Der Boden ist der größte terrestrische Kohlenstoffspeicher der Erde und spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des Kohlenstoffkreislaufs unseres Planeten. Die Art und Weise, wie er bewirtschaftet wird, könnte darüber entscheiden, ob er den Klimawandel abmildert oder verschärft. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Boden, Kohlenstoff und Klima sind in globalen Klimamodellen jedoch nach wie vor eine erhebliche Unsicherheit. Um diesem Problem zu begegnen, hat das Department of Energy (DOE) der University of Arizona (U of A) im Rahmen einer 8-Millionen-US-Dollar-Initiative zur Verbesserung 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 großen Auswirkungen – 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 stellen diese Gemeinschaften jedoch seit Langem eine Herausforderung für die Erforschung und Integration in Modelle dar.
„Mikrobielle Gemeinschaften sind der wichtigste Faktor für die Kontrolle der Treibhausgasemissionen aus dem Boden“, erklärte Yang Song, Assistenzprofessorin für Hydrologie und Atmosphärenwissenschaften an der U of A.
Song ist die Hauptforscherin des Projekts. Ihr Team wird hochmoderne Genomikdaten nutzen, um zu untersuchen, wie Umweltveränderungen die mikrobielle Diversität beeinflussen und auf die Rückkopplung zwischen Bodenkohlenstoff und Klima einwirken. Veränderungen in den mikrobiellen Populationen könnten beispielsweise die Menge des in die Atmosphäre freigesetzten Kohlendioxids verändern und dadurch wiederum den Klimawandel.
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. Das Team von Song 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 Diversität auswirken.
Nun weiten sie diese Arbeit weltweit aus, um die Darstellung bodenbiogeochemischer Prozesse in E3SM zu verbessern. Die KI-gestützte Klimamodellierung des Teams wird zentrale Fragen dazu beantworten, wie Bodenkohlenstoff auf veränderte klimatische Bedingungen reagiert. Dadurch sollen Unsicherheiten bei der Modellierung von Klimarisiken verringert und Prognosen künftiger Szenarien verbessert werden.
Auswirkungen auf globale Klimamodelle
Die Ergebnisse des Projekts könnten wichtige Klimabewertungen beeinflussen, etwa die des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Verbesserte KI-Klimamodelle könnten tiefere Einblicke in die Dynamik des Bodenkohlenstoffs liefern und es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ermöglichen, vorherzusagen, wie im Boden gespeicherter Kohlenstoff im Laufe der Zeit die Kohlendioxidkonzentration in 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. Indem die Rolle des Bodens bei den Rückkopplungen des Klimawandels besser verstanden wird, könnten die verbesserten Modelle dabei helfen, konkrete Handlungsmöglichkeiten für den Umgang mit Bodenkohlenstoff zu ermitteln und Klimarisiken zu mindern.