I ricercatori del DOE e dell'USDA utilizzano nuovi modelli globali per studiare come i controllori ambientali influenzano il carbonio organico del suolo, cambiamenti in cui possono alterare le concentrazioni di carbonio atmosferiche e influenzare il clima. Le previsioni potrebbero avvantaggiare i piani di mitigazione del settore.

La natura offre una miriade di modi per tenere sotto controllo la sua salute. Uno degli indicatori di maggior successo è lo stato del carbonio organico del suo suolo, o la concentrazione di carbonio nella frazione organica del suolo costituita da vegetazione in decomposizione o prodotti animali. Un piccolo cambiamento nei livelli di carbonio può alterare drasticamente le concentrazioni atmosferiche di carbonio e influenzare il clima.

"Il carbonio organico del suolo è importante da studiare perché è la proprietà del suolo che fornisce numerosi servizi ecosistemici all'umanità, come la disattivazione degli inquinanti, conservazione della biodiversità, conservare e purificare l'acqua, aumentare la fertilità del suolo, e mitigare gli impatti del cambiamento climatico, " disse Umakant Mishra, uno scienziato geospaziale presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Una collaborazione tra il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti e diversi DOE National Labs, tra cui Argonne, si prefiggono di prevedere e modellare l'effetto dei controllori ambientali, o fattori di formazione del suolo:clima, organismi, topografia, materiale genitore e tempo, sul carbonio organico del suolo a diverse scale spaziali negli Stati Uniti continentali.

I risultati dello studio sul carbonio organico del suolo hanno lo scopo di ridurre l'incertezza nella previsione dei feedback climatici globali del carbonio e dei cambiamenti climatici associati. Potrebbero anche fornire maggiore certezza su come futuri estremi climatici potrebbero avere un impatto sulle attività di numerose industrie, dall'agricoltura e dalle industrie di assicurazione del raccolto alle industrie per la conservazione delle risorse naturali.

Ricercatori, per la prima volta, sono stati in grado di generare algoritmi di ridimensionamento per tenere conto di una regione geografica così ampia utilizzando un ampio set di osservazioni sul campo recentemente disponibili, un gran numero di fattori ambientali e un algoritmo di apprendimento automatico, un metodo di intelligenza artificiale che apprende da dati specifici per migliorare progressivamente le previsioni di nuovi, dati simili.

In questo caso, scala si riferisce all'area attraverso la quale si presume che le proprietà del carbonio organico del suolo siano simili, e lo scaling prende le informazioni raccolte da una scala spaziale e le applica a un'altra. Con la regione suddivisa in uno schema di celle della griglia, la scala spaziale utilizzata in questa ricerca variava da una risoluzione più fine di 100 m a una più ampia distanza di 50 km tra i centri della griglia.

"Il contenuto di carbonio organico del suolo differisce nei diversi punti di campionamento, ecco perché abbiamo bisogno di campionare in luoghi rappresentativi se intendiamo catturare l'eterogeneità spaziale delle proprietà del suolo nell'area di studio, " disse Mishra.

Gli algoritmi di ridimensionamento che lui e i suoi collaboratori hanno creato come parte della ricerca sono importanti per i modelli del sistema Terra, come l'Energy Exascale Earth System Model del DOE, oltre a prevedere i cambiamenti climatici in modo più accurato.

ridimensionamento, Mishra ha notato, è un problema che è stato tradizionalmente ignorato nelle scienze biogeochimiche/naturali, dove si riteneva che proprietà o processi associati a una scala spaziale potessero essere applicati a scale sia più piccole che più grandi. In realtà, Tuttavia, questo non è il caso.

Attuali modelli del sistema Terra, che vengono utilizzati per prevedere i futuri feedback sul clima globale del carbonio e i cambiamenti climatici associati, operano su scale spaziali grossolane (50-100 km) e attualmente non sono in grado di rappresentare i controllori ambientali e il loro effetto sul carbonio organico del suolo in modo coerente con le osservazioni sul campo.

"Il controllo dei fattori ambientali sul carbonio organico del suolo non è coerente con le osservazioni negli attuali modelli di superficie terrestre, " ha aggiunto. "Riteniamo che le funzioni di ridimensionamento che abbiamo sviluppato in questa ricerca, che sono tratti da numerosi campioni in una vasta area geografica, può migliorare la rappresentazione spaziale del carbonio organico del suolo nella superficie terrestre all'interno dei modelli del sistema Terra".

Tra i risultati del recente lavoro del team, i modelli hanno mostrato che gli attributi topografici e del suolo erano controller significativi del carbonio organico del suolo su scale più fini. All'estremità più grossolana della scala, fattori climatici e di uso del suolo fungevano da importanti regolatori.

Un articolo sullo studio, "L'importanza e la forza dei controllori ambientali del carbonio organico del suolo cambia con la scala, " appare nel 1 ottobre, 2020, problema di Geoderma (pubblicato in linea, 23 giugno 2020).