Boden ist der größte terrestrische Kohlenstoffspeicher der Erde und spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des Kohlenstoffkreislaufs unseres Planeten. Wie er bewirtschaftet wird, könnte darüber entscheiden, ob er den Klimawandel abschwächt oder verschärft. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Boden, Kohlenstoff und Klima sind jedoch nach wie vor eine erhebliche Unsicherheit in globalen Klimamodellen. Um dies zu ändern, hat das Department of Energy (DOE) der University of Arizona (U of A) im Rahmen einer 8 Millionen US-Dollar schweren Initiative zur Verfeinerung von Klimawandelmodellen 610.166 US-Dollar zugesprochen.
Forschende des Department of Hydrology and Atmospheric Sciences der U of A kombinieren Genomik und künstliche Intelligenz, um die Herausforderung zu bewältigen, Bodenmikroben – winzige Organismen mit überproportional großer Wirkung – in globale Klimamodelle zu integrieren.
Boden- und Klimarückkopplung: Das fehlende Bindeglied
Das Verständnis der Rolle des Bodens bei Klimarückkopplungen ist entscheidend für bessere Klimaprognosen. Mikrobielle Gemeinschaften im Boden beeinflussen maßgeblich die Freisetzung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2) und die Verfügbarkeit von Nährstoffen für Pflanzen. Aufgrund ihrer mikroskopischen Größe und Komplexität waren diese Gemeinschaften jedoch lange Zeit nur schwer zu untersuchen und in Modelle zu integrieren.
„Mikrobielle Gemeinschaften sind der wichtigste Faktor für die Steuerung der Treibhausgasemissionen aus dem Boden“, erklärte Yang Song, Assistenzprofessorin für Hydrologie und Atmosphärenwissenschaften an der U of A.
Song ist die leitende Forscherin des Projekts. Ihr Team wird modernste Genomikdaten nutzen, um zu untersuchen, wie Umweltveränderungen die mikrobielle Vielfalt beeinflussen und die Kohlenstoff-Klima-Rückkopplung des Bodens verändern. So könnten Veränderungen in den mikrobiellen Populationen beispielsweise beeinflussen, wie viel Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt wird, was wiederum den Klimawandel weiter beeinflusst.
KI für Klimawandel-Rückkopplungen nutzen
Die Forschenden wollen biologische und Umweltdaten in das Energy Exascale Earth System Model (E3SM) des DOE integrieren – ein hochentwickeltes Klimamodell, das darauf ausgelegt ist, das Klimasystem der Erde mit hoher Präzision zu simulieren. Songs Team hat KI-Modelle entwickelt, die in der Lage sind, mikrobielle Gemeinschaften in den gesamten USA zu kartieren und zu bewerten, wie sich Umweltveränderungen auf deren funktionale Vielfalt auswirken.
Nun übertragen sie diese Arbeit auf die globale Ebene, um die Darstellung bodenbiogeochemischer Prozesse in E3SM zu verfeinern. Die KI-gestützte Klimamodellierung des Teams wird entscheidende Fragen dazu beantworten, wie Boden-Kohlenstoff auf veränderte Klimabedingungen reagiert. Dadurch sollen Unsicherheiten bei der Modellierung von Klimarisiken verringert und Prognosen für künftige Szenarien verbessert werden.
Bedeutung für globale Klimamodelle
Die Ergebnisse des Projekts könnten wichtige Klimabewertungen beeinflussen, etwa jene des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Verbesserte KI-Klimamodelle könnten tiefere Einblicke in die Dynamik des Bodenkohlenstoffs bieten und es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ermöglichen, vorherzusagen, wie im Boden gespeicherter Kohlenstoff im Laufe der Zeit den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre und die globalen Temperaturen beeinflussen wird. Über den wissenschaftlichen Fortschritt hinaus könnte diese Forschung auch politische Maßnahmen und Strategien zur Bekämpfung des Klimawandels unterstützen. Ein besseres Verständnis der Rolle des Bodens bei Klimawandel-Rückkopplungen könnte mithilfe der verbesserten Modelle konkrete Möglichkeiten aufzeigen, wie sich Bodenkohlenstoff bewirtschaften und Klimarisiken mindern lassen.