Tropical rainforest will survive the future global warming: finds IIT Kharagpur study
November 12, 2024, Kharagpur, India: The tropical rain forests (TRF) like Amazon or Western Ghats are considered as “the lungs of the planet”, contain about 200-300 petagram (1015) or approx. 1/3rd of the total atmospheric carbon and plays a crucial role in modulating the global carbon cycle, biodiversity and hydrological cycle. The 2023 AR6 report by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) warns if the CO2 emission and global warming continues unabated the TRF community may altogether collapse much before the end of this century, and will drive a global catastrophe affecting nearly 800 million people worldwide. However, scientists are sharply divided on this issue. Predictions made through climate-vegetation models suggest that just a 2˚C increase in mean annual temperature could increase the respiration rates and push trees to their photosynthetic threshold causing their mortality. This will be compounded by increased extreme events like variability in rainfall, droughts and wildfires.
Yet others think that over longer time scale plants will adapt to these changes by changing their diversities or invading into favourable climate zones. This has indeed been found in the Andes where low elevation warmer region trees are invading into the colder higher altitude region. In the Himalayas the Rhododendrons blooming time is slowly changing.
The only way to test these contradicting predictions is to study the evolutionary record of the TRF plant community and the climate in the past when the earth went through natural warming phase due to high CO2 emission.
A team of scientists from IIT Kharagpur, Calcutta University and University of Western Ontario have studied detail records of TRF in sediments from Vastan coal mines of Gujarat deposited in coastal lagoons around 56 million years back. India was a tropical island then surrounded by oceans and Himalayas were yet to form.
The period is known as Palaeocene-Eocene Thermal Maximum (PETM) when global carbon dioxide rose to >1000 ppmv, an abnormally high level that the future global warming might reach. The PETM is the most rapid global warming event known in Earth’s history. An amount of carbon approximately equal to the total modern fossil fuel reservoir was released in the ocean-atmosphere system due to release of carbon stored in sea-floor sediments. The coal layers in Vastan are nothing but a spectacularly fossilized tropical rain forest containing huge amount of plant and pollen remains as well as variety of mammals and insects those lived in these forests. In fact, world’s earliest mammals evolved here due to this climate shift at PETM.
“The study took several years of field and laboratory investigation. We had to date the sediments to confirm its PETM age and collected samples at centimeter intervals, analyzed the pollens to understand how the TRF community evolved in response to such extreme global warming. To understand how the climate changed during this super-greenhouse globe we analyzed isotopes of carbon in the plant organic matter and developed special techniques of measuring isotopes of oxygen and hydrogen in micron size clay mineral kaolinite that precipitated in these lagoonal water. The climate was also monitored by analyzing oxygen isotopes in fossil teeth of small horse-like ungulate mammals those once roamed in these forests,” said Prof. Anindya Sarkar, the lead researcher of IIT Kharagpur. The study has just been published online in prestigious El Sevier Journal Global and Planetary Change.
“Pollens are widely dispersed by air and water, resistant to decay and are invaluable indicators for reconstructing ancient biomes. Evidence of huge diversity (70 families and 256 taxa) of dense tropical rainforest trees like Sal, Mahogany, Palm, a variety of evergreen and mangrove plants are preserved in the sediment and coal beds of Vastan. No wonder that such rain forest harbored diverse animals including ancestors of early horses, snakes and insects,” said Prof. Subir K Bera of Calcutta University, an expert in ancient plants and co-author of the paper.
“We found a large anomaly in carbon isotopes exactly at 56 million year. This was such a characteristic signal for a super greenhouse globe with very high atmospheric CO2. The hydrogen and oxygen isotope compositions in clays depend on land temperature and amount of rainfall and act as snapshots of past climate. Likewise, the isotopes in fossil teeth record the history of what water animals drank. As the CO2 began to increase, the land became abnormally hot >40oC. But to our surprise we found that the temperature came down to ~30oC during the later period, almost similar to today. The rainforest not only survived but also diversified during and after this global warming phase,” said Arpita Samanta, a former PhD student at IIT Kharagpur currently Assistant Professor at Asutosh College, Calcutta and the lead author of the paper.
“What helped the rainforest’s survival? We critically looked at the rainfall pattern and found that the warming intensified the rainfall and that possibly brought down the temperature. We call it rainfall buffered temperature. The increased rainfall and lowered temperature sustained these ancient rainforests of western India,” said Dr. Melinda K Bera, an isotope expert who painstakingly developed the novel clay based thermometer and a co-author.
“The Vastan record is unique in many ways. This is the first record of how tropical rainforest responded to elevated levels of CO2 and global warming in the past. The only other available record is from Neotropical South America. Vastan data shows that globally tropical plant community responded in tandem. Second, the increased rainfall during this super greenhouse earth exactly supports the IPCC prediction of intensified precipitation regime in case of a future extreme 4oC warming of the planet. Vastan is an ancient analogue of what our future greenhouse earth can be. Fossil fuel emission has increased the CO2 from pre-industrial level of 280 ppm to ~421 ppm in 2024. Climate models suggest that a doubling of CO2 will intensify the atmospheric circulation and consequently the rainfall. Nature already did experiment in the past that has lessons for us to learn. Many experts believe that the climate change due to such fast rate of global warming is now irreversible and collapse of rainforest or ocean biosphere is just imminent. The Vastan record shows that there may be some hope. At least the rain forest may take the heat stress and survive,” added Prof. Sarkar.
उष्णकटिबंधीय वर्षावन भविष्य में ग्लोबल वार्मिंग से बचे रहेंगे: आईआईटी खड़गपुर अध्ययन से पता चलता है
12 नवंबर, 2024, खड़गपुर, भारत: अमेज़ॅन या पश्चिमी घाट जैसे उष्णकटिबंधीय वर्षा वनों (टीआरएफ) को “ग्रह के फेफड़े” माना जाता है, जिनमें लगभग 200-300 पेटाग्राम (1015) या लगभग हैं। कुल वायुमंडलीय कार्बन का 1/3 हिस्सा और वैश्विक कार्बन चक्र, जैव विविधता और जल विज्ञान चक्र को नियंत्रित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इंटरगवर्नमेंटल पैनल ऑन क्लाइमेट चेंज (आईपीसीसी) की 2023 एआर6 रिपोर्ट में चेतावनी दी गई है कि यदि सीओ2 उत्सर्जन और ग्लोबल वार्मिंग बेरोकटोक जारी रही तो टीआरएफ समुदाय इस सदी के अंत से पहले ही पूरी तरह से ध्वस्त हो सकता है, और एक वैश्विक तबाही का कारण बनेगा, जिससे दुनिया भर में लगभग 800 मिलियन लोग प्रभावित होंगे। . हालाँकि, वैज्ञानिक इस मुद्दे पर काफ़ी बंटे हुए हैं। जलवायु-वनस्पति मॉडल के माध्यम से की गई भविष्यवाणियों से पता चलता है कि औसत वार्षिक तापमान में केवल 2˚C की वृद्धि श्वसन दर में वृद्धि कर सकती है और पेड़ों को उनकी प्रकाश संश्लेषक सीमा तक धकेल सकती है, जिससे उनकी मृत्यु हो सकती है। वर्षा में परिवर्तनशीलता, सूखा और जंगल की आग जैसी चरम घटनाओं में वृद्धि से यह और बढ़ जाएगा। फिर भी अन्य लोग सोचते हैं कि लंबे समय में बड़े पैमाने पर पौधे अपनी विविधता को बदलकर या अनुकूल जलवायु क्षेत्रों में आक्रमण करके इन परिवर्तनों के अनुकूल हो जाएंगे। यह वास्तव में एंडीज़ में पाया गया है जहां कम ऊंचाई वाले गर्म क्षेत्र के पेड़ ठंडे उच्च ऊंचाई वाले क्षेत्र में आक्रमण कर रहे हैं। हिमालय में रोडोडेंड्रोन के खिलने का समय धीरे-धीरे बदल रहा है। इन विरोधाभासी भविष्यवाणियों का परीक्षण करने का एकमात्र तरीका टीआरएफ संयंत्र समुदाय के विकासवादी रिकॉर्ड और अतीत में जलवायु का अध्ययन करना है जब पृथ्वी उच्च CO2 उत्सर्जन के कारण प्राकृतिक वार्मिंग चरण से गुज़री थी।
आईआईटी खड़गपुर, कलकत्ता विश्वविद्यालय और पश्चिमी ओंटारियो विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों की एक टीम ने लगभग 56 मिलियन वर्ष पहले तटीय लैगून में जमा गुजरात की वस्तान कोयला खदानों से तलछट में टीआरएफ के विस्तृत रिकॉर्ड का अध्ययन किया है। उस समय भारत एक उष्णकटिबंधीय द्वीप था, जो महासागरों से घिरा हुआ था और हिमालय का निर्माण अभी बाकी था। उस अवधि को पैलियोसीन-इओसीन थर्मल मैक्सिमम (पीईटीएम) के रूप में जाना जाता है जब वैश्विक कार्बन डाइऑक्साइड बढ़कर 1000 पीपीएमवी से अधिक हो जाता है, जो एक असामान्य रूप से उच्च स्तर है जो भविष्य में ग्लोबल वार्मिंग तक पहुंच सकता है। पेटीएम पृथ्वी के इतिहास में ज्ञात सबसे तीव्र ग्लोबल वार्मिंग घटना है। समुद्र-तल तलछट में संग्रहीत कार्बन के निकलने के कारण समुद्र-वायुमंडल प्रणाली में कुल आधुनिक जीवाश्म ईंधन भंडार के बराबर कार्बन की मात्रा जारी हुई। वस्तान में कोयले की परतें एक शानदार जीवाश्म उष्णकटिबंधीय वर्षा वन के अलावा और कुछ नहीं हैं, जिसमें भारी मात्रा में पौधे और पराग अवशेष के साथ-साथ इन जंगलों में रहने वाले स्तनधारियों और कीड़ों की विविधता भी शामिल है। वास्तव में, दुनिया के शुरुआती स्तनधारी पेटीएम में इस जलवायु परिवर्तन के कारण यहीं विकसित हुए।
“अध्ययन में कई वर्षों तक क्षेत्रीय और प्रयोगशाला जांच हुई। हमें इसकी पेटीएम आयु की पुष्टि करने के लिए तलछट की तारीख तय करनी पड़ी और सेंटीमीटर अंतराल पर नमूने एकत्र किए, यह समझने के लिए पराग का विश्लेषण किया कि टीआरएफ समुदाय इस तरह के अत्यधिक ग्लोबल वार्मिंग के जवाब में कैसे विकसित हुआ। यह समझने के लिए कि इस सुपर-ग्रीनहाउस ग्लोब के दौरान जलवायु कैसे बदल गई, हमने पौधों के कार्बनिक पदार्थों में कार्बन के आइसोटोप का विश्लेषण किया और इन लैगूनल पानी में अवक्षेपित माइक्रोन आकार के मिट्टी खनिज काओलाइट में ऑक्सीजन और हाइड्रोजन के आइसोटोप को मापने की विशेष तकनीक विकसित की। आईआईटी खड़गपुर के प्रमुख शोधकर्ता प्रोफेसर अनिंद्य सरकार ने कहा, ”छोटे घोड़े जैसे खुरदार स्तनधारियों के जीवाश्म दांतों में ऑक्सीजन आइसोटोप का विश्लेषण करके जलवायु की निगरानी की गई, जो कभी इन जंगलों में घूमते थे।” अध्ययन अभी प्रतिष्ठित एल सेवियर जर्नल ग्लोबल एंड प्लैनेटरी चेंज में ऑनलाइन प्रकाशित किया गया है।
“पराग हवा और पानी द्वारा व्यापक रूप से फैलते हैं, क्षय के प्रतिरोधी होते हैं और प्राचीन बायोम के पुनर्निर्माण के लिए अमूल्य संकेतक होते हैं। साल, महोगनी, पाम, विभिन्न प्रकार के सदाबहार और मैंग्रोव पौधों जैसे घने उष्णकटिबंधीय वर्षावन के पेड़ों की विशाल विविधता (70 परिवार और 256 टैक्सा) के साक्ष्य वस्तान के तलछट और कोयला बिस्तरों में संरक्षित हैं। इसमें कोई आश्चर्य की बात नहीं है कि ऐसे वर्षा वनों में शुरुआती घोड़ों के पूर्वजों, सांपों और कीड़ों सहित विविध जानवरों को आश्रय मिलता है, ”कलकत्ता विश्वविद्यालय के प्रोफेसर सुबीर के बेरा, प्राचीन पौधों के विशेषज्ञ और पेपर के सह-लेखक ने कहा।
“हमें ठीक 56 मिलियन वर्ष में कार्बन आइसोटोप में एक बड़ी विसंगति मिली। यह बहुत उच्च वायुमंडलीय CO2 वाले सुपर ग्रीनहाउस ग्लोब के लिए एक ऐसा विशिष्ट संकेत था। मिट्टी में हाइड्रोजन और ऑक्सीजन आइसोटोप की संरचना भूमि के तापमान और वर्षा की मात्रा पर निर्भर करती है और पिछली जलवायु के स्नैपशॉट के रूप में कार्य करती है। इसी तरह, जीवाश्म दांतों में मौजूद आइसोटोप यह इतिहास दर्ज करते हैं कि जानवरों ने क्या पानी पिया। जैसे-जैसे CO2 बढ़ने लगी, भूमि असामान्य रूप से 40oC से अधिक गर्म हो गई। लेकिन हमें यह देखकर आश्चर्य हुआ कि बाद की अवधि में तापमान ~30oC तक कम हो गया, लगभग आज के समान। इस ग्लोबल वार्मिंग चरण के दौरान और उसके बाद वर्षावन न केवल जीवित रहे, बल्कि इसमें विविधता भी आई, ”आईआईटी खड़गपुर की पूर्व पीएचडी छात्रा अर्पिता सामंता, वर्तमान में आशुतोष कॉलेज, कलकत्ता में सहायक प्रोफेसर और पेपर की मुख्य लेखिका अर्पिता सामंत ने कहा।
“वर्षावन को जीवित रहने में किस बात ने मदद की? हमने वर्षा के पैटर्न को गंभीरता से देखा और पाया कि वार्मिंग ने वर्षा को तेज कर दिया और संभवतः तापमान में गिरावट आई। हम इसे वर्षा बफर्ड तापमान कहते हैं। बढ़ी हुई वर्षा और कम तापमान ने पश्चिमी भारत के इन प्राचीन वर्षावनों को बरकरार रखा, ”डॉ मेलिंडा के बेरा ने कहा, एक आइसोटोप विशेषज्ञ जिन्होंने कड़ी मेहनत से नवीन मिट्टी आधारित थर्मामीटर विकसित किया और सह-लेखक हैं।
“वस्तान रिकॉर्ड कई मायनों में अद्वितीय है। यह इस बात का पहला रिकॉर्ड है कि उष्णकटिबंधीय वर्षावनों ने अतीत में CO2 के ऊंचे स्तर और ग्लोबल वार्मिंग पर कैसे प्रतिक्रिया दी। एकमात्र अन्य उपलब्ध रिकॉर्ड नवउष्णकटिबंधीय दक्षिण अमेरिका से है। वस्तान डेटा से पता चलता है कि विश्व स्तर पर उष्णकटिबंधीय पौधे समुदाय ने मिलकर प्रतिक्रिया व्यक्त की। दूसरा, इस सुपर ग्रीनहाउस पृथ्वी के दौरान बढ़ी हुई वर्षा ग्रह के भविष्य में अत्यधिक 4oC वार्मिंग के मामले में तीव्र वर्षा शासन की आईपीसीसी भविष्यवाणी का बिल्कुल समर्थन करती है। वस्तान हमारी भविष्य की ग्रीनहाउस पृथ्वी क्या हो सकती है इसका एक प्राचीन एनालॉग है। जीवाश्म ईंधन उत्सर्जन ने CO2 को पूर्व-औद्योगिक स्तर 280 पीपीएम से बढ़ाकर 2024 में ~421 पीपीएम कर दिया है। जलवायु मॉडल सुझाव देते हैं कि CO2 के दोगुना होने से वायुमंडलीय परिसंचरण तेज हो जाएगा और परिणामस्वरूप वर्षा होगी। प्रकृति ने अतीत में पहले ही ऐसे प्रयोग किये हैं जिनसे हमें सीखने को कुछ सबक मिले हैं। कई विशेषज्ञों का मानना है कि ग्लोबल वार्मिंग की इतनी तेज़ दर के कारण जलवायु परिवर्तन अब अपरिवर्तनीय है और वर्षावन या समुद्री जीवमंडल का पतन आसन्न है। वस्तान रिकॉर्ड से पता चलता है कि कुछ उम्मीद हो सकती है। कम से कम वर्षा वन गर्मी का तनाव झेल सकते हैं और जीवित रह सकते हैं,” प्रोफेसर सरकार ने कहा
Reference: The Temperature-Precipitation Duel and Tropical Greening during the Early Eocene Greenhouse Episode by Samanta A. et al., Global and Planetary Change, Available online 16 October 2024, 104603:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921818124002509
Fig.1: Position of Indian landmass 56 million years back with location of Vastan, Gujarat (Yellow asterisk)
Fig.2: The Coal beds of Vastan that was once a dense tropical rain forest
Fig.3: Fossil remain of plant that grew during the super greenhouse earth
Fig.4: Pollens of 56 million year old rain forest trees
Fig.5: An extinct fly preserved in tree amber of Vastan (photo courtesy Dr. H.S. Rana, Birbal Sahni Institute of Palaeosciences, Lucknow)
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