Чтобы предсказать влияние выбросов человека, исследователям необходимо получить полную картину цикла метана в атмосфере. Им необходимо знать размер входов – как естественных, так и человеческих – а также выходов. Им также необходимо знать, как долго метан находится в атмосфере.
Чтобы помочь в развитии этого понимания, Том Вебер, доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде в Университете Рочестера; студент-исследователь Никола Вайзман ’18, ныне аспирант Калифорнийского университета в Ирвине; и их коллега Аннетт Кок из Центра исследований океана им. Гельмгольца GEOMAR в Германии использовали науку о данных, чтобы определить, сколько метана выбрасывается из океана в атмосферу каждый год.
Их результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, заполняют давний пробел в исследованиях метанового цикла и помогут климатологам лучше оценить масштабы антропогенных нарушений. Исследование является частью усилий Вебера по использованию науки о данных, чтобы лучше понять, как различные парниковые газы, включая азот и углекислый газ, влияют на глобальные климатические системы.
УЧИТЫВАЙТЕ БЮДЖЕТ ПО МЕТАНУ
Каждые три года международная группа климатологов под названием Global Carbon Project обновляет так называемый бюджет метана. Бюджет метана отражает текущее состояние понимания входов и выходов в глобальном цикле метана. Последний раз обновлялся в 2016 г.
«Бюджет метана помогает нам поместить выбросы метана в атмосферу в контексте и обеспечивает основу для оценки будущих изменений», – говорит Вебер. "В прошлых бюджетах метана термин" океан "был очень неопределенным. Мы знаем, что океан естественным образом выделяет метан в атмосферу, но мы не обязательно знаем, сколько именно."
В метановом бюджете, если один член является неопределенным, он добавляет неопределенности ко всем другим терминам и ограничивает способность исследователей предсказать, как глобальная метановая система может измениться. По этой причине получение более точной оценки выбросов метана в океане было важной целью исследования цикла метана в течение многих лет.
Но, как говорит Вебер, "это непросто."Поскольку океан настолько обширен, пробы метана были отобраны только в небольших его частях, а это значит, что данных недостаточно.
ОБРАЩЕНИЕ К МОДЕЛЯМ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ
Чтобы преодолеть это ограничение, Вебер и Вайзман скомпилировали все доступные данные о метане из океана и использовали их в моделях машинного обучения – компьютерных алгоритмах, предназначенных для распознавания образов. Эти модели смогли распознать систематические закономерности в данных по метану, что позволило исследователям предсказать вероятные выбросы даже в регионах, где не проводились прямые наблюдения.
«Наш подход позволил нам определить уровень выбросов в мировом океане гораздо точнее, чем когда-либо прежде», – говорит Вебер.
Последняя версия бюджета метана будет выпущена позже в этом году и включает результаты из статьи Вебера, что даст исследователям лучшее понимание того, как метан циркулирует в земной системе.
ГДЕ НАИБОЛЕЕ КОНЦЕНТРИРОВАНЫ ВЫБРОСЫ МЕТАНА В ОКЕАНЕ?
Помимо содействия лучшему пониманию глобального бюджета метана, исследование привело к двум другим интересным выводам:
-Во-первых, на очень мелководные прибрежные воды приходится около 50 процентов общих выбросов метана из океана, несмотря на то, что они составляют всего 5 процентов площади океана. Это связано с тем, что метан может просачиваться из резервуаров природного газа вдоль окраин континентов и может производиться биологически в бескислородных (обедненных кислородом) отложениях на морском дне. В глубоких водах метан, вероятно, будет окисляться, поскольку он проходит свой длинный путь от морского дна в атмосферу.
Но на мелководье есть быстрый путь в атмосферу, и метан улетучивается до того, как окислится. Вебер в настоящее время сотрудничает с Джоном Кесслером, профессором наук о Земле и окружающей среде из Рочестера, чтобы решить остающиеся неопределенности в прибрежных выбросах метана путем проведения исследовательских экспедиций и дальнейшей разработки моделей машинного обучения.
-Во-вторых, метан имеет пространственную структуру, очень похожую на структуру численности фитопланктона, что подтверждает противоречивую недавнюю гипотезу о том, что планктон производит метан на поверхности океана. Ранее ученые считали, что метан может быть произведен только в бескислородных условиях, обнаруженных на дне океана. «Постепенно накапливаются доказательства, позволяющие опровергнуть эту парадигму, и наша статья добавляет важный элемент», – говорит Вебер.
Каждый природный источник метана, вероятно, также чувствителен к изменению климата, и исследователям важно иметь точные исходные данные.
«Есть ряд причин полагать, что океан может стать более крупным источником метана в будущем, но до тех пор, пока у нас не будет точной оценки того, сколько он выбрасывает прямо сейчас, мы никогда не сможем определить эти будущие изменения», Вебер говорит.