为什么冻泥对气候科学家来说是一项技术挑战

作者:Charles Gauthier，新的科学传播者

“这么说，这是冰冻的泥?””my roommate asks when I try to explain my research topic to him. Since starting his own research in quantum physics, he has mastered the art of simple idioms. Perks of the trade, I suppose.

然而，这块冰冻的泥浆覆盖了加拿大一半的土地．这是许多土著社区建立的土壤，而且正在以惊人的速度融化。在北纬地区变暖速度翻倍与世界其他地方一样，科学家们也在竞相了解永久冻土的动态。掌握这些知识可以帮助我们确保加拿大有能力面对即将到来的气候危机。

什么是永久冻土?我们为什么要关心?

永久冻土是指连续冻结两年以上的土壤。让它从普通的雪堆中脱颖而出的是它含有大量的碳元素，这是一种负责雪堆的元素温室效应。据估计，全世界的永久冻土大约储存着1700亿吨碳(GtC)，大约是地球上所有人类重量的1700倍。从规模上看，全球化石燃料的使用大致占了比例每年排放10亿吨碳当量．

永久冻土所含的碳量只是问题的一部分。与其他类型土壤中的碳不同，永久冻土中的碳通常已经存在了很长一段时间，没有受到干扰。当永久冻土融化时，这些碳进入全球碳循环，并与之分离，进入大气，最终导致气候变化。随着气温上升，更多的永久冻土融化，开启了一个恶性循环，影响着世界各地越来越多的永久冻土地貌。

似乎永久冻土融化本身还不是一个足够大的问题，科学家们认为这可能是一个气候“临界点”。也就是说，我们北部地区的解冻可能是其他一系列更糟糕的碳释放多米诺骨牌中倒下的第一张多米诺骨牌。当前的研究如果我们真的达到了这个临界点，永久冻土解冻可能会自我延续:在一个已经充满碳的系统中成为一个持续的碳来源。这就是为什么像我这样的气候科学家正试图预测它的行为——这项任务比听起来要难得多。

构建预测气候变化的“谜题”

科学家们使用气候模型来模拟碳循环，并了解它是如何受到气候变化的影响的。在这些模型中，那些专注于陆地生态系统的模型被称为地球系统模型(esm)。esm就像巨大的拼图游戏，每个拼图代表生物地球化学循环的不同方面，如水、碳、能量、雪或雨。在过去的二十年里，科学家们一直在为他们的ESM难题添加碎片，以更好地代表碳从大气进入土壤(如永久冻土)并返回的复杂方式。这些模型也让科学家有机会探索不同的假设气候情景，看看碳循环是如何反应的。例如，ESM模型已被用于模拟和预测如果全球气温上升2摄氏度(2015年设定的最大升幅)，碳循环的行为巴黎协议。

再加上永冻层

尽管永久冻土可能在全球碳预算中发挥着重要作用，但在气候模型中模拟它可能具有挑战性。当在全球范围内进行研究时，科学家往往不得不满足于“一刀切”的方法。他们牺牲了小范围的现象——精细的细节——来更好地代表总体趋势。当涉及到永久冻土时，这种方法是一个问题，它看起来可能非常不同，这取决于你在哪里找到它。尽管永久冻土覆盖了半个国家，但它的特征，如厚度和碳浓度，可以被永久冻土覆盖改变每一米．

这种可变性给像我这样的科学家带来了一项艰巨的任务:我们如何将复杂的永久冻土拼图添加到我们的模型中，以一种代表如此广泛的条件的方式?

简单的回答是:让大自然为你做这件事．在我自己的研究在美国，我们正在使用现场数据和一个称为贝叶斯优化的过程，以确保我们创建的最终“谜题”能够描绘出我们试图建模的现实的最佳图景。

贝叶斯优化很复杂，但要点很简单。首先你要收集数据，最好是大量的数据。然后，您可以创建一个初始谜题—一个简单的模型，让您朝着正确的方向前进。你可以使用这个启动器模型来模拟已经测量过的东西，比如永久冻土的碳含量。然后，将结果与积累的数据进行比较。如果结果不同，您可以调整您的模型——可能添加或调整一些拼图块——并重复这个过程，直到您的结果与现实世界的观察相匹配。这样，自然就像向导一样，引导科学家走向最终的模型。

还有很长的路要走，但我的研究团队希望我们的方法能够提高我们模拟和理解永久冻土在气候变化中的作用的能力。如果我们成功了，我们就能更好地预测未来的变化，并向决策者通报正在敲响加拿大大门的气候危机。

“所以，是的，这是冰冻的泥，”我告诉我的室友。“一种非常重要的冰冻泥浆。”

专题图片:从耶洛奈夫东北17公里处的一个研究地点收集的永久冻土样本。照片CC by - nc - nd 2.0 byPermafrostNet．

Charles Gauthier是蒙特利尔大学的硕士研究生，也是NSERC PermafrostNet．他的研究旨在减少预测土壤碳动态的不确定性。他写这篇文章是北方科学2022年冬季Pitch & Polish的一部分，这是一个导师计划，将学生或研究人员与我们经验丰富的编辑配对，以产生精美的科学写作作品。

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