Metan är en potent växthusgas som tillförs atmosfären genom både naturliga processer och mänskliga aktiviteter, som energiproduktion och jordbruk.

För att förutsäga effekterna av mänskliga utsläpp, forskare behöver en fullständig bild av atmosfärens metancykel. De behöver känna till storleken på insatserna – både naturliga och mänskliga – såväl som utdata. De behöver också veta hur länge metan finns i atmosfären.

För att hjälpa till att utveckla denna förståelse, Tom Weber, en biträdande professor i jord- och miljövetenskap vid University of Rochester; forskare Nicola Wiseman '18, nu doktorand vid University of California, Irvine; och deras kollega Annette Kock vid GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research i Tyskland, använde datavetenskap för att fastställa hur mycket metan som släpps ut från havet till atmosfären varje år. Deras resultat, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , fylla en långvarig lucka i metancykelforskningen och kommer att hjälpa klimatforskare att bättre bedöma omfattningen av mänskliga störningar. Studien är en del av Webers försök att använda datavetenskap för att bättre förstå hur olika växthusgaser, inklusive kväve och koldioxid, påverka globala klimatsystem.

Tänk på metanbudgeten

Vart tredje år, en internationell grupp klimatforskare kallad Global Carbon Project uppdaterar vad som kallas metanbudgeten. Metanbudgeten återspeglar det nuvarande tillståndet av förståelse för insatser och utgångar i den globala metancykeln. Den uppdaterades senast 2016.

"Metanbudgeten hjälper oss att sätta mänskliga metanutsläpp i ett sammanhang och ger en baslinje mot vilken vi kan bedöma framtida förändringar, " säger Weber. "I tidigare metanbudgetar, havet har varit ett mycket osäkert begrepp. Vi vet att havet naturligt släpper ut metan till atmosfären, men vi vet inte nödvändigtvis hur mycket."

I metanbudgeten, om en term är osäker, det lägger till osäkerhet till alla andra termer, och begränsar forskarnas förmåga att förutsäga hur det globala metansystemet kan förändras. Av den anledningen, att komma med en mer exakt uppskattning av oceaniska metanemissioner har varit ett viktigt mål för metancykelforskningen i många år.

Men, Weber säger, "det är inte lätt." Eftersom havet är så stort, endast små delar av den har provtagits för metan, vilket betyder att data är knappa.

Övergår till modeller för maskininlärning

För att övervinna denna begränsning, Weber och Wiseman sammanställde all tillgänglig metandata från havet och matade in den i maskininlärningsmodeller - datoralgoritmer designade för mönsterigenkänning. Dessa modeller kunde känna igen systematiska mönster i metandata, gör det möjligt för forskarna att förutsäga vilka utsläpp sannolikt kommer att bli, även i regioner där inga direkta observationer har gjorts.

"Vårt tillvägagångssätt gjorde det möjligt för oss att fastställa den globala havsutsläppshastigheten mycket mer exakt än någonsin tidigare, säger Weber.

Den senaste versionen av metanbudgeten kommer att släppas senare i år och innehåller resultaten från Webers tidning, ge forskare en bättre förståelse för hur metan cirkulerar i hela jordens system.

Var är havets metanutsläpp mest koncentrerat?

Förutom att bidra till en bättre förståelse av den globala metanbudgeten, forskningen gav två andra intressanta resultat:

-Först, mycket grunda kustvatten bidrar med cirka 50 procent av de totala metanutsläppen från havet, trots att de bara utgör 5 procent av havsytan. Det beror på att metan kan sippra ut ur naturgasreservoarer längs kontinentala marginaler och kan produceras biologiskt i anoxiska (syrefattiga) sediment vid havsbotten. På djupa vatten, Metan kommer sannolikt att oxideras när det färdas sin långa väg från havsbotten till atmosfären. Men i grunda vatten, det finns en snabb väg till atmosfären och metan flyr ut innan det oxideras. Weber samarbetar för närvarande med John Kessler, professor i jord- och miljövetenskap vid Rochester, att lösa de återstående osäkerheterna i kustnära metanutsläpp genom att genomföra forskningskryssningar och vidareutveckla modeller för maskininlärning.

-Andra, metan uppvisar ett rumsligt mönster som mycket liknar det för växtplankton, vilket stöder en kontroversiell hypotes nyligen att plankton producerar metan i ythavet. Tidigare, forskare trodde att metan endast kunde produceras under de anoxiska förhållanden som finns på botten av havet. "Bevis ackumuleras gradvis för att störta det paradigmet, och vårt papper lägger till en viktig del, säger Weber.

Varje naturlig källa till metan är sannolikt också känslig för klimatförändringar, och det är viktigt för forskare att ha en korrekt baslinje.

"Det finns ett antal skäl att tro att havet kan bli en större källa till metan i framtiden, men om vi inte har en bra uppskattning av hur mycket den släpper ut just nu, vi kommer aldrig att kunna identifiera dessa framtida förändringar, säger Weber.