Neue Technik kartiert die großräumigen Auswirkungen des feuerinduzierten Permafrost-Auftauens in Alaska

Etwa 40 Prozent des Landesinneren Alaskas liegen unter eisreichem Permafrost – dauerhaft gefrorene Böden aus Erde, Kies und Sand – die durch Eis zusammengehalten werden. Bestimmte Bedingungen, wie die Klimaerwärmung, haben die Waldbrände in der Tundra verstärkt, was tiefgreifende Auswirkungen auf das Auftauen des Permafrosts hat.

Die Oberflächenvegetation spielt eine dominierende Rolle beim Schutz des Permafrostbodens vor Sommerwärme, sodass jede Veränderung der Vegetationsstruktur, insbesondere nach schweren Waldbränden, ein dramatisches Auftauen von oben nach unten verursachen kann.

Schwere Waldbrände entfernen die Vegetation und die organische Substanz des Oberflächenbodens, und der Verlust dieser Isolierung erhöht den Bodenwärmefluss und fördert das Auftauen des Permafrosts. Dieses Auftauen löst Bodenabsenkungen und die Entwicklung von Thermokarst (Einsturz der Bodenoberfläche durch Auftauen von Permafrost) aus und führt zu Überschwemmungen von Oberflächenwasser, Vegetationsverschiebungen, Änderungen des Kohlenstoffhaushalts im Boden und Kohlenstoffemissionen, die sich alle auf die Klimaerwärmung auswirken.

Das System Permafrost-Feuer-Klima ist seit Jahrzehnten ein Hotspot der Forschung. Die großräumigen Auswirkungen dieser Waldbrände auf die Veränderung der Landbedeckung, die Widerstandsfähigkeit nach dem Brand und die anschließende Besiedlung durch Tauwetter bleiben unbekannt. Tauwettersetzungen sind schwer zu messen, da es oft keine absoluten Referenzrahmen gibt, die mit den subtilen, aber weit verbreiteten topografischen Veränderungen in Permafrostlandschaften verglichen werden können.

Forscher der Florida Atlantic University haben in Zusammenarbeit mit dem Cold Regions Research & Engineering Laboratory des United States Army Corps of Engineers und Alaska Ecoscience systematisch die Auswirkungen von sechs großen Bränden analysiert, die seit 2000 im Tiefland der Tanana Flats im Inneren Alaskas an Land aufgetreten sind Deckungsänderungen, Vegetationsdynamik und Geländeabsenkungen oder -absenkungen.

Zum ersten Mal haben sie einen auf maschinellem Lernen basierenden Ensemble-Ansatz entwickelt, um die durch Feuer verursachte Tauwettersetzung in den gesamten Tanana Flats zu quantifizieren, die mehr als 3 Millionen Acres (ca. 1.250 km2) umfassen. Die Forscher verknüpften wiederholte LIDAR-Daten aus der Luft mit Zeitreihen von Landsat-Produkten (Satellitenbilder), um Siedlungsmuster durch Auftauen in den sechs Brandnarben zu skizzieren. Dieser neuartige Ansatz trug dazu bei, etwa 65 Prozent der Varianz der vom Lidar erfassten Höhenänderung zu erklären.

Studienergebnisse, veröffentlicht in Umweltforschungsbriefezeigten, dass die sechs Brände von 2000 bis 2014 insgesamt zu einem Verlust von fast 99.000 Acres (ca. 400 km2) immergrünem Wald führten, darunter fast 155.000 Acres (ca. 590 km2) von Bränden betroffener Wälder mit unterschiedlicher Brandschwere.

Die Brände boten günstige Bedingungen für die Entwicklung von Strauchmooren (niedrig wachsende Sträucher), was zu einer vergleichbaren Bedeckung von Buschland und immergrünen Wäldern nach dem Brand und zu einem zunehmenden Vordringen von Buschland in Gebiete mit spärlicher Vegetation führte.

Wichtig ist, dass die Forscher auf der Grundlage von Landsat-Beobachtungen kein Nachwachsen der Wälder nach 13 Jahren des ältesten Feuers im Jahr 2001 beobachteten.

„Unsere Studie hat gezeigt, dass die Verknüpfung von luftgestütztem Wiederholungs-Lidar mit Landsat-Produkten ein ermutigendes Instrument für die groß angelegte Quantifizierung der durch Feuer verursachten Tauwettersetzung ist“, sagte Caiyun Zhang, Ph.D., leitender Autor und Professor am dortigen Department of Geosciences Charles E. Schmidt College of Science der FAU. „Da luftgestützte Lidar-Messungen zunehmend in nördlichen Permafrostregionen durchgeführt werden, ist unsere Methode ein wertvolles Mittel, um Höhenänderungen über ganze Brandnarben innerhalb einheitlicher, von Permafrost betroffener Landschaften zu projizieren, indem datengesteuerte Techniken des maschinellen Lernens verwendet werden.“

Die Tanana Flats, die mehr als 6 Millionen Acres (ca. 2.500 km2) umfassen, sind repräsentativ für die Tieflandlandschaft südlich von Fairbanks im Inneren Alaskas. Es besteht aus einem komplexen Mosaik aus eisreichem Permafrost und permafrostfreien Ökosystemen und ist eine Brutstätte für Thermokarst. Ein Großteil des Landes ist Teil eines vom US-Verteidigungsministerium verwalteten Truppenübungsplatzes.

Für die Studie bewerteten die Forscher drei häufig verwendete maschinelle Lernalgorithmen, darunter ein künstliches neuronales Netzwerk, eine Support-Vektor-Maschine und einen Zufallswald für die Modellierung von feuerinduzierten Tauwettersiedlungen.

„Maschinelles Lernen wurde in großem Umfang für die Modellierung in den Geowissenschaften eingesetzt“, sagte Zhang. „Die Idee ist, dass jeder Algorithmus seine Vor- und Nachteile hat und eine Gesamtanalyse von Vergleichsmodellen eine robustere Schätzung liefern kann als die Anwendung eines einzelnen Modells.“

Es wird erwartet, dass der derzeitige und zukünftige prognostizierte Anstieg der mittleren jährlichen Lufttemperatur, die Länge der sommerlichen Vegetationsperiode sowie die Schwere und das Ausmaß von Waldbränden zu einer zunehmend dominanten Rolle von Waldbränden in Permafrost-Ökosystemen führen werden.

„Die Kartierung von Auftausiedlungen infolge von Waldbränden ist von entscheidender Bedeutung, da sie mit der nachfolgenden Thermokarstentwicklung, Schneeansammlung, Hydrologie, Vegetationsverschiebungen und entsprechenden Änderungen des Austauschs von Wasser, Energie und Treibhausgasen zwischen Land und Atmosphäre verbunden ist“, sagte Zhang. „Die Kombination aktiver luftgestützter Lidar-Sensoren mit passiven optischen Sensoren im Weltraum wird es Wissenschaftlern ermöglichen, weit verbreitete und große Gebiete zu messen, die von Waldbränden in kalten Regionen betroffen sind, insbesondere bei Klimaerwärmung und vermehrten Feuerereignissen.“