Vi bor, arbete, och spela vid kusten.

Cirka 40 procent av världens befolkning bor för närvarande nära kusten. Mycket av världens energi, försvar, och industriell infrastruktur ligger vid kusten, och sjöfart genom kusthamnar står för mer än 90 procent av den globala handeln.

Men kustlandskap är också sårbara för globala förändringar. Senast 2100, mer än dubbelt så många människor skulle kunna bo i områden som är utsatta för översvämningar, med tanke på att havsnivån stiger, urban tillväxt, invandring, och scenarier för höga koldioxidutsläpp.

"De viktigaste globala klimatmodellerna [dator] som forskare använder för närvarande beskriver kusten som en pixel som i huvudsak är hälften land och hälften hav, " sade PNNL biogeokemist Nick Ward. "Det bara lämnar landet till havet."

I en nyligen publicerad recensionsartikel, publicerad 18 maj i Naturkommunikation , ett tvärvetenskapligt team av forskare ledd av Ward föreslog en väg för att förfina representationen av kustgränssnitt i jordsystemsmodeller som används för att förutsäga klimatet på jorden. De föreslår att man beskriver funktionerna hos kustgränssnitt i ekosystemskala, klassificera kustnära ekosystem i några funktionella typer, använda detaljerade modeller som finns på lokal skala för dessa kategorier, och sedan tillämpa lärdomar från lokala modeller på liknande kustekosystem runt om i världen.

Definiera kustprocessgradienter på en ekosystemskala

Jordsystemmodeller beskriver hur ekosystem runt om i världen interagerar genom överföring av näringsämnen och energi för att påverka klimatet. Biologisk och geokemisk mångfald är grunden för många av dessa överföringscykler, och kustnära ekosystem är hem för några av de mest biologiskt och geokemiskt olika systemen på planeten.

Dock, de flesta detaljer om funktionen av kustnära ekosystem saknas i nuvarande jordsystemmodeller. Dessa modeller representerar för närvarande ett kustgränssnitt som en enkel övergång mellan land och hav. I verkligheten, gränssnittet är en gradvis förändring, formats till stor del av balansen mellan tidvattenflöde och sötvattenutsläpp från land.

Geografi – branta eller grunda kustlinjer – är en primär faktor som påverkar hur sötvatten och havsvatten interagerar vid ett kustgränssnitt. Effekten av tidvatten färdas längre in i landet genom tidvattenfloder för grundare kustlinjer än en där steniga klippor möter havet. Också, att följa vattenflödet vid ett kustgränssnitt avslöjar processer och gradienter från skalan av molekyler och mikrober till träd och sediment.

Blandningen av sötvatten och saltvatten vid ett kustgränssnitt genererar en salthaltsgradient som påverkar de typer av växter som växer inåt landet samt sammansättningen av mikrobiella samhällen som lever i marken och sedimenten. Växterna och mikroberna i ett kustområde påverkar näringsämnena och kolets kretslopp i ett ekosystem, och sediment som sköljs från land till floder och flodmynningar påverkar tillgången på näringsämnen.

"Dessa faktorer har studerats i laboratorier och på olika platser runt om i världen, sa Vanessa Bailey, en markforskare vid PNNL. "Nu vill vi samla alla som studerar gränssnittet mellan land och hav för att bättre förstå de sammankopplade processerna som sker i kustgränssnitt på ekosystemskalan."

Beskriver störningar och motståndskraft vid kustprocesser

När forskare arbetar för att bättre förstå hur kustnära ekosystem fungerar, de har också en andra uppgift:att studera hur motståndskraftiga dessa ekosystem är mot globala förändringar. Eftersom kustnära ekosystem är ett gränssnitt mellan land och hav, de upplever också effekter av störningar i båda områdena. Torka och markanvändningsförändringar i inlandet kan påverka kustprocesser, tillsammans med havsnivåhöjningen i havet.

Med så många sammankopplade processer som sker i kustnära ekosystem, forskare ställs inför många frågor när de skapar detaljerade prediktiva modeller av funktionen och responsen hos kustgränssnitt. Vilka kustprocesser och vilka landbaserade processer behöver ingå? På vilka geografiska och tidsskalor? Speglar modellerna hur kustnära ekosystem skulle kunna reagera på globala förändringar?

Klassificering av kustprocesser och koordinering av framtida forskning

I deras artikel, teamet av tvärvetenskapliga forskare från akademin, nationella laboratorier, och federala myndigheter föreslår en strategi för att svara på dessa frågor. Ett sätt att representera kustgränssnitt i jordsystemmodellen är med en modell av varje kustnära ekosystem i världen. Dock, med 372, 000 miles av kusten runt om i världen, forskarna erkänner att uppgiften är omöjlig.

Så de erbjuder ett annat alternativ:klassificera kustnära ekosystem i några funktionella typer, göra detaljerade modeller för dessa kategorier, och sedan tillämpa dessa modeller på andra kustnära ekosystem.

Funktionella klassificeringar kan beskriva geografiska egenskaper, som oländiga kustlinjer eller svagt sluttande stränder. De skulle kunna beskriva ekosystem på sätt som samlar olika typer av flodmynningssystem, tidvattensängar, eller strandlinjer tillsammans.

"När det vetenskapliga samfundet utvecklar dessa modeller, det kommer också att avslöja luckor där mer observationsdata behövs för att validera modellerna, " sa Ward. För att samla in dessa uppgifter, han och hans kollegor rekommenderar att man utnyttjar befintliga långsiktiga ekologiska övervakningsnätverk och riktar forskningen mot vanliga frågor.

Uppgiften framför är något ingen kan göra ensam, avslutade laget. Ward höll med:"Att utveckla dessa detaljerade modeller kommer att kräva samordning mellan institutioner, finansiärer, och befintliga långsiktiga forskningsnätverk för att utveckla en global förståelse av kustgränssnitt."