Methaan is een krachtig broeikasgas dat zowel door natuurlijke processen als door menselijke activiteiten aan de atmosfeer wordt toegevoegd. zoals energieproductie en landbouw.

Om de effecten van menselijke emissies te voorspellen, onderzoekers hebben een compleet beeld nodig van de methaancyclus van de atmosfeer. Ze moeten de grootte van de inputs kennen, zowel natuurlijke als menselijke, evenals de outputs. Ze moeten ook weten hoe lang methaan in de atmosfeer blijft.

Om dit inzicht te helpen ontwikkelen, Tom Weber, een assistent-professor aard- en milieuwetenschappen aan de Universiteit van Rochester; bachelor onderzoeker Nicola Wiseman '18, nu een afgestudeerde student aan de Universiteit van Californië, Irvine; en hun collega Annette Kock van het GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research in Duitsland, gebruikte datawetenschap om te bepalen hoeveel methaan elk jaar vanuit de oceaan in de atmosfeer wordt uitgestoten. hun resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , een al lang bestaande leemte in het onderzoek naar de methaancyclus opvullen en klimaatwetenschappers helpen de omvang van menselijke verstoringen beter in te schatten. De studie maakt deel uit van Weber's poging om datawetenschap te gebruiken om beter te begrijpen hoe verschillende broeikasgassen, inclusief stikstof en koolstofdioxide, invloed hebben op de mondiale klimaatsystemen.

Let op het methaanbudget

Elke drie jaar, een internationale groep klimaatwetenschappers, het Global Carbon Project genaamd, actualiseert wat bekend staat als het methaanbudget. Het methaanbudget weerspiegelt de huidige stand van inzicht in de inputs en outputs in de wereldwijde methaancyclus. Het is voor het laatst bijgewerkt in 2016.

"Het methaanbudget helpt ons de menselijke methaanemissies in een context te plaatsen en biedt een basis om toekomstige veranderingen te beoordelen. " zegt Weber. "In eerdere methaanbudgetten, de oceaan is een zeer onzekere term geweest. We weten dat de oceaan van nature methaan afgeeft aan de atmosfeer, maar we weten niet per se hoeveel."

In het methaanbudget als een term onzeker is, het voegt onzekerheid toe aan alle andere termen, en beperkt het vermogen van onderzoekers om te voorspellen hoe het wereldwijde methaansysteem zou kunnen veranderen. Om die reden, het maken van een nauwkeurigere schatting van de methaanemissies in de oceanen is al jaren een belangrijk doel van het onderzoek naar de methaancyclus.

Maar, Weber zegt, "het is niet makkelijk." Omdat de oceaan zo groot is, slechts kleine delen ervan zijn bemonsterd op methaan, wat betekent dat gegevens schaars zijn.

Over naar modellen voor machine learning

Om deze beperking te overwinnen, Weber en Wiseman verzamelden alle beschikbare methaangegevens uit de oceaan en voerden deze in machine learning-modellen - computeralgoritmen die zijn ontworpen voor patroonherkenning. Deze modellen waren in staat om systematische patronen in de methaandata te herkennen, waardoor de onderzoekers kunnen voorspellen wat de emissies zullen zijn, zelfs in regio's waar geen directe waarnemingen zijn gedaan.

"Onze aanpak stelde ons in staat om de wereldwijde oceaanemissiesnelheid veel nauwkeuriger vast te stellen dan ooit tevoren, ' zegt Weber.

De nieuwste versie van het methaanbudget wordt later dit jaar uitgebracht en bevat de resultaten van Weber's paper, waardoor onderzoekers een beter begrip krijgen van hoe methaan door het hele systeem van de aarde circuleert.

Waar zijn de methaanemissies in de oceaan het meest geconcentreerd?

Naast het bijdragen aan een beter begrip van het wereldwijde methaanbudget, het onderzoek leverde nog twee andere interessante bevindingen op:

-Eerst, zeer ondiepe kustwateren dragen ongeveer 50 procent bij aan de totale methaanemissies van de oceaan, ondanks dat ze slechts 5 procent van het oceaangebied uitmaken. Dat komt omdat methaan uit aardgasreservoirs langs continentale randen kan sijpelen en biologisch kan worden geproduceerd in anoxische (zuurstofarme) sedimenten op de zeebodem. In diepe wateren, methaan zal waarschijnlijk worden geoxideerd terwijl het zijn lange route van de zeebodem naar de atmosfeer aflegt. Maar in ondiepe wateren, er is een snelle route naar de atmosfeer en methaan ontsnapt voordat het wordt geoxideerd. Weber werkt momenteel samen met John Kessler, hoogleraar aard- en milieuwetenschappen aan Rochester, om de resterende onzekerheden in de methaanemissies aan de kust op te lossen door onderzoekscruises uit te voeren en machine learning-modellen verder te ontwikkelen.

-Tweede, methaan vertoont een ruimtelijk patroon dat erg lijkt op dat van de overvloed aan fytoplankton, die een controversiële recente hypothese ondersteunt dat plankton methaan produceert in de oppervlakte-oceaan. Eerder, wetenschappers geloofden dat methaan alleen kon worden geproduceerd in de zuurstofloze omstandigheden op de bodem van de oceaan. "Bewijs stapelt zich geleidelijk op om dat paradigma omver te werpen, en onze krant voegt een belangrijk stuk toe, ' zegt Weber.

Elke natuurlijke bron van methaan is waarschijnlijk ook gevoelig voor klimaatverandering, en het is belangrijk voor onderzoekers om een ​​nauwkeurige baseline te hebben.

"Er zijn een aantal redenen om aan te nemen dat de oceaan in de toekomst een grotere bron van methaan kan worden, maar tenzij we een goede schatting hebben van hoeveel het nu uitstoot, dat zullen we nooit zijn om die toekomstige veranderingen te identificeren, ' zegt Weber.