Quantiﬁ zierung optimaler Funktion der Landbiosphäre und ... · Thermodynamik, statistischer Mechanik und Optimalität. Nach einer kurzen Beschreibung der Bios- Nach einer kurzen

Kleidon, Axel | Quantifi zierung optimaler Funktion der Landbiosphäre ... Tätigkeitsbericht 2006

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Quantifi zierung optimaler Funktion der Landbiosphäre und deren Auswirkung auf das Erdsystem

Kleidon, Axel, E-Mail: [email protected]

Max-Planck-Institut für Biogeochemie , Jena

Selbständige Nachwuchsgruppe - Biosphärische Theorie und Modellierung

Zusammenfassung Die Landbiosphäre ist ein integraler Bestandteil des Erdsystems. Gibt es allgemeine Prinzipien, mit denen die Funktion der Biosphäre und deren Wechselwirkung mit dem Erdsystem beschrieben und vorhergesagt werden kann? Mit dieser Fragestellung beschäftigt sich die Arbeitsgruppe Biosphären-theorie und Modellierung am Max-Planck-Institut für Biogeochemie unter Nutzung von Ansätzen aus Thermodynamik, statistischer Mechanik und Optimalität. Nach einer kurzen Beschreibung der Bios-phäre als einem dissipativen System werden drei Beispiele aufgezeigt, die die Stärke dieser Ansätze demonstrieren.

Abstract The terrestrial biosphere is an integral component of the Earth system. Are there general principles which might explain and predict the functioning of the biosphere and its interaction with the Earth system? This question is central to the work of the biospheric theory and modeling group at the Max-Planck-Institute for Biogeochemistry, and is addressed by using concepts from thermodynamics, statistical mechanics and optimality. After a brief description of the biosphere as a dissipative system, three examples are given to demonstrate the strength of these approaches.

Die Rolle der Landbiosphäre im Erdsystem

Die Biosphäre spielt eine wichtige Rolle für den Austausch von Energie, Impuls und Masse zwischen der Landoberfl äche und der Atmosphäre. Atmosphärische Bedingungen beeinfl ussen die Produktivi-tät der Biosphäre durch die Verfügbarkeit von Licht, Wasser und Temperatur. Die Ausformung dieser Rahmenbedingungen ist jedoch stark von den Eigenschaften der Vegetation abhängig. So moduliert die Vegetation die Menge an Solarstrahlung, die an der Landoberfl äche absorbiert wird, und die Auf-teilung dieser Energie in den fühlbaren Wärmefl uss und die Verdunstung. Dies wiederum hat Aus-wirkungen auf die atmosphärische Grenzschicht, auf Konvektion, Wolkenbildung und auf großskalige Zirkulationsstrukturen. Die klimatischen Unterschiede zwischen einer natürlich bewachsenen und einer kahlen Landoberfl äche lassen sich leicht vor Augen führen, wenn man an die unterschiedlichen mikroklimatischen Bedingungen eines Waldes im Vergleich zu einem asphaltierten Parkplatz im Som-mer denkt.

Thermodynamik und Optimalität der Landbiosphäre

Der grundlegende theoretische Ansatz zur Quantifi zierung der optimalen Funktion der Landbiosphäre und deren Auswirkung auf das Erdsystem beruht auf Prinzipien der Thermodynamik fern vom Gleich-gewicht. Eine allgemeine Eigenschaft von Erdsystemprozessen ist, dass sie dissipativ sind und Ener-

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gie in eine weniger verfügbare Energieform umwandeln. Dieser Trend wird durch den physikalischen Begriff der Entropieproduktion beschrieben. Auch die Aktivität der Biosphäre produziert Entropie: Die Photosynthese produziert chemische Energie unter Verwendung von Sonnenlicht, Strahlungsen-ergie niedriger Entropie, und stellt damit die Energie für die Aktivität der Biosphäre bereit. Bei der Respiration wird diese Energie in Wärme umgewandelt, also in einen Zustand höherer Entropie über-führt. Dadurch lässt sich die Gesamtaktivität der Biosphäre als ein dissipativer Prozess unter vielen im Erdsystem verstehen [1, 2].

Ebenfalls eine allgemeine Eigenschaft von Erdsystemprozessen ist, dass die Randbedingungen nicht fest vorgegeben sind. Das Klima über Land wird nicht ausschließlich durch atmosphärische Bedin-gungen bestimmt, denn diese werden durch die Funktion der Landoberfl äche stark geformt. Daher diktiert die Atmosphäre nicht die Funktion der Landbiosphäre, sondern agiert lediglich als Randbe-dingung, unter welcher es ein weites Spektrum von Möglichkeiten der Klimabeeinfl ussung durch die Landbiosphäre gibt.

Abb. 1: Drei Beispiele wie die Vielfalt von Pfl anzenformen und -funktionen zu unterschiedlichen Funktions-weisen der Landoberfl äche führt. Der untere Graph zeigt die Auswirkungen auf globale Landmittelwerte des Jahresniederschlags und der bodennahen Lufttemperatur, bestimmt aus etwa 100 Klimamodellsimulationen mit unterschiedlicher Vegetationsform und -funktion [3]. Die Farbskala zeigt die simulierte Produktivität der Vegetationsdecke des jeweiligen Klimazustands und demonstriert die Existenz eines optimalen Bereichs, in dem Vegetationsproduktivität maximiert ist.

Urheber: Modifi ziert nach Kleidon [3]

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Abbildung 1 demonstriert anhand von drei Aspekten, wie die Vielfalt in Pfl anzenform und Funkti-on das Landklima prägt und zu dieser Bandbreite an möglichen Klimazuständen führt. Mithilfe von Sensitivitätsexperimenten eines gekoppelten Vegetations-Atmosphäremodells, in dem Vegetationsform und -funktion über einen großen Bereich variiert wird, kann diese Bandbreite bestimmt werden [3]. Das resultierende Spektrum ist in Abbildung 1 anhand der global gemittelten Landoberfl ächentem-peratur und des Jahresniederschlags dargestellt. Es wird ersichtlich, dass innerhalb des physikalisch und biologisch möglichen Bereichs die klimatischen Bedingungen für Vegetationsproduktivität stark schwanken können. Innerhalb dieses Bereichs gibt es optimale Bedingungen, für die die Produktivität maximal ist. Diese optimalen Bedingungen liegen nahe dem Klimazustand der Standardversion des Modells, welches zur Simulation heutiger Bedingungen benutzt wird. Daraus kann man schlussfol-gern, dass das gegenwärtige Klima nahezu optimal für die Produktivität der Landbiosphäre ist für heutige Randbedingungen.

Das Besondere an dieser Optimalitätsbetrachtung ist, dass die Maximierung der Produktivität auch einer Maximierung der Dissipation chemischer Energie entspricht. Damit ist dieser Ansatz konsistent mit einem allgemeinen Prinzip der Nichtgleichgewichtsthermodynamik, welches besagt, dass hin-reichend komplexe, dissipative Systeme einen stationären Zustand annehmen, der maximal Entropie produziert [1]. Dieses Prinzip der Maximalen Entropieproduktion (MEP) hat potenziell weitreichende Anwendungen, z.B. für das Verständnis von empirischen Zusammenhängen, die in Klimamodellen verwendet werden [4, 5]. Für die Landbiosphäre bedeutet dies, dass das beobachtete Verhalten gut mit einem allgemeinen Optimierungsansatz beschrieben werden kann, der sich auf ein fundamentales thermodynamisches Prinzip zurückführen lässt.

Im Folgenden werden drei Beispiele aufgezeigt, die die Konsequenzen dieser Perspektive für die Rol-le der Biosphäre im Erdsystem illustrieren. Es geht dabei um die Bestimmung der biologisch mögli-chen Klimazustände und deren Evaluierung im Hinblick auf ihr dissipatives Verhalten und Optimalität.

Abb. 2: Sensitivität eines gekoppelten Vegetation-Atmosphärenmodells zur maximalen stomatären Leitfähigkeit der Vegetation, zusammengefasst in globalen Landmittelwerten. Das Maximum der Produktivität (rote Kurve, links) stimmt überein mit dem Wert der maximalen stomatären Leitfähigkeit, bei dem die Übereinstimmung mit dem empirischen Ball-Berry-Gesetz am besten ist (blaue Kurve, links). Die Sensitivitäten von Bewölkung (rote Kurve, rechts) und bodennaher Lufttemperatur (blaue Kurve, rechts) zeigen, wie wichtig die adäquate Darstel-lung von stomatärer Leitfähigkeit im Klimasystem ist.

Urheber: Nach Kleidon [6] und Autor

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Beispiel 1: Verständnis von empirischen Zusammenhängen

Das erste Beispiel illustriert, wie man einen im Labor bestimmten ökophysiologischen Zusammenhang zwischen stomatärer Leitfähigkeit der Vegetation und Umweltbedingungen (das so genannte – „Ball-Berry-Gesetz”) durch Optimalität verstehen kann. Eine Reihe von Sensitivitätssimulationen wurde mit einem gekoppelten Vegetations-Atmosphärenmodell durchgeführt, wobei der Wert der maximalen stomatären Leitfähigkeit verändert wurde [6]. Diese Simulationen wurden analysiert in Bezug auf Optimalität und Übereinstimmung mit dem Ball-Berry-Gesetz (quantifi ziert durch den linearen Korre-lationskoeffi zienten). Die Ergebnisse in Abbildung 2 zeigen, dass die beste Übereinstimmung in der Simulation gefunden wird, in der die Vegetationsproduktivität maximal ist. Somit kann das Ball-Ber-ry-Gesetz als Folge optimalen Verhaltens betrachtet werden.

Abb. 3: Sensitivität der optimalen stomatären Leitfähigkeit zu der atmosphärischen Konzentration von Kohlen-dioxid (CO 2 ). Der Wert für das Optimum in stomatärer Leitfähigkeit verschiebt sich mit ansteigendem CO 2 ). Der Wert für das Optimum in stomatärer Leitfähigkeit verschiebt sich mit ansteigendem CO 2 2 (200 ppm (blau), 280 ppm, 360 ppm (schwarz), 540 ppm, 720 ppm (rot), und 1000 ppm) zu zunehmend kleineren Wer-ten (links). Der rechte Graph zeigt die Auswirkungen von verschiedenem Vegetationsverhalten auf die Klima-sensitivität von Landverdunstung zu CO 2 . Die drei Kurven zeigen (rot) die Standardversion des Modells, (blau) die an den heutigen Klimazustand optimal angepasste stomatäre Leitfähigkeit und (schwarz) die an den jeweils vorgeschriebenen CO 2 -Wert optimal angepasste stomatäre Leitfähigkeit.

Urheber: Max-Planck-Institut für Biogeochemie / Kleidon

Beispiel 2: Klimasensitivität einer anpassungsfähigen Biosphäre

In gegenwärtigen Modellen der Landbiosphäre wird die Anpassung von Pfl anzenfunktionen an die Umweltbedingungen nur ungenügend berücksichtigt. Der Ansatz der Optimalität bietet eine Mög-lichkeit, die potenziellen Auswirkungen von Anpassung auf Klimasensitivität abzuschätzen: Wenn Umweltbedingungen sich ändern, verändern sich die Randbedingungen unter denen optimiert wird, und folglich das optimale Verhalten. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel, wie sich die optimale stomatäre Leitfähigkeit für verschiedene Konzentrationen von atmosphärischen Kohlendioxid (CO 2 ) verschiebt. Die resultierende Sensitivität der Leitfähigkeit ist konsistent mit Rekonstruktionen aus Paläodaten. Die Auswirkungen auf die simulierte Klimasensitivität wird in Abbildung 3 anhand der Landverduns-tung gezeigt. Dieses Beispiel demonstriert, dass die Vernachlässigung von Optimalität und Anpassung zur systematischen Unterschätzung der Produktivität und veränderter Klimasensitivität führen kann.

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Abb. 4: Sensitivität von Klimagrößen über Land (Temperatur (TEMP, rot); Verdunstung (ET, blau); und Nie-derschlag (PREC, blau gepunktet)) und Produktivität (NPP, blau; und menschliche Vereinnahmung (englisch „human appropriation“, HANPP, rot gepunktet)) zur Stärke menschlicher Landnutzung. Die Stärke der Land-nutzung ist hier ausgedrückt in einem Prozentsatz, der beschreibt, wie viel von der Vegetationsproduktivität vom Menschen vereinnahmt wird. Ein Wert von f HANPP Menschen vereinnahmt wird. Ein Wert von f HANPP Menschen vereinnahmt wird. Ein Wert von f = 0 entspricht dem natürlichen Referenzklimazustand ohne menschlichen Eingriff, während das andere Extrem von f HANPP menschlichen Eingriff, während das andere Extrem von f HANPP menschlichen Eingriff, während das andere Extrem von f = 100% eine komplette Vereinnahmung der Vege-tationsproduktivität bedeutet. Trotz stark unterschiedlichen Klimas und Konsequenzen für NPP ist die mittlere Landtemperatur nicht sensitiv.

Urheber: Modifi ziert nach Kleidon [7]

Beispiel 3: Klimasensitivität von Landnutzungsänderungen

Die durch den Menschen verursachten Landnutzungsänderungen, wie z. B. die Umwandlung natürli-chen Waldes in landwirtschaftliche Nutzfl ächen, ändern die physikalische Funktion der Landoberfl ä-che, mit entsprechenden Auswirkungen auf das Klimasystem. Aber die bodennahe Lufttemperatur ist dafür kein gutes Maß, da sie nicht direkt mit dissipativem Verhalten in Beziehung steht. Um dies zu zeigen, wurden Sensitivitätssimulationen zu verschiedenen Intensitäten von Landnutzung durchgeführt [7] und anschließend im Hinblick auf die Auswirkungen auf bodennahe Lufttemperatur und Vegeta-tionsproduktivität analysiert ( Abb. 4 ). Diese Sensitivitäten zeigen eindrucksvoll, dass die Landmit-teltemperatur nicht sensitiv ist, während das Klima über Land sich drastisch unterscheidet und nur geringere Produktivität erlaubt.

Ausblick

Während diese ersten Ergebnisse bereits den Wert des thermodynamischen Ansatzes bestätigen, gibt es noch ein weites Feld an offenen Fragen. Gegenwärtige Projekte in der Arbeitsgruppe beschäftigen sich unter anderem damit, (i) biogeochemische Wechselwirkungen besser zu berücksichtigen; (ii) Indi-viduen-basierte Modelle weiter zu entwickeln, um das Entstehen von Optimalität aus der Populations-dynamik besser zu verstehen; (iii) Methoden zu entwickeln, um Optimalität standardmäßig in einem Erdsystemmodell zu implementieren; (iv) diesen Ansatz in Szenarienläufe für die nächsten 100 Jahre einzuarbeiten; und (v) weitere Beispiele von Optimalität in Vegetation zu demonstrieren.

Danksagung. Diese Arbeiten wurden durch die National Science Foundation der USA gefördert.

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Literaturhinweise [1] Kleidon, A., and Lorenz, R. (Eds.): Non-equilibrium thermodynamics and the production of entropy: life, Earth, and beyond. Springer-Verlag, Berlin 2005, 260 p.

[2] Kleidon, A.: Beyond Gaia: Thermodynamics of life and Earth system functioning. Climatic Change 66 , 271-319 (2004).

[3] Kleidon, A.: Quantifying the biologically possible range of steady-state soil and surface climates with climate model simulations. Biologia Bratislava 61 Suppl. 19, S234-239 (2006).

[4] Kleidon, A., Fraedrich, K., Kunz, T., and Lunkeit, F.: The atmospheric circulation and states of maximum entropy production. Geophysical Research Letters 30 (23), 2223, doi: 10.1029/2003GL018363 (2003).

[5] Kleidon, A., Fraedrich, K., Kirk, E., and Lunkeit, F.: Maximum Entropy Production and boundary layer exchange in an atmospheric General Circulation Model. Geophysical Research Letters 33 , L06706. doi: 10.1029/2005GL025373 (2006).

[6] Kleidon, A.: Optimized stomatal conductance of vegetated land surfaces and its effects on simulated productivity and climate. Geophysical Research Letters 31 , L21203. doi: 10.1029/2004GL020769 (2004).

[7] Kleidon, A.: The climate sensitivity to human appropriation of vegetation productivity and its thermodynamic characterization. Global and Planetary Change 54 , 109-127. doi: 10.1016/j.gloplacha.2006.01.016 (2006).

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