En la tabla se observan los flujos y balances promedio de la fotosíntesis terrestre mensual (GPP), la respiración del ecosistema (Reco) y datos del ecosistema terrestre (NEE), agregando los incendios durante 2001-2020. Los valores positivos de NEE indican pérdida neta de CO2 hacia la atmósfera, mientras que valores negativos indican captura neta de CO2 por parte del ecosistema.
8) Figura1. Variabilidad espacial en la Zona Ártico Boreal de los flujos de CO2.
En el mapa se muestra que el inciso a) se refiere al intercambio neto del ecosistema anual promedio que representa la diferencia neta entre el CO2 que es absorbido por la fotosíntesis (GPP) y el CO2 que se emite por la respiración (Reco). Mientras que en el inciso b) las tendencias anuales de NEE son representadas. Las primeras imágenes tituladas como “In situ” refieren a datos tomados en el lugar. Las segundas imágenes tituladas “upscaling” son mediciones locales que se extrapolan para estimar valores en escalas más grandes. Las imágenes que se encuentran como “Inversión” hace referencia estimaciones por concentraciones medidas en la atmósfera. Las últimas imágenes hacen referencia a los modelos CMIP6 donde incluyen modelos acoplados de clima y biogeoquímica.
7) NEE in situ, −4 ± 44 g C m −2 año −1 ; NEE ampliada, 7 ± 3 g C m −2 año −1 ; presupuesto ampliado, 45 ± 53 Tg C año −1.
8) NEE in situ, −42 ± 82 g C m-2 año-1; NEE ampliada, −43 ± 7 g C m-2 año-1 ; presupuesto ampliado, −593 ± 101 Tg C año-1
9) La cantidad de emisiones de incendios promedio es de en promedio 237 Tg C año −1
10) NEE, −249 ± 123 Tg C año −1 , NEE + fuego, −24 ± 123 Tg C año −1.
11) 34% del área de ZAB y 41% de la zona con permafrost.
12) Porcentajes de la zona que emiten CO2 respectivamente. 44%, 25%, 19%, 13%.
13) Figura 2. Balance en las tendencias de CO2.
En los paneles a y b se muestran los presupuestos de CO2 terrestre (NEE) para 1 km y 8 km, así como (NEE) agregando las emisiones por incendios para la ZAB (panel a) y la zona con permafrost (panel b). En el panel c el mapa es una superposición de las tendencias de NEE, GPP y Reco. En el último panel se observan las áreas quemadas por los incendios forestales, generando emisiones de CO2.
14) Correlación de Pearson 0,5; P < 0,001. Esta correlación es "una medida estadística que cuantifica la fuerza y dirección de la relación lineal entre dos variables continuas, variando de -1 (correlación negativa perfecta) a +1 (correlación positiva perfecta), con 0 indicando ausencia de relación lineal. En este caso, la medida se sitúa en la mitad de la correlación.
15) Tan solo 23% de la región mostró un aumento significativo en la captura de CO2.
16) Figura 3. Cambios estacionales en la dinámica del flujo de CO2.
Las figuras muestran los promedios mensuales escalados de NEE, GPP y Reco en las zonas boreales y tundras, mencionando que un NEE negativo es captura de CO2 y NEE positivo es su liberación.
17) Aumento promedio de −5 g C por m² al mes en el boreal y −3 g C por m² al mes en la tundra en 2011-2020 en comparación con 2001-2010.
18) 49% de la región experimentó un reverdecimiento de junio a agosto y de esos pixeles solo 12% mostraron una tendencia anual creciente de absorción neta de CO2.
19) El aumento de la absorción fue de -11 TG C año en Euroasia y en América del Norte de -3 Tg C año.
20) Figura 4. Variabilidad regional en las tendencias del presupuesto de CO2.
Muestra los presupuestos terrestres de CO2 en la zona boreal (a) y en la zona tundra (b), permite comparar la captura neta de CO2 con incendios y sin los mismos.
El artículo menciona que el balance de CO2, está teniendo grandes cambios y es difícil de cuantificarlos y predecirlos, esto por las diversas variabilidades que se encuentran en la región ártica, que se involucran a la captura o la emisión de CO2.
Este tipo de investigaciones están tomando mayor relevancia pues el exceso de CO2 en la atmósfera requiere saber dónde están las fuentes o los sumideros del componente.
La modelación de estos balances en las diferentes regiones ayuda a identificar las causas por las que se emite CO2 cuando anteriormente no se emitía.
Este desbalance afecta al medio ambiente pues es un gas de efecto invernadero, lo que genera que el cambio climático se incremente.
Cuando existe un reverdecimiento de las zonas, significa que habrá un aumento de CO2 en la atmósfera, ya en esas regiones se quedarían en balance neutral de CO2, pero el mundo se vería afectado pues perdería los grandes sumideros de CO2.
Estos estudios ayudan a conocer mejor las tendencias y contratendencias de la destrucción del ambiente. Quedan interrogantes cruciales por resolver como es la velocidad actual y previsible de los procesos de derretimiento de la criósfera, emisión y captura de carbono.
