Использование машинного обучения для понимания изменения климата

Метан является мощным парниковым газом, который добавляется в атмосферу как в результате естественных процессов, так и в результате деятельности человека, например, производства энергии и ведения сельского хозяйства. Чтобы предсказать воздействие выбросов человека, исследователям нужна полная картина метанового цикла атмосферы. Им необходимо знать размер входных - как естественных, так и антропогенных– и выходных данных.

Им также нужно знать, как долго метан находится в атмосфере. Чтобы помочь развить это понимание, Том Вебер, доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде в Рочестерском университете; исследователь бакалавриата Никола Уайзман, 18 лет, в настоящее время аспирант Калифорнийского университета в Ирвине; и их коллега Аннет Кок из Центра исследований океана им. Гемар Гельмгольца в Германии использовали науку о данных для определения того, сколько метана выбрасывается из атмосферы в океан каждый год.

Их результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, заполняют давний пробел в исследованиях цикла метана и помогут ученым-климатологам лучше оценивать общее положение дел. Это исследование является частью усилий Вебера по использованию науки о данных для лучшего понимания того, как различные парниковые газы, включая азот и углерод, влияют на глобальные климатические системы.

Метановый бюджет

Каждые три года международная группа климатологов под названием «Глобальный углеродный проект» обновляет так называемый бюджет метана. Бюджет метана отражает текущее состояние понимания затрат и результатов в глобальном цикле метана. Последнее обновление было в 2016 году. «Бюджет метана помогает нам рассматривать выбросы метана человеком в контексте и обеспечивает нас информацией для оценки будущих изменений», - говорит Вебер.

«Во время прошлых проверок Океан почти не учитывался. Мы знаем, что океан естественным образом выделяет метан в атмосферу, но мы не знаем, сколько именно». В метановом бюджете, если один термин является неопределенным, он добавляет неопределенность ко всем другим терминам и ограничивает способность исследователей прогнозировать, как может измениться глобальная система.

По этой причине разработка более точной оценки выбросов метана в океане была важной целью исследований в течение многих лет. Но, как говорит Вебер, «это нелегко». Поскольку океан настолько огромен, для исследования были отобраны только небольшие его части, что означает, что данных недостаточно.

Обращение за помощью к ИИ

Чтобы преодолеть это ограничение, Вебер и Уайзман собрали все доступные данные о метане из океана и включили их в технологии машинного обучения - компьютерные алгоритмы, предназначенные для распознавания образов.

Эти модели смогли распознать систематические закономерности в данных о метане, что позволило исследователям предсказать, какими могут быть выбросы, даже в тех регионах, где прямых наблюдений не проводилось.

«Наш подход позволил нам определить глобальный уровень выбросов в океане гораздо точнее, чем когда-либо прежде», - говорит Вебер. Новейшая информация о количестве метана будет доступна позднее в этом году и будет включать в себя результаты работы Вебера, что позволит исследователям лучше понять, как метановые циклы проходят через земную систему.

Так где же в океане метана сконцентрировано больше всего?

В дополнение к лучшему пониманию глобального метанового бюджета, исследование дало два других интересных вывода: Во-первых, очень мелкие прибрежные воды составляют около 50 процентов от общего объема выбросов метана из океана, несмотря на то, что они составляют всего 5 процентов площади океана. Это потому, что метан может просачиваться из резервуаров природного газа вдоль континентальных окраин и может добываться биологически в бескислородных (обедненных кислородом) отложениях мусора на дне.

В глубоких водах метан, вероятно, окисляется, поскольку он проходит свой длинный путь от морского дна до атмосферы. Но на мелководье существует есть более доступный путь в атмосферу, и метан уходит до того, как он окисляется. В настоящее время Вебер сотрудничает с Джоном Кесслером, профессором наук о Земле и окружающей среде в Рочестере, чтобы устранить остающиеся неопределенности в выбросах метана в прибрежной зоне путем проведения исследовательских поездок и дальнейшей разработки моделей машинного обучения.

Во-вторых, большие образования метана обычно находятся недалеко от крупных скоплений планктона, что подтверждает противоречивую недавнюю гипотезу о том, что планктон производит метан. Ранее ученые полагали, что метан может быть произведен только в бескислородных условиях, обнаруженных на дне океана. «Доказательства постепенно накапливаются, чтобы опровергнуть эту парадигму», - 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 сейчас, мы никогда не сможем определить эти будущие изменения» - подитожил Вебер.