Метан является мощным парниковым газом, который попадает в атмосферу как в результате естественных процессов, так и в результате деятельности человека, такой как производство энергии и сельское хозяйство.
Чтобы предсказать воздействие антропогенных выбросов, исследователям нужна полная картина атмосферного метанового цикла. Им нужно знать размер входных данных - как естественных, так и человеческих, - а также выходов. Им также необходимо знать, как долго метан находится в атмосфере.
Чтобы помочь развить это понимание, Том Вебер, доцент наук о земле и окружающей среде в Университете Рочестера; студент-исследователь Никола Уайзман 18 лет, сейчас аспирант Калифорнийского университета в Ирвине; и их коллега Аннет Кок из Центра исследований океана 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 цикла метана и помогут климатологам лучше оценить масштабы антропогенных возмущений. 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.
ПОМНИТЕ О МЕТАНОВОМ БЮДЖЕТЕ
Каждые три года международная группа ученых-климатологов под названием Global Carbon Project обновляет то, что известно как бюджет метана. Бюджет метана отражает текущее состояние понимания входов и выходов в глобальном цикле метана. Последний раз он обновлялся в 2016 году.
«Бюджет метана помогает нам рассматривать выбросы метана человеком в контексте и обеспечивает основу для оценки будущих изменений», - говорит Вебер. «В прошлых метановых бюджетах океан был очень неопределенным термином. Мы знаем, что океан естественным образом выделяет метан в атмосферу, но мы не обязательно знаем, сколько».
В балансе метана, если один термин является неопределенным, это добавляет неопределенности ко всем другим терминам и ограничивает способность исследователей предсказывать, как может измениться глобальная метановая система. По этой причине получение более точной оценки выбросов метана в океан было важной целью исследований метанового цикла на протяжении многих лет.
Но, как говорит Вебер, «это непросто». Поскольку океан так огромен, пробы метана были взяты лишь из его небольшой части, а это означает, что данных мало.
ОБРАЩАЕМСЯ К МОДЕЛЯМ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ
Чтобы преодолеть это ограничение, Вебер и Уайзман собрали все доступные данные о метане из океана и ввели их в модели машинного обучения - компьютерные алгоритмы, предназначенные для распознавания образов. Эти модели смогли распознать систематические закономерности в данных по метану, что позволило исследователям предсказать, какими могут быть выбросы, даже в регионах, где не проводились прямые наблюдения.
«Наш подход позволил нам гораздо точнее, чем когда-либо прежде, определить глобальный уровень выбросов в океан», - говорит Вебер.
Новейшая версия баланса метана будет выпущена позже в этом году и включает в себя результаты из статьи Вебера, что даст исследователям лучшее понимание круговорота метана в земной системе.
ГДЕ НАИБОЛЕЕ КОНЦЕНТРИРОВАНЫ ВЫБРОСЫ МЕТАНА В ОКЕАН?
В дополнение к лучшему пониманию глобального баланса метана исследование дало еще два интересных вывода:
-Во-первых, на очень мелководные прибрежные воды приходится около 50 процентов всех 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 континентальных окраин и может производиться биологическим путем в бескислородных (обедненных кислородом) отложениях на морском дне. В глубоких водах метан, вероятно, окисляется по мере того, как он проходит свой длинный путь от морского дна до атмосферы. 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 в Рочестере, чтобы устранить остающиеся неопределенности в прибрежных выбросах метана, проводя исследовательские круизы и продолжая развивать модели машинного обучения..
- Во-вторых, метан демонстрирует пространственную структуру, очень похожую на изобилие фитопланктона, что подтверждает спорную недавнюю гипотезу о том, что планктон производит метан на поверхности океана. Раньше ученые считали, что метан может быть получен только в бескислородных условиях на дне океана. «Постепенно накапливаются доказательства, опровергающие эту парадигму, и наша статья добавляет важную часть», - говорит Вебер.
Каждый природный источник метана, вероятно, также чувствителен к изменению климата, и для исследователей важно иметь точные исходные данные.
Есть ряд причин полагать, что океан может стать более крупным источником метана в будущем, но если у нас нет точной оценки того, сколько он выбрасывает прямо сейчас, мы никогда не сможем определить эти будущие изменения», - говорит Вебер.