Förra månaden, ett internationellt team av forskare, inklusive Berkeley Labs William Riley och Qing Zhu, publicerade en uppdatering om den globala metanbudgeten som en del av Global Carbon Project. De uppskattade de årliga globala metanutsläppen till nästan 570 miljoner ton under decenniet 2008 till 2017, vilket är 5% högre än utsläppen som registrerades under början av 2000 -talet och motsvarar 189 miljoner fler bilar på världens vägar.

Antropogena källor som jordbruk, avfall, och fossila bränslen bidrog till 60% av dessa utsläpp, medan våtmarker utgjorde den största naturliga metankällan. Riley, en senior vetenskapsman från Berkeley Lab, fokuserar på att modellera hur markbundna ekosystem - som våtmarker - interagerar med klimatet. Arbetar med Zhu, de byggde en av datormodellerna som gör det möjligt för forskare att kvantifiera dessa metanutsläpp från våtmarker i global skala.

Även om de globala metanutsläppen från våtmarker var i stort sett oförändrade mellan det senaste decenniet och början av 2000 -talet, dessa landskap har fortsatt att införa några av de största osäkerheterna vid uppskattningen av den globala metanbudgeten. Riley förklarar sitt teams engagemang i Global Carbon Project och deras ansträngningar för att minska denna osäkerhet.

Fråga:Vad är Global Carbon Project och hur engagerade du dig?

Det är en löst strukturerad grupp internationella forskare som sedan 2001 arbetar för att bygga globala budgetar för växthusgaser, bland andra insatser. Dessa budgetar inkluderar koldioxid, metan, och lustgas. Mycket av arbetet är inriktat på att karakterisera dessa budgetar, förstå varför de kan förändras, och vad det vetenskapliga samfundet kan göra för att uppskatta dem bättre.

Som en del av projektet Minskande osäkerhet i biogeokemiska interaktioner genom syntes och beräkning (RUBISCO), som är ett vetenskapligt fokusområde på Berkeley Lab, vi arbetar med globala koldioxidbudgetar. Berkeley Lab -gruppen byggde en av de ursprungliga globala metanmodellerna för våtmark, och det var därför vi blev ombedda att delta i Global Carbon Project.

Varför ska vi bry oss om metan?

Metan avges från en rad antropogena källor som deponier, lantbruk, och fossila bränslen, liksom naturliga system som våtmarker. Det är den näst viktigaste växthusgasen som människor bidrar till. Sedan förindustriell tid har ökningar av metan i atmosfären har bidragit till en fjärdedel av klimatuppvärmningseffekten från växthusgaser. Det är stort.

Men till skillnad från koldioxid, metan har en kortare livstid i atmosfären. Om vi ​​gör stora förändringar i våra utsläpp, metan kan avlägsnas relativt snabbt.

Fråga:Är metanutsläpp svårt att uppskatta?

Det finns många metankällor. För att skapa en budget måste du lägga till dem alla. Vi kan rimligen uppskatta bidrag från metanutsläpp som orsakas av människor. Dock, det är svårt att uppskatta metanutsläpp från biogena källor som våtmarker, som beräknas utgöra 20 till 30% av den globala metanutsläppsbudgeten.

I våtmarker, metan produceras från mikrobiell aktivitet. När det väl är producerat, det finns flera vägar där metan konsumeras och transporteras från jorden till atmosfären:växter, bubblande, och diffusion. Alla dessa processer är osäkra i sig själva och att sätta ihop dem gör det svårt att göra förutsägelser. Växter, till exempel, kan dra metan ur jorden och släppa ut den direkt i atmosfären, kringgå oxidationssteget som annars är aktivt vid mark-luft-gränssnittet när mark inte är nedsänkt. Det är en mer komplicerad uppsättning fysiska och biologiska processer jämfört med att modellera och förutsäga koldioxidutsläpp.

Det är också utmanande att identifiera hur mycket landyta som är under våtmarker från satellitbilder. Täckningen av övergående våtmarker, till exempel, kan förändras under en säsong eller över flera år på grund av dränering. Också, våtmarker har ofta växande vegetation, vilket kan komplicera fjärranalysberäkningar.

Fråga:Vad bidrar ditt team till att göra bättre utsläppsuppskattningar från våtmarker?

Som en del av Global Carbon Project, Det finns 13 stora modelleringscenter som använder 13 oberoende modeller för att uppskatta metanutsläpp från våtmark, och vi är en av de grupperna. Vår modell, som är integrerad i Department of Energy:s jordsystemmodell, E3SM (Energy Exascale Earth System Model), representerar vitt spridda våtmarker och innehåller många processer som är relevanta för dessa landskap. Som med andra modeller, variabler som temperatur, nederbörd, och metanutsläppsdata som samlas in kontinuerligt från 80 våtmarksplatser som ingår i det globala FLUXNET -nätverket används för att utvärdera och förbättra modellen. Inom dessa jämförelser på webbplatsnivå vi inkluderar också information om våtmarkstyp:ormbunkar, träsk, myrar, etc.; vegetation, som är kolinsatsen i systemet; mikrobiell aktivitet; tillsammans med uppskattningar av vattendjupets djup, som är en stark kontroller av metanutsläpp.

Denna information gör att vi kan utvärdera ett brett spektrum av processer och interaktioner som ytterst påverkar våra utsläppsuppskattningar. Men dessa komplexa biologiska processer introducerar också ett stort osäkerhetsintervall i metanutsläppsprognoser. Vårt mål var att bygga en modell som representerar dessa viktiga processer på ett relativt mekanistiskt sätt som kan testas direkt mot observationer från fältet.

F. Vet vi om vissa modeller fungerar bättre än andra?

Det är fortfarande inte klart vilket tillvägagångssätt som är bäst. Men jag tror att det är värdefullt att använda hela spektrumet av modeller, från det enklaste till det mest nyanserade. Så småningom, vi hoppas alla kunna förbättra förutsägbarheten av metanutsläpp från våtmarker.

De slutliga utsläppen som rapporteras i tidningen är ett genomsnitt av uppskattningar från var och en av de 13 modellerna.

Fråga:Avger våtmarker i vissa regioner mer metan än i andra?

Det finns en stor latitudinal gradient i metanutsläpp från våtmark. Flödena är större i tropikerna än på de höga breddgraderna och tempererade zonerna. Det är mycket varmare i tropikerna, så du får mycket biologisk aktivitet och mer produktion av metan än från de höga breddgraderna där det är riktigt kallt. Vi har uppskattat årliga utsläpp på totalt 110 miljoner ton från tropiska våtmarker jämfört med cirka 10 miljoner ton från de höga breddgraderna.

Det mönstret är inte förvånande och har erkänts länge. Också, dessa utsläpp är naturliga, så de kommer att fortsätta, så länge vi inte tömmer våtmarkerna, som händer.

Fråga:Förväntar du dig att utsläppen från våtmarker kommer att öka i framtiden?

Våra simuleringar tyder på att metanutsläppen kommer att fortsätta att öka när världen värms och koldioxidhalterna i atmosfären ökar. Vår grupp deltar i pågående GCP -insatser för att syntetisera dessa typer av framtida uppskattningar från flera av de globala modelleringsgrupperna.

F. Vilka är dina nästa steg för att förbättra uppskattningsmöjligheterna för din nuvarande modell?

Vi funderar på att använda maskininlärningsverktyg för att bygga upp relationer mellan metanutsläpp från våtmark och alla de faktorer som vi tror styr dessa utsläpp. Ingången kommer att vara utsläppsdata som samlats in på FLUXNET våtmarksplatser tillsammans med andra relevanta variabler - våtmarksegenskaper, vegetation, klimat - avseende dessa regioner. När du väl känner till styrkorna mellan dessa variabler och metanemissioner, du kan extrapolera dem till andra våtmarksplatser för vilka vi inte har utsläppsdata. Självklart, denna typ av tillvägagångssätt kommer att kräva testning på en delmängd av platser där benchmarkingobservationer är tillgängliga för att säkerställa att regionala till globala extrapolationer är lämpliga.

Vi är också intresserade av att integrera dessa typer av observationsbegränsade maskininlärningsmodeller med de mer mekanistiska modellerna, med hopp om att förbättra den övergripande förutsägbarheten för de globala representationerna.