Med vatten som täcker mer än 70 procent av jordens yta, det är inte konstigt att vår planet har smeknamnet Blue Marble. Sett från yttre rymden, vår marmor är sammanvävd med virvlar av moln och fläckar av land som definieras av kustlinjer—372, 000 mil värt.

Zooma in på marmorn och du kommer att se kustlinjerna som korsar otaliga floder och bäckar. Du kommer också att se koncentrationen av kuststäder, inklusive många av världens största och minsta. Kustzoner står för nästan hälften av vår globala befolkning och är värd för den infrastruktur som driver en global ekonomi.

Om du skulle zooma ännu längre in i dessa land-vatten-korsningar – bortom vad blotta ögat kan se – skulle du hitta en livlig gemenskap av små organismer som filtrerar både näringsämnen och föroreningar för att hålla vår planet frisk.

Sådan är omfattningen av jordens jord-vattengränssnitt, ett dynamiskt globalt ekosystem som förändras med tidvattnet, årstiderna, mänsklig utveckling, och alltmer, klimat.

"Kustregioner upplever ett brett spektrum av faror och påfrestningar, inklusive höjning av havsnivån, extrema väderhändelser, erosion, åldrande infrastruktur, och ekologisk försämring, " sa PNNL-forskaren Ian Kraucunas. "Mänskliga aktiviteter, särskilt utbyggnaden av den byggda miljön och andra markanvändningsförändringar, driver förändringar i kustzoner som kan vara lika viktiga som förändringar i det naturliga systemet."

PNNL-forskare arbetar för att bättre förstå de naturliga och mänskliga triggers som påverkar motståndskraften hos denna alltmer sårbara, sammankopplade, och viktigt system. Det är ett enormt åtagande – uppenbart i dussintals presentationer av PNNL-forskare vid årets sammankomst av American Geophysical Union – och det börjar med det långa perspektivet.

Förbättring av förutsägelser:Kustmodellering

Forskare påbörjar ett nytt projekt för det amerikanska energidepartementet som inriktar sig på några av de största osäkerheterna i att projicera utvecklingen av kustmiljöer. Projektet Integrated Coastal Modeling, ledd av Kraucunas, fokuserar på att utveckla och integrera beräkningsmodeller som kan simulera kustprocesser.

Föreställ dig de olika naturliga kustlinjerna – långa sandstränder, ishyllor, branta klippor, och gradvis sluttande gyttja som leder till tidvattengräs och flodmynningar, till exempel. Flytta inåt landet, små och stora bäckar rinner ner från högre höjder, några tumlar fritt fram medan andra samlas bakom dammar.

Vilket leder oss till mänsklig utveckling. Seaside bostadsrätter, semesterorter, och skyskrapor står bredvid fiskesamhällen, militära hamnar, och fraktcentra, för att inte tala om vägarna, tunnelbanor, och elektrisk infrastruktur som förbinder det hela.

Lägg nu till Moder Natur, med influenser från atmosfären, hav, vind, och nederbördsmönster. Dessa mönster påverkar var och hur mycket vatten som faller och om det faller som snö eller regn eller förvandlas till en orkan. Dessa interaktioner bestämmer hur organismer interagerar i sin miljö, inklusive var människor väljer att bo.

För att förstå hur kustsamhällen kan utvecklas inför klimatförändringarna, forskare måste överväga mänsklig utveckling tillsammans med akvatiska processer från bergsområden och flodkustlinjer till översvämningsslätter och det öppna havet. Alla dessa processer sker över en rad rums- och tidsskalor, gör det svårt att simulera med datormodeller – en utmaning som PNNL tar itu med.

Insatsen fokuserar initialt på den amerikanska mittatlantiska regionen, som har upplevt allvarliga effekter från extrema väderhändelser med ökande frekvens under de senaste decennierna. Projektet syftar till att leverera en robust förutsägande förståelse av kustutvecklingen som står för komplexet, multiskaliga interaktioner mellan fysiska, biologisk, och mänskliga system.

Vad du kan förvänta dig:Extrema händelser

Den amerikanska kustfastighetsmarknaden, inklusive offentlig och privat infrastruktur, har ett uppskattat värde på cirka en biljon dollar. Befolkningstillväxten fortsätter att öka storleken på våra städer, inklusive i kustnära och kustnära områden. Ändå resulterar stressorer från både naturliga och mänskliga system i miljarder dollar i förluster varje år. Havsnivåerna fortsätter att stiga, och extrema väderhändelser, inklusive kraftig nederbörd, stormfloder, högvatten, och vindar förväntas öka i frekvens och intensitet. Och i bakgrunden, vår offentliga infrastruktur – elkraft, vatten, och transportsystem – fortsätter att utvecklas.

PNNL-forskare under ledning av David Judi karaktäriserar påverkan och risken för extrema händelser på mänskliga system. Till exempel, hur kommer framtida översvämningsnivåer att påverka vårt stadsbyggnadsbestånd? Vilken påverkan kommer havsnivån att stiga, tillsammans med tropiska cykloner, har på vår offentliga infrastruktur?

Med hjälp av integrerade, flerskaliga modeller av både naturliga och mänskliga system, forskningen kopplar faror med konsekvenser för att kvantifiera risker i kustnära stadsområden.

Metan:En mikrobiell migration

Växthusgaser, som metan, fånga värme i atmosfären och påverka globala klimatprocesser. Medan kor tar det mesta av rap på metan, gasen bubblar upp från alla miljöer där mikrober mumsar på ruttnande organiskt material.

En PNNL forskargrupp ledd av Nick Ward tittar på olika terrestra och akvatiska ekosystem för att bättre förstå var metan kommer ifrån under utvecklande förhållanden. De flesta tidigare studier fokuserade på landjordar och sötvattensekosystem, eftersom metanutsläppen antogs vara lägre vid kusterna, där havsvatten hämmar metanproduktionen. Ny forskning visar att detta antagande kanske inte är sant.

Forskare har hittat stora mängder metan djupt inne i kustjordar. Transporteras med vatten under extrema högvattenöversvämningar, denna metan når så småningom atmosfären. När havsnivån fortsätter att stiga, detta fenomen kan resultera i en nettoökning av metanutsläpp från vattendelar.

Rising Tide:Vikten av små bäckar

Små floder och bäckar slingrar sig över endast en liten andel av jordens yta. Ändå spelar dessa vattenvägar och dynamiska strandlinjer en avgörande roll för att cirkulera kol och näringsämnen genom marken, växter, och atmosfären.

Faktiskt, jämfört med mycket studerade och modellerade stora floddeltat, små tidvattenströmmar är tätare förbundna med det omgivande landet. Och det finns många fler av dem — hundratals och hundratals fler. Föreställ dig alla platser där vatten möter land som hot spots för ekosystemaktivitet – det är mycket action.

Jerry Tagestad leder ett team av forskare som ifrågasätter uppfattningen att stora floddeltat dominerar kustprocesser. Deras mål är att fylla det gapande hålet i klimatmodeller för att inkludera små tidvattenströmmar och deras roll i återbosättning av sediment, översvämningskontroll, och andra ekosystemtjänster, särskilt inför stigande havsnivåer.

Att främja en mer kollektiv förståelse av kustsystems dynamik och evolution är en formidabel vetenskaplig utmaning. PNNL möter utmaningen direkt för att informera beslut för framtiden.