Oleh: Natalie Douglas
Fotosintesis ialah proses biologi yang mengeluarkan karbon (dalam bentuk karbon dioksida) dari atmosfera dan oleh itu merupakan proses utama dalam menentukan jumlah perubahan iklim. Jadi, bagaimana kita mengukurnya supaya kita boleh menggunakannya dalam pemodelan iklim? Jawapannya, ringkasnya, kita tidak.
Fotosintesis ialah proses di mana tumbuhan hijau menyerap karbon dioksida (CO2) dan air serta menggunakan cahaya matahari untuk mensintesis nutrien yang diperlukan untuk mengekalkan diri mereka. Oleh kerana tumbuhan menyerap CO2, dan menjana oksigen sebagai hasil sampingan, kadar di mana mereka berbuat demikian adalah proses asas atmosfera dan memainkan peranan penting dalam perubahan iklim. Dalam sains iklim, kami merujuk kepada kadar ini sebagai Produktiviti Utama Kasar atau GPP. Ia biasanya diukur dalam kgm-2s-1 iaitu kilogram karbon per meter persegi sesaat. Tetapi mengapa kita perlu mengetahui perkara ini? Model iklim, juga dikenali sebagai Model Sirkulasi Umum (GCM), membahagikan permukaan Bumi kepada sel grid tiga dimensi yang biasanya mempunyai resolusi spatial mendatar 100km kali 150km pada latitud pertengahan. Menggunakan superkomputer, satu set persamaan matematik yang mengawal proses lautan, atmosfera dan daratan diselesaikan dan keputusan dihantar antara sel jiran untuk memodelkan pertukaran jirim (seperti karbon) dan tenaga dari semasa ke semasa. [1]. Asas kepada penyelesaiannya ialah apa yang kita panggil keadaan awal (keadaan pembolehubah iklim pada permulaan model dijalankan) dan keadaan sempadan (keadaan pembolehubah yang diperlukan di permukaan tanah). Disebabkan kerumitan proses yang terlibat, kami memerlukan jenis model lain untuk menyediakan model permukaan tanah yang terakhir.
Tidak mungkin hanya mengukur fotosintesis; instrumen yang mengukur jumlah karbon yang diserap oleh tumbuhan daripada atmosfera sebenarnya tidak wujud. Walau bagaimanapun, terdapat menara kovarians pusaran yang mampu mengukur fluks karbon di lokasi tertentu. Lokasi menara ini adalah jarang tetapi memberikan anggaran yang baik untuk fluks di lokasi tertentu. Sekiranya mungkin untuk menyediakan fluks kovarians eddy di semua lokasi grid, katakan di pusat mereka, ini sudah memadai untuk GCM, tetapi kerana ini tidak dapat dilaksanakan sepenuhnya, kami memerlukan model permukaan tanah. Simulator Persekitaran Tanah UK Bersama, atau JULES, ialah komponen permukaan tanah UK bagi Model Bersepadu Met Office yang digunakan untuk kedua-dua aplikasi cuaca dan iklim [2], [3]. Sebelum JULES boleh memodelkan fluks karbon, ia memerlukan himpunan maklumat termasuk jenis permukaan, butiran tentang cuaca dan tanah, nilai parameter model dan keadaan awalnya sendiri. Satu modul dalam JULES kemudiannya dapat mengira pengambilan karbon pada sempadan permukaan sel grid berdasarkan bilangan daun dalam grid, perbezaan dalam CO2 kepekatan antara permukaan daun dan atmosfera, dan beberapa faktor pengehad seperti ketersediaan cahaya dan kelembapan tanah [4]. Rajah 1 menunjukkan perwakilan purata bulanan GPP bagi Jun 2017 seperti yang dimodelkan oleh JULES.
Rajah 1.
Pemerhatian Bumi (EO) memainkan peranan penting dalam membangunkan penyelidikan iklim semasa. Terdapat banyak satelit di angkasa lepas yang menangkap pelbagai ciri permukaan Bumi pada selang masa yang tetap dan pada resolusi spatial yang berbeza. Para saintis dengan bijak mengubah data ini, menggunakan matematik, kepada pembolehubah yang diperlukan. Contohnya, satelit MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) NASA mengukur cahaya dalam pelbagai panjang gelombang dan sekumpulan saintis menukar data ini kepada produk GPP 8 hari [5]. Model mahupun data EO tidak 100% tepat apabila ia datang untuk menentukan pembolehubah yang diperlukan untuk model permukaan tanah dan perubahan iklim dan begitu banyak penyelidikan hari ini memfokuskan dalam menggabungkan kedua-dua set maklumat dalam kaedah yang dipanggil Asimilasi Data (DA). Menggunakan matematik sekali lagi, kaedah DA mengambil kedua-dua anggaran model dan pemerhatian serta maklumat mengenai ketidakpastian mereka untuk mencari tekaan optimum keadaan ‘sebenar’ pembolehubah. Kaedah ini membolehkan kita mendapatkan gambaran yang lebih baik tentang keadaan semasa dan masa depan planet kita.
Rujukan:
[1] https://www.climate.gov/maps-data/climate-data-primer/predicting-climate/climate-models
[2] https://jules.jchmr.org/
[3] https://www.metoffice.gov.uk/research/approach/modelling-systems/unified-model
[4] MJ Best et al, ‘The Joint UK Land Environment Simulator (JULES), penerangan model – Bahagian 1: Tenaga dan fluks air’, Pembangunan Model Geosaintifik, Vol. 4, 2011, (677-699).
[5] https://modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/
