آزمایش چند دهه‌ای نشان می‌دهد که گرمایش، کربن «پایدار» خاک را آزاد می‌کند و حلقه بازخورد اقلیمی جدیدی را تهدید می‌کند

زیر درختان بلوط و افرا در مرکز ماساچوست، شبکه‌ای زیرزمینی از کابل‌های گرمایشی به مدت ۳۷ سال بی‌سروصدا در حال کار بوده است. این قطعه جنگلی ۱۶۰۰ هکتاری میزبان طولانی‌ترین آزمایش گرمایش خاک در جهان است که برای شبیه‌سازی اثرات بلندمدت تغییرات اقلیمی بر اکوسیستم‌های جنگلی طراحی شده است. در حالی که سطح آن یک جنگل معتدل معمولی به نظر می‌رسد، خاک زیرین به دانشمندان نگاهی بی‌سابقه و در زمان واقعی به آینده زمین تحت گرمایش جهانی پایدار می‌دهد و واکنش‌های بیولوژیکی پیچیده‌ای را ثبت می‌کند که مطالعات کوتاه‌مدت به سادگی قادر به تشخیص آن‌ها نیستند.[2]

برای چندین دهه، این آزمایش نتایج قابل پیش‌بینی را به دست آورد که با مدل‌های استاندارد اکولوژیکی همخوانی داشت. اما با ورود این مطالعه به دهه چهارم خود، محققان شاهد یک تغییر اساسی و نگران‌کننده در شیمی خاک بودند. میکروب‌ها شروع به تجزیه مواد آلی «پایدار» خاک کردند—ذخایر کربنی عمیقی که دانشمندان قبلاً تصور می‌کردند برای همیشه قفل شده‌اند و در برابر تجزیه ناشی از دما بسیار مقاوم هستند. این چرخش بیولوژیکی غیرمنتظره نشان می‌دهد که خزانه‌های طبیعی کربن زمین در برابر گرمای پایدار بسیار آسیب‌پذیرتر از آن چیزی هستند که قبلاً تصور می‌شد.[1]

این یافته‌ها که به طور رسمی در مجله Science of The Total Environment منتشر شده‌اند، یک فرض بنیادی در علم اقلیم جهانی را به چالش می‌کشند. خاک‌های زمین در مجموع حدود ۳۵۰۰ میلیارد تن متریک کربن در خود نگه می‌دارند که بسیار بیشتر از کل جو و تمام حیات گیاهی روی زمین است. اگر حتی کسری از این کربن پایدار توسط افزایش دما بسیج شود، می‌تواند باعث انتشار گسترده دی‌اکسید کربن جدید در جو شود، که اساس محاسبات اهداف اقلیمی جهانی را تغییر داده و سرعت گرمایش سیاره را تسریع می‌کند.[3][4]

جری ملیلو، دانشمند برجسته در آزمایشگاه بیولوژیکی دریایی که از ابتدا بر این پروژه نظارت داشته است، توضیح می‌دهد: «میکروب‌ها اجزای حیاتی اکوسیستم‌های خاک هستند زیرا مواد آلی را تجزیه می‌کنند و عناصر ضروری برای رشد گیاهان را بازیافت می‌کنند. با تغییر شکل این جوامع میکروبی توسط گرمایش، سرعت از دست رفتن کربن از خاک‌ها می‌تواند افزایش یابد.» میکروب‌ها اساساً در طول زمان با محیط گرم‌تر خود سازگار می‌شوند و ابزارهای بیولوژیکی خاصی را که برای مصرف منابع پیچیده‌ای که قبلاً کاملاً برایشان غیرقابل دسترس بودند، تکامل می‌دهند.[2]

طراحی این آزمایش به طرز شگفت‌انگیزی ساده است، اما حفظ آن در طول چندین دهه طاقت‌فرسا است. از اواخر دهه ۱۹۸۰، محققان دمای بخش‌های خاصی از کف جنگل را دقیقاً ۵ درجه سانتی‌گراد بالاتر از دمای محیط اطراف نگه داشته‌اند. این گرمایش مصنوعی به طور مداوم در طول سال، از زمستان‌های یخبندان نیوانگلند تا موج‌های گرمای مرطوب تابستان، حفظ می‌شود. با خاموش نکردن کابل‌ها، تیم اطمینان حاصل می‌کند که اکوسیستم خاک یک تنش حرارتی ثابت و بدون وقفه را تجربه می‌کند که به طور دقیق ماهیت بی‌امان و فزاینده تغییرات اقلیمی جهانی را تقلید می‌کند.[2][4]

هنگامی که تیم علمی افزایش پنج درجه‌ای را چندین دهه پیش انتخاب کرد، این میزان نشان‌دهنده حداکثر دامنه پیش‌بینی‌های گرمایش جهانی بود، یک سناریوی بدترین حالت که برای به چالش کشیدن اکوسیستم تا حد نهایی طراحی شده بود. امروزه، با دمای متوسط جهانی که در حال حاضر ۱.۱ تا ۱.۴ درجه سانسیوس بالاتر از سطح پیش از دوران صنعتی است، آن سناریوی پنج درجه‌ای یک مسیر بسیار واقع‌بینانه را نشان می‌دهد، در صورتی که انتشار گازهای گلخانه‌ای به شدت مهار نشود. آنچه زمانی یک شبیه‌سازی رادیکال تلقی می‌شد، به طور پیوسته به پیش‌نمایشی بسیار محتمل از اواخر قرن ۲۱ تبدیل شده است و داده‌ها را بیش از هر زمان دیگری مرتبط می‌سازد.[2][3]

برای درک کامل اهمیت این کشف جدید، باید نحوه ذخیره کربن در خاک را در وهله اول فهمید. کربن خاک به طور کلی به دو بخش مجزا تقسیم می‌شود: یک بخش «فعال» از مواد قابل تجزیه آسان مانند بقایای تازه برگ‌ها و ریشه‌های مرده، و یک بخش «پایدار» از مولکول‌های آلی پیچیده که محکم به مواد معدنی خاک متصل شده‌اند. بخش فعال به سرعت چرخه می‌کند زیرا میکروب‌های سطحی آن را هضم می‌کنند، در حالی که تصور می‌شد بخش پایدار عمیق برای قرن‌ها یا حتی هزاره‌ها به طور ایمن در زیر زمین ذخیره می‌ماند و در برابر نوسانات دمای سطح مصون است.[1][5]

در سال‌های اولیه آزمایش جنگل هاروارد، بخش‌های گرم شده با مصرف سریع کربن فعال قابل دسترس توسط میکروب‌ها، حجم عظیمی از دی‌اکسید کربن آزاد کردند. پس از چند سال، نرخ این انتشار به طور قابل توجهی کاهش یافت و تثبیت شد، که بسیاری از دانشمندان را به این نتیجه رساند که کربن پایدار باقی‌مانده، صرف نظر از دما، از تجزیه میکروبی در امان است. این تثبیت ظاهری به مدل‌سازان اقلیمی اطمینان داد که بخش عمده کربن خاک زمین با وجود گرمایش جهانی مداوم، برای همیشه قفل خواهد ماند.[5]

با این حال، داده‌های طولی بی‌سابقه ۳۷ ساله نشان می‌دهد که این وقفه کاملاً موقتی بوده است. در دهه چهارم گرمایش مداوم، جامعه میکروبی اساساً خود را بازسازی کرد. جمعیت‌های میکروبی تازه تکامل‌یافته، ابزارهای بیولوژیکی و آنزیم‌های خاص لازم برای هضم کربن پایدار و مرتبط با مواد معدنی را که پیشینیانشان به سادگی قادر به پردازش آن نبودند، توسعه دادند. این سازگاری بیولوژیکی تأخیری عملاً قفل این خزانه را باز کرد و موج دوم و بسیار غیرمنتظره‌ای از انتشار کربن از خاک عمیق را آغاز کرد که امروزه نیز در حال شتاب گرفتن است.[1][2]

این واکنش تأخیری بر اهمیت حیاتی نظارت اکولوژیکی چند دهه‌ای تأکید می‌کند. آزمایش‌های کوتاه‌مدت که تنها پنج یا ده سال به طول انجامیدند، این فاز ثانویه تجزیه را کاملاً از دست دادند و منجر به یک حس امنیت کاذب در مورد پایداری مخازن کربن خاک شدند. با حفظ کابل‌های گرمایشی برای نزدیک به چهل سال، تیم جنگل هاروارد به یک نقطه اوج بیولوژیکی با حرکت آهسته دست یافت که چرخه‌های تأمین مالی کوتاه‌تر و مطالعات آکادمیک مختصر از نظر ساختاری قادر به مشاهده آن نیستند و ثابت می‌کند که اکوسیستم‌ها در بازه‌های زمانی بسیار طولانی‌تر از دوره‌های معمول تحقیقات انسانی عمل می‌کنند.[5]

تجزیه این کربن پایدار به یک حلقه بازخورد اقلیمی بالقوه ویرانگر اشاره دارد. با گرم شدن سیاره، خاک‌های جنگلی کربن بیشتری را در جو آزاد می‌کنند. این دی‌اکسید کربن اضافی گرمای بیشتری را به دام می‌اندازد، که به نوبه خود تجزیه میکروبی کربن بیشتری از خاک را تسریع می‌کند و دما را باز هم بالاتر می‌برد. این یک چرخه خودتقویت‌کننده است که کاملاً مستقل از انتشار سوخت‌های فسیلی توسط انسان عمل می‌کند و متوقف کردن آن پس از کسب شتاب، فوق‌العاده دشوار است و تهدید می‌کند که سیستم اقلیمی را از مرزهای حیاتی سیاره فراتر ببرد.[3][4]

مدل‌های اقلیمی جهانی کنونی، این بی‌ثباتی تأخیری مواد آلی پایدار خاک را در نظر نمی‌گیرند. از آنجا که این مدل‌های پیچیده فرض می‌کنند کربن عمیق خاک به طور ایمن قفل می‌ماند، احتمالاً سرعت و شدت مسیرهای گرمایش آینده را دست کم می‌گیرند. اگر یافته‌های جنگل هاروارد به صورت جهانی تعمیم داده شوند، بودجه کربن باقی‌مانده برای بشریت قبل از عبور از آستانه‌های گرمایش فاجعه‌بار، ممکن است به طور قابل توجهی کوچک‌تر از آن چیزی باشد که سیاست‌گذاران در حال حاضر تصور می‌کنند، که نیازمند بازنگری سریع اهداف اقلیمی بین‌المللی و جدول زمانی کاهش انتشار است.[1][3]

محققان در یافته‌های خود اشاره کردند: «گنجاندن این فرآیند تازه شناسایی شده در مدل‌های اقلیمی باید پیش‌بینی‌های تغییرات اقلیمی آینده را بهبود بخشد و تصویر کامل‌تری از نحوه واکنش چرخه کربن زمین به افزایش دما ارائه دهد.» به‌روزرسانی این مدل‌های پیچیده جهانی نیازمند تلاش محاسباتی عظیم و داده‌های میدانی بیشتر برای تعیین دقیق میزان کربنی است که این مکانیسم میکروبی تازه کشف شده به ازای هر درجه گرمایش آزاد خواهد کرد، تا دانشمندان بتوانند پیش‌بینی‌های خود را برای دهه‌های آینده اصلاح کنند.[3]

این کشف همچنین شک و تردیدهای قابل توجهی را در مورد اثربخشی بلندمدت برخی از راه‌حل‌های مبتنی بر طبیعت برای تغییرات اقلیمی ایجاد می‌کند. بسیاری از برنامه‌های جبران کربن شرکتی به شدت بر این فرض تکیه دارند که کاشت درختان و بهبود سلامت خاک، کربن را به طور دائمی در زیر زمین ذخیره خواهد کرد. اگر گرمایش ذاتاً این مخازن زیرزمینی را بی‌ثبات کند، محاسبات پشت تعهدات جهانی «صفر خالص» ممکن است نیاز به بازنگری اساسی داشته باشد، زیرا جنگل‌های قدیمی ممکن است در نهایت با گرم شدن سیاره، از مخازن کربن قابل اعتماد به منابع فعال کربن تبدیل شوند.[4][5]

عدم قطعیت‌هایی در مورد اینکه این مکانیسم تا چه حد به طور جهانی در بیوم‌های مختلف اعمال می‌شود، باقی مانده است. جنگل هاروارد یک اکوسیستم معتدل خزان‌دار است که با فصول متمایز و انواع خاصی از خاک مشخص می‌شود. هنوز به طور قطعی مشخص نیست که آیا جنگل‌های شمالی وسیع و غنی از کربن قطب شمال یا خاک‌های گرمسیری فقیر از مواد مغذی آمازون، همان تغییر میکروبی دهه چهارم را نشان خواهند داد یا خیر، اگرچه مطالعات کوتاه‌مدت موازی در مناطق دیگر آسیب‌پذیری‌های زمینه‌ای مشابهی را نشان می‌دهند که مستلزم تحقیقات بلندمدت فوری و با بودجه کافی است.[1][5]

در نهایت، محققان تأکید می‌کنند که شدت این حلقه بازخورد همچنان مستقیماً به انتخاب‌های انسانی و فعالیت‌های صنعتی گره خورده است. ملیلو توضیح می‌دهد: «اگر انتشار دی‌اکسید کربن ناشی از سوزاندن سوخت‌های فسیلی را به شدت کاهش دهیم، یا جنگل‌زدایی را کم کنیم، افزایش دمای پیش‌بینی شده کمتر خواهد بود.» با محدود کردن شدید گرمایش کلی سیاره در امروز، بشریت می‌تواند به طور بالقوه دمای جهانی را زیر آستانه حرارتی حیاتی که باعث این فروپاشی میکروبی خاک عمیق می‌شود، نگه دارد و کربن پایدار را به طور ایمن در جایی که به آن تعلق دارد، قفل نگه دارد.[2][3]

آزمایش جنگل هاروارد به عنوان یک یادآوری تلخ عمل می‌کند که سیستم‌های طبیعی زمین بسیار پویا هستند و قادرند بدون هشدار از آستانه‌های بیولوژیکی نادیده عبور کنند. در حالی که کابل‌های گرمایشی زیرزمینی به کار خود در پنجمین دهه ادامه می‌دهند، آن‌ها پیش‌نمایشی حیاتی، هرچند نگران‌کننده، از آینده سیاره ارائه می‌دهند. داده‌های ارزشمندی که تولید می‌کنند برای آماده‌سازی بشریت برای جهانی که در آن زمین زیر پای ما دیگر یک ناظر منفعل تغییرات اقلیمی نیست، بلکه یک شرکت‌کننده فعال و ناپایدار است، بسیار حیاتی خواهد بود.[5]