Wissenschaftler bringen Wälder in das Internet der Dinge

Wälder haben eine komplexe Beziehung zum Klimawandel. Einerseits nehmen sie sogar atmosphärischen Kohlenstoff auf multiplizieren inmitten des sich ändernden Klimas. Andererseits können sie unter höherem Hitzestress leiden, was ihre Kohlenstoffspeicherkapazität und Trockenheitsresistenz schwächt. Mit rund 10,5 Millionen US-Dollar an Fördergeldern der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden Wissenschaftler in Europa nun Wälder mit neuen Sensoren instrumentieren, um besser zu verstehen, wie Wälder von einem sich ändernden Klima betroffen sind.

Kombination von Forstwissenschaft und Internet der Dinge (Internet der Dinge) Technologie, Drohnen und andere Geräte, EcoSense wird versuchen, die Auswirkungen des Klimawandels auf die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen, Boden und Atmosphäre zu beleuchten. Diese Wechselwirkungen variieren je nach Art, Standort und Waldbestand, was sich auf Ansammlungen von Bäumen in einem Wald bezieht, die in Bezug auf Alter, Größe, Verteilung und andere Faktoren ziemlich einheitlich sind. Die EcoSense-Initiative wird nach Bemühungen wie denen der Harvard University neue Technologien in die Waldüberwachung einbringen verdrahteter Wald.

„Wir verstehen nicht, wann und warum Klimaextreme wie Hitzewellen oder Dürren einzelne Bäume oder Waldstücke über ihre Wendepunkte treiben.“

Insbesondere wird das Projekt laut einem Projekt abiotische und biotische Prozesse des Kohlenstoff- und Wasseraustauschs im Wald untersuchen, wie das Ökosystem auf Umweltstressoren reagiert, wodurch die Vorhersage prozessbasierter Veränderungen der Ökosystemfunktion und -nachhaltigkeit ermöglicht wird Gliederung. Echtzeit-Sensornetzwerkdaten werden zur Analyse und Deep-Learning-Simulationsmodellen in eine Datenbank übertragen, um kurz- und mittelfristige Prognosen zu erstellen.

„Der Klimawandel hat bereits jetzt große Auswirkungen auf die Waldökosysteme. Wir sehen weltweit einen Anstieg der Baumsterblichkeit“, sagte er Christian WernerProfessor für Ökosystemphysiologie am Institut für Geo- und Umweltwissenschaften der Universität Freiburg, darauf hin die Auswirkungen der europäischen Dürre 2018 auf Bäume. „Derzeit verfügen wir über gut etablierte Modelle, um das Funktionieren des gesamten Ökosystems unter unbelasteten Bedingungen vorherzusagen, aber wir verstehen nicht, wann und warum Klimaextreme wie Hitzewellen oder Dürren einzelne Bäume oder Waldstücke über ihre Kipppunkte hinaus treiben.“

Internet von Woody Things

Das Forschungsteam wird mehrere hügelige Hektar des Schwarzwaldes im Südwesten Deutschlands instrumentieren, die Bestände aus reiner Buche, reiner Fichte und Mischbäumen umfassen. Klimabedingte Veränderungen des Waldes können weitreichendere Auswirkungen haben; Der Wald ist von wirtschaftlicher und touristischer Bedeutung für Deutschland, bekannt für seine traditionellen Bauernhäuser, Kuckucksuhren und den gleichnamigen Schinken und Kuchen.

Das EcoSense-Toolkit kann Kohlendioxid (CO2) Sensoren, mit Kameras ausgestattete Drohnen und andere Geräte. Das Team wird zunächst handelsübliche Geräte einsetzen und diese dann ab 2024 durch neu entwickelte, teilweise energieautarke Mikrosensoren ersetzen, heißt es Ulrike WallrabeProfessor am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg.

„Wir wollen Flüsse von Wasser, isotopendiskriminiertem CO messen2 und flüchtige organische Verbindungen und Stressmarker, hauptsächlich photosynthetische Effizienz durch Chlorophyllfluoreszenz vom Boden in die Atmosphäre“, sagte Wallrabe. „Das Sensornetzwerk wird neue, kompakte und möglichst autonome Energiesensoren enthalten, die im Projekt entwickelt werden.“

Daniel KneeshawEin Forst- und Klimawandelforscher an der Universität von Quebec in Montreal, der nicht mit EcoSense verbunden ist, sagte, das Projekt erkunde interessante Parameter, die für eine Vielzahl von Forschern nützlich sein sollten.

„Wie die Forscher vermuten, kann das, was beim Hochskalieren auf zellulärer Ebene passiert, tiefgreifende Auswirkungen auf alle Regionen haben“, sagte Kneeshaw und fügte hinzu, dass er wissen möchte, wie EcoSense-Daten hoch- und herunterskaliert werden „Ein besseres Verständnis der Mechanismen wird uns helfen, besser auf zukünftige Veränderungen vorbereitet zu sein. Solche Netzwerke auf der ganzen Welt zu haben und Wissenschaftler aus den verschiedenen Netzwerken zu Wort kommen zu lassen [about them] wird zu noch robusteren Ergebnissen und Interpretationen führen.“

Das EcoSense-Projekt will 2023 mit der Veröffentlichung von Studien beginnen, aber einige mit ihm verbundene Gruppen haben bereits damit begonnen, die Ergebnisse zu veröffentlichen. Beispielsweise hat eine Gruppe mit Werner a Papier an einem drahtlosen, autonomen Chlorophyll-Fluorometer, das die Photosyntheseeffizienz in Pflanzen misst. Mit einer Reichweite von 10 Kilometern kann das neue Gerät überall an einem Baum befestigt werden und ist stromsparend und relativ günstig.

Zusätzlich zu seiner anfänglichen 4-Jahres-Finanzierung hat EcoSense eine Option auf zwei 4-Jahres-Verlängerungen, um eine langfristige Perspektive zu erhalten. Die Forscher haben hohe Erwartungen an aussagekräftige Ergebnisse.

„Unsere Besonderheit ist die einzigartige Ausrichtung der Ökosystemforschung mit der Mikrosystemtechnik. Verteilte autonome Sensorköpfe werden eine neue Tür für die Ökosystemforschung öffnen“, sagte Werner. „Wir werden eine beispiellose skalenübergreifende Abdeckung sowohl auf räumlicher Ebene, vom Blatt bis zum Strauch, als auch in einer zeitlichen Dimension, von Minuten bis Jahren, von Prozessen und Wechselwirkungen erhalten, die Kohlenstoff- und Wasserflüsse antreiben, einschließlich Stressmarkern wie z flüchtige organische Verbindungen Verbindungen und Chlorophyllfluoreszenz.“

—Tim Hornyak (@robotopia), Wissenschaftsautor

Zitat: Hornyak, T. (2022), Wissenschaftler bringen Wälder in das Internet der Dinge, Eos, 103, https://doi.org/10.1029/2022EO220368. Veröffentlicht am 1. August 2022.
Text © 2022. Die Autoren. CC BY-NC-ND 3.0
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