Observación sistemática de los gases de efecto invernadero. La red ICOS (“Integrated Carbon Observation System”) A. Carrara, Fundación CEAM Jornada sobre Cambio Climático Observatorios de Gases de Efecto Invernadero y Planes de Acción ECOFIRA (11ª Feria Internacional de las Soluciones Medioambientales) Valencia, 1 de Marzo 2012 Concepto general El concepto de base de ICOS es el establecimiento de una red de observación sistemática del ciclo de los principales gases de efecto invernadero a largo plazo, constituida por estaciones de medidas de alta precisión, para la medición de los flujos de gases de efecto invernadero de los ecosistemas terrestres y su concentración en la atmósfera, así como de los intercambios de CO2 entre la atmósfera y los océanos. Una infraestructura estratégica a nivel europeo ICOS apareció en la hoja de ruta ESFRI en 2008 • ESFRI selecciona infraestructuras que son consideradas de alta relevancia y prioridad para la investigación en Europa y que requieren la colaboración entre varios países europeos para poder implementarse. Proceso de priorización española de proyectos ESFRI ICOS es considerado de alto grado de interés para España. Alto: son proyectos de elevado interés para la comunidad científico-tecnológica, que tienen un potencial alto para la internacionalización de infraestructuras, laboratorios y/o servicios nacionales, o con gran relevancia de las instituciones y/o empresas que han mostrado su apoyo. http://www.mineco.gob.es/stfls/mineco/investigacion.html Concepto general ICOS: Una infraestructura distribuida de estaciones de medidas diseñada alrededor de instalaciones centrales destinadas a optimizar la eficiencia global: Red de estaciones / observación sistemática (3 componentes): - atmosférico: “Tall towers”, “aircraft”, ”flask sampling” - ecosistema: “Flux towers” - marino: “Fixed stations”, “VOS lines” “Infraestructuras centrales”: - Atmospheric Thematic Center (France, Finland) - Ecosystem Thematic Center (Italy, France, Belgium) - Ocean Thematic Center (Norway, Spain, UK) - Central Analytical Laboratory (Germany) - Carbon Portal (Sweden?, Netherlands?) - Headquarters (Finland, France) Base Científica El Panel Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, AR4, 2007) ha establecido con certeza, que el aumento observado de temperatura se debe principalmente a la creciente presencia de gases de efecto invernadero en la atmósfera, producida por emisiones de origen antropogénico, que alcanzan los ciclos naturales del dióxido de carbono (CO2), del metano (CH4) y del óxido nitroso (N2O). Base Científica: ciclo de carbono global Destino de las emisiones antropogenicas de CO2 (2000-2006) 1.5 Pg C y-1 4.1 Pg y-1 Atmosfera 45% 2.8 Pg y-1 + 7.6 Pg C y-1 Ecosistemas terrestres 30% 2.2 Pg y-1 Oceanos 25% Canadell et al. 2007, PNAS Balance de carbono de los ecosistemas terrestres Flujo de Carbono (Pg C y-1) pasado El conocimiento del ciclo de carbono en ecosistemas terrestres no permite explicar de forma satisfactoria las importantes variaciones temporales (interanuales) y espaciales observadas. Balance de carbono de los ecosistemas terrestres Terrestrial Biosphere C sink (Pg C y-1) Modelos de ciclo de carbono terrestre Modelos de clima La incertidumbre asociada al actual conocimiento del ciclo del carbono es uno de los factores que determinan la incertidumbre de las predicciones climáticas en los actuales modelos globales. ICOS y el ciclo de carbono ICOS y el ciclo de carbono Emisiones Intercambios Intercambios atmósfera-vegetación atmósfera-océanos Concentración atmosférica ICOS y el ciclo de carbono Emisiones Componente atmosférico: concentraciones atmosféricas de CO2, CH4, N2O, CO y radiocarbono-CO2 para cuantificar las emisiones de combustible fósil Intercambios Intercambios atmósfera-vegetación atmósfera-océanos Concentración atmosférica Componente atmosférico “Tall towers”, “Aircraft”, “Flask Sampling” Network of atmospheric stations Type Parameters ICOS Foreseen network Core (continuous) CO2, CH4, CO Core (continuous) Meteorological parameters: P, T, RH, wind Core (continuous) Boundary layer height Additional CO2 flux Core (periodic) CO2, CH4, N2O, SF6, CO, H2, O2/N2 Core (periodic) 13C, 18O, 14C Additional (Cont.) N2O, SF6 Additional (periodic) Radon-222 Additional (Cont.) in CO2 O2/N2, 13C, 18O, 14C Tall towers Flask sampling ICOS Atmospheric stations ICOS y el ciclo de carbono Emisiones Intercambios Intercambios atmósfera-vegetación atmósfera-océanos Componente ecosistemas: Componente atmosférico: concentraciones atmosféricas de CO2, CH4, N2O, CO y radiocarbono-CO2 para cuantificar las emisiones de combustible fósil flujos a nivel de ecosistemas de CO2, CH4, N2O, H2O, y calor, junto con las variables de ecosistema necesarias para entender los procesos que los gobiernan Concentración atmosférica Componente terrestre (ecosistemas) “Flux towers” Network of ecosystem stations ( Foreseen network ) Type Parameter Core CO2, H2O, Sensible heat fluxes Core High precision CO2 vertical profile Core Global, Net, Reflected, Diffused radiation Core Air and soil temperature profiles Core Wind speed profile Core Soil Water Content profile Core Precipitation, Snow height, Troughfall Core Soil Heat fluxes Core Soil carbon content Core Biomass Core Management and disturbances Core CH4 Fluxes Core N2O Fluxes Core Canopy temperature Core Spectral reflectance Core Below canopy Photosynthetic Active Radiation Core Groundwater level Core Sap flow Core Soil respiration, Plant respiration Core Phenology camera Core N deposition Core Leaves and soil water N content Core Litter fall Core C and N import and export (management) ICOS Ecosystem stations ICOS Ecosystem stations content profiles ICOS y el ciclo de carbono Emisiones Intercambios Intercambios atmósfera-vegetación atmósfera-océanos Concentración atmosférica Componente ecosistemas: Componente atmosférico: concentraciones atmosféricas de CO2, CH4, N2O, CO y radiocarbono-CO2 para cuantificar las emisiones de combustible fósil flujos a nivel de ecosistemas de CO2, CH4, N2O, H2O, y calor, junto con las variables de ecosistema necesarias para entender los procesos que los gobiernan Componente Oceánico: Presión parcial de CO2 en la superficie del océano, junto con el pH y otras variables necesarias para cuantificar y entender los intercambios de carbono entre atmósfera y océanos Componente oceánico “Fixed Stations”, “VOS lines” Type Parameters Frequency Core atmospheric CO2, Ocean p CO2, total atm,pressure, continuous (30 min) Core sea surface temperature and salinity continuous (30 min) Core Meteorological parameters 4-hourly Core CO2, CH4, N2O, SF6, CO, H2, O2/N2 weekly Core 13C, 18O, 14C weekly in CO2 Fixed stations (time series) Boyas Photos: M. Gonzalez-Davila, J, M. Santana-Casiano, U. Las Palmas Gran Canaria Buques pequeños dedicados a la investigacion VOS lines Infraestructuras centrales - Atmosphere “Thematic centers” - Ecosystems - Ocean - Data management - Data Quality Control - Ensure high level of standardization - Instrumentation R&D - Support stations - Training Infraestructuras centrales “Calibration and Analytical Laboratories” - Calibration - Flask analysis - Provide high quality standard ICOS en el marco internacional ICOS implementation Agenda R&D, design studies 2000-2008 European projects: CarboEurope-IP CarboOcean Geomon, IMECC, … Preparatory Phase 2008-2013 Construction Phase 2012-2016 Operational Phase European project “ICOS-Preparatory Phase”: http://www.icos-infrastructure.eu/ 4.3 M€, 13 countries, 16 partners Consorcio ICOS-Spain (formado en 2010) > 2014 ICOS Spanish National Focal Point: María José Sanz (I2C2) “Lista provisional de participantes al consorcio ICOS-Spain” Centro de Investigación Atmosférica de Izaña (AEMET) Programa de Gases de Efecto Invernadero “El Mauna Loa europeo” Record históricos 25 años monitorizando CO2 y CH4 Programas internacionales punteros TCCON Total Carbon Column Observing Network (FTIR) Programas internacionales punteros de observación de GEIs CENTRO TEMÁTICO OCEÁNICO UNIDAD TECNOLOGICA MARINA (UTM- CSIC BARCELONA) INSTITUTO DE CIENCIAS MARINAS DE ANDALUCÍA (ICMAN – CSIC) Puerto Real (Cádiz, Spain) Aplicaciones Una aplicación fundamental y clave de ICOS es permitir la obtención de mapas detalladas de emisiones y sumideros de gases de efecto invernadero a nivel regional, mediante la combinación de dos metodologías independientes y complementarias (“Top-Down” y “Bottom-Up” approachs) que permitiran optimizar y ajustar las estimaciones regionales de flujos de GEIs en Europa. “Inverse Modeling” para Observaciones atmosféricas de GEIs Observaciones atmosféricas de GEIs mapas y documentos sobre fuentes y sumideros de carbono a escalas regionales Concepto general de la infraestructura ICOS para la producción de mapas de emisiones/sumideros de GEIs “Bottom-Up approach” El método “Bottom-Up” consiste en combinar los datos generados por ICOS con datos de inventarios y productos de teledetección utilizando modelos avanzados de ciclo de carbono en un sistema de información operacional, para permitir la cuantificación diaria de fuentes y sumideros de gases de efecto invernadero a nivel europeo, desde la pequeña escala hasta aproximadamente 10 kilómetros a nivel europeo. Mapas actuales de flujos de intercambio de GEIs Top-Down approach Bottom-Up approach La resolución espacial, la precisión y la robustez de las estimaciones actuales de flujos es actualmente limitada por la calidad y la cantidad de datos de observaciones in-situ de GEIs. Otras aplicaciones: sistemas de asimilación de datos en modelos Data streams C flux to atmosphere (GtC/yr) Large uncertainty from land to predict C-balance (C4MIP) Optimized terrestrial ecosystem models Î reduce the uncertainty C-Cycle Data Assimilation System Otras aplicaciones: validación/calibración de productos de teledetección Coordinated Observations GLORY 1:34 MODIS GPP Algorithm Test 1:26 Heinsch et al. 2006 RSE Impacto de ICOS Impacto de ICOS ICOS contribuirá a mejorar el conocimiento de las causas del cambio climático y predecir su evolución futura Impacto de ICOS ICOS permitirá tomar decisiones informadas a la hora de orientar las estrategias de mitigación y de adaptación a diferentes escalas espaciales Aspectos estratégicos Aspectos científicos: principales aplicaciones Las observaciones de alta calidad y a largo plazo proporcionadas por ICOS representan un gran potencial de aplicaciones científicas de varios tipos: • Calibración, validación y desarrollo de varios tipos de modelos (modelos biogeoquímicos SVAT “Soil Vegetation Atmosphere Transfer”, modelos de transporte atmosférico, modelos de química de la atmósfera, modelos de intercambios entre océanos y atmósfera, etc.) • Estudios de las interacciones “feedbacks” entre ciclos biogeoquímicos y cambio climático • Estudios de procesos a nivel de ecosistemas • Calibración y validación de productos de teledetección ICOS permitirá a Europa jugar un papel clave en el proceso global de las observaciones in situ de GEIs, tanto en el procesamiento de datos y la producción de productos de flujos (estimaciones de emisiones y sumideros), como en el acceso a datos para la calibración y la validación de productos de teledetección o de modelización, evaluaciones científicas y asimilación de datos. Aspectos estratégicos Aspectos científicos: Contribución a la Observación global • La lista de variables incluidas en ICOS es exactamente la de GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) recomendada para “apoyar el desarrollo de capacidades para la observación de Essential Climate Variables como el CO2, CH4 y otros GEIs según el ultimo plan de implementación de GEOSS. • ICOS contribuirá al programa “WMO Global Atmosphere Watch Program” de la Organización Meteorológica Mundial, al programa internacional del Sistema de Observación Global Terrestre (“Global Terrestrial Observing System”, GTOS), a la estrategia para la observación global integrada para observaciones de química atmosférica (“Integrated Global Observing Strategy for Atmospheric Chemistry Observations”, IGACO), y para el programa internacional de observaciones globales del carbono (“Global Carbon Observations”, IGCO). Aspectos estratégicos Gestión de los ecosistemas frente al cambio climatico ICOS permitirá obtener información robusta sobre la capacidad de secuestro de carbono de los distintos ecosistemas, y de que manera puede verse perturbada por las anomalías climáticas, en este sentido: • La información obtenida sobre los diferentes tipos de bosques y otros ecosistemas naturales, puede ayudar a evaluar y a estudiar como los impactos del cambio climático pueden influir en su productividad. • En el caso de cultivos, puede ayudar a evaluar tanto la productividad de biomasa, como el balance de agua y la demanda de riego bajos distintos escenarios climáticos. • En el caso de los sistemas adehesados o de pastos, un mejor conocimiento del ciclo de carbono, del ciclo del agua y de sus interacciones con el clima, puede ayudar a la evaluación de opciones de adaptación al cambio climático, como la modificación del manejo del ganado, o la evaluación de la vulnerabilidad de estos ecosistemas bajo distintos escenarios climáticos. Impactos: Agricultura Cambios en los rendimientos agrícolas en 2080 (IPCC A2 scenario, periodo base 1961-1990), previsiones de 2 modelos distintos (Fuente: PESETA) Impactos: Agricultura Cambios en los rendimientos agrícolas en 2080 (IPCC A2 scenario, periodo base 1961-1990), previsiones de 2 modelos distintos (Fuente: PESETA) Todavia, el incertidumbre es muy grande Aspectos estratégicos Aspectos críticos para España • ICOS contribuirá de forma muy importante a la calidad y a la coordinación de los esfuerzos de observación sistemática en España, actualmente muy dispersa, y por lo tanto a su desarrollo, su optimización y su visibilidad (Outreach) • ICOS potenciará la investigación prenormativa europea ambiental que sirve de base para la elaboración de Directivas y Reglamentos a nivel europeo (hasta ahora basada en información proviniendo mayoritariamente del centro y del norte de Europa). • Las estaciones de medida españolas que se pretenden incorporar a la red ICOS serían, prácticamente, las únicas que dispondrían de datos de GEIs, consolidados y validados por su pertenencia a una red de nivel mundial. Todo ello facilitaría la disposición de datos que pueden ser la base de negociación para España de las futuras normas europeas, incluso de la posición de la propia Unión en los foros mundiales, en aspectos muy relevantes para la mitigación y adaptación al Cambio Climático. ICOS Website www.icos-infrastructure.eu/ ICOS Coordination Office Cecilia Garrec (Project Officer) Cecilia.Garrec@lsce.ipsl.fr Contacto en España: María José Sanz maria.sanz@mineco.es Arnaud Carrara arnaud@ceam.es “Essentially, all models are wrong, but some are useful” George E. P. Box (1919 - ) Pionero y uno de los mas influyentes estadistas del siglo XX “Basicamente, todos los modelos son falsos, pero algunos son utiles”