En mere kollektiv forståelse af kystsystemers dynamik og evolution

Med vand, der dækker mere end 70 procent af jordens overflade, det er ikke underligt, at vores planet har tilnavnet den blå marmor. Set fra det ydre rum, vores marmor er sammenvævet med hvirvler af skyer og pletter af land defineret af kystlinjer—372, 000 miles værd.

Zoom ind på marmoren, og du vil se kystlinjerne, der krydser utallige floder og vandløb. Du vil også se koncentrationen af ​​kystbyer, herunder mange af verdens største og mindste. Kystzoner tegner sig for næsten halvdelen af ​​vores globale befolkning og er vært for den infrastruktur, der driver en global økonomi.

Hvis du zoomede endnu længere ind på disse jord-vand-kryds – ud over hvad det blotte øje kan se – ville du finde et travlt samfund af bittesmå organismer, der filtrerer både næringsstoffer og forurenende stoffer for at holde vores planet sund.

Sådan er omfanget af Jordens terrestriske-akvatiske grænseflade, et dynamisk globalt økosystem, der ændrer sig med tidevandet, årstiderne, menneskelig udvikling, og i stigende grad, klima.

"Kystregioner oplever en bred vifte af farer og stress, herunder havniveaustigning, ekstreme vejrbegivenheder, erosion, aldrende infrastruktur, og økologisk nedbrydning, " sagde PNNL videnskabsmand Ian Kraucunas. "Menneskelige aktiviteter, især udvidelsen af ​​det byggede miljø og andre ændringer i arealanvendelsen, drive ændringer i kystzoner, der kan være lige så vigtige som forskydninger i det naturlige system."

PNNL-forskere arbejder på bedre at forstå de naturlige og menneskelige triggere, der påvirker modstandskraften af ​​denne stadig mere sårbare, forbundet, og vigtigt system. Det er et enormt foretagende - tydeligt i snesevis af præsentationer af PNNL-forskere ved dette års samling af American Geophysical Union - og det starter med det lange udsyn.

Forbedring af forudsigelser:Kystmodellering

Forskere er i gang med et nyt projekt for det amerikanske energiministerium, der er rettet mod nogle af de største usikkerheder i at fremskrive udviklingen af ​​kystmiljøer. Projektet Integrated Coastal Modeling, ledet af Kraucunas, fokuserer på at udvikle og integrere beregningsmodeller, der kan simulere kystnære processer.

Forestil dig de forskellige naturlige kyster - lange sandstrande, ishylder, stejle klipper, og gradvist skrånende vadehavet, der fører til tidevandsgræsser og flodmundinger, for eksempel. Flytter ind i landet, små og store vandløb strømmer ned fra højere højder, nogle tumler frit af sted, mens andre samler sig bag dæmninger.

Hvilket fører os til menneskelig udvikling. Seaside ejerlejligheder, feriesteder, og skyskrabere er sidestillet med fiskersamfund, militærhavne, og forsendelsescentre, for ikke at tale om vejene, undergrundsbaner, og elektrisk infrastruktur, der forbinder det hele.

Tilføj nu Moder Natur, med påvirkninger fra atmosfæren, oceaner, vind, og nedbørsmønstre. Disse mønstre påvirker, hvor og hvor meget vand der falder, og om det falder som sne eller regn eller bliver til en orkan. Disse interaktioner bestemmer, hvordan organismer interagerer i deres miljø, herunder hvor folk vælger at bo.

For at forstå, hvordan kystsamfund kan udvikle sig i lyset af klimaændringer, forskere skal overveje menneskelig udvikling sammen med akvatiske processer fra højlandsområder og flodkysten til flodsletter og det åbne hav. Alle disse processer foregår på tværs af en række rum- og tidsskalaer, gør det vanskeligt at simulere med computermodeller - en udfordring PNNL løser.

Indsatsen fokuserer i første omgang på den amerikanske midtatlantiske region, som har oplevet alvorlige påvirkninger fra ekstreme vejrbegivenheder med stigende hyppighed i løbet af de seneste årtier. Projektet sigter mod at levere en robust forudsigelig forståelse af kystudviklingen, der tegner sig for komplekset, multiskala interaktioner mellem fysiske, biologiske, og menneskelige systemer.

Hvad kan du forvente:Ekstreme begivenheder

Det amerikanske kystejendommes marked, herunder offentlig og privat infrastruktur, har en anslået værdi på omkring en billion dollars. Befolkningstilvæksten fortsætter med at øge størrelsen af ​​vores byer, herunder i kystnære og kystnære områder. Alligevel resulterer stressfaktorer fra både naturlige og menneskelige systemer i milliarder af dollars i tab hvert år. Havniveauet fortsætter med at stige, og ekstreme vejrbegivenheder, inklusive kraftig nedbør, stormfloder, højvande, og vind forventes at stige i frekvens og intensitet. Og i baggrunden, vores offentlige infrastruktur – el, vand, og transportsystemer - fortsætter med at udvikle sig.

PNNL-forskere ledet af David Judi karakteriserer virkningen og risikoen for ekstreme hændelser på menneskelige systemer. For eksempel, hvordan vil fremtidige oversvømmelser påvirke vores bybygningsmasse? Hvilken effekt vil havniveauet stige, kombineret med tropiske cykloner, har på vores offentlige infrastruktur?

Ved hjælp af integreret, flerskalamodeller af både naturlige og menneskelige systemer, forskningen forbinder farer med konsekvenser for at kvantificere risiko i kystnære byområder.

Methan:En mikrobiel migration

Drivhusgasser, såsom metan, fange varme i atmosfæren og påvirke globale klimaprocesser. Mens køer tager det meste af rappen på metan, gassen bobler op fra ethvert miljø, hvor mikrober gumler på henfaldende organisk materiale.

Et PNNL-forskerhold ledet af Nick Ward ser på forskellige terrestriske og akvatiske økosystemer for bedre at forstå, hvor metan kommer fra under udviklende forhold. De fleste tidligere undersøgelser fokuserede på terrestrisk jord og ferskvandsøkosystemer, fordi metanudledningen blev antaget at være lavere ved kysterne, hvor havvand hæmmer metanproduktionen. Ny forskning viser, at denne antagelse muligvis ikke er sand.

Forskere har fundet store mængder metan dybt inde i kystjorden. Transporteret med vand under ekstreme højvande oversvømmelser, denne metan når til sidst atmosfæren. Mens havniveauet fortsætter med at stige, dette fænomen kan resultere i en nettostigning i metan-emissioner fra vandskel.

Rising Tide:Vigtigheden af ​​små vandløb

Små floder og vandløb bugter sig over kun en lille procentdel af Jordens overflade. Alligevel spiller disse vandveje og dynamiske kystlinjer en afgørende rolle i kredsløbet af kulstof og næringsstoffer gennem jorden, planter, og atmosfæren.

Faktisk, sammenlignet med meget undersøgte og modellerede store floddeltaer, små tidevandsstrømme er tættere forbundet med det omkringliggende land. Og der er mange flere af dem - hundreder og hundreder mere. Forestil dig alle de steder, hvor vand møder land som hot spots for økosystemaktivitet - det er en masse action.

Jerry Tagestad leder et team af forskere, der stiller spørgsmålstegn ved opfattelsen af, at store floddeltaer dominerer kystprocesser. Deres mål er at udfylde det gabende hul i klimamodeller for at inkludere små tidevandsstrømme og deres rolle i genbosættelse af sedimenter, oversvømmelseskontrol, og andre økosystemtjenester, især i lyset af stigende havniveauer.

At fremme en mere kollektiv forståelse af kystsystemers dynamik og evolution er en formidabel videnskabelig udfordring. PNNL imødekommer udfordringen med at informere beslutninger for fremtiden.