// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
KI-Kartierung enthüllt versteckte Phase der arktischen Vereisung
Beim jahreszeitlichen Tauen und Gefrieren verharrt arktischer Boden oft lange nahe null Grad. Eine neue KI-gestützte Analyse zeigt, dass diese sogenannten Zero-Curtain-Phasen im Frühjahr deutlich länger ausfallen als beim winterlichen Gefrieren. Die Kartierung könnte helfen, thermische Bedingungen für mikrobielle Aktivität und mögliche Rückkopplungen des Permafrosts auf das Klima genauer zu modellieren.
Greenbelt (U.S.A.). Die Permafrostlandschaften rund um die Arktis speichern etwa 1.700 Milliarden Tonnen organischen Kohlenstoff, fast doppelt so viel wie die Atmosphäre. Taut der gefrorene Boden auf, können Mikroorganismen organisches Material abbauen und dabei Kohlendioxid und Methan freisetzen. Entscheidend ist deshalb auch, wie lange der Untergrund während des jahreszeitlichen Gefrierens und Tauens in einem feuchten, noch nicht vollständig gefrorenen Zustand bleibt.
Eine wichtige Rolle spielt dabei der Zero-Curtain-Effekt. Während Wasser im Boden gefriert, setzt es latente Wärme frei und hält seine Umgebung dadurch längere Zeit nahe null Grad. Beim Tauen wird umgekehrt Energie für den Phasenwechsel benötigt. So kann die Bodentemperatur trotz sich ändernder Lufttemperaturen über längere Zeit nahezu konstant bleiben und flüssiges Wasser kann länger verfügbar sein.
Forscher des NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) um den korrespondierenden Autor Bradley A. Gay haben nun untersucht, wie stark, wie lange und wo dieser thermische Puffer in den Permafrostregionen der Arktis auftritt. Dazu entwickelten sie das KI-System GeoCryoAI, das Messungen am Boden mit Fernerkundungsdaten und Modellergebnissen verbindet.
In die Analyse flossen 62,71 Millionen Messwerte aus Feldstationen und anderen In-situ-Beobachtungen sowie rund 3,3 Milliarden Fernerkundungsbeobachtungen ein. Die zugrunde liegenden Bodenmessungen reichen teilweise bis ins Jahr 1891 zurück. GeoCryoAI kombiniert diese sehr unterschiedlichen Datenquellen mithilfe eines physikalisch informierten Transferlernverfahrens, bei dem bekannte thermodynamische Zusammenhänge das maschinelle Lernen begrenzen.
Das Verfahren erstellt daraus räumliche Raster mit einer statistisch heruntergerechneten Auflösung von 30 Metern. Bei der Validierung erreichte das System eine Genauigkeit von 96,4 Prozent bei der Erkennung möglicher Zero-Curtain-Zustände. Die Autoren sprechen dabei ausdrücklich von Kandidaten für solche Phänomene. Die hochaufgelösten Raster sind daher keine flächendeckenden direkten Bodenmessungen, sondern modellgestützte Rekonstruktionen aus Beobachtungen und Zusatzdaten.
Die Analyse zeigt eine ausgeprägte jahreszeitliche Asymmetrie. Im Frühjahr identifizierte das Modell Zero-Curtain-Phasen von etwa 1.000 bis 4.000 Stunden, während die entsprechenden winterlichen Phasen typischerweise nur rund 100 bis 500 Stunden erreichten. Damit bleibt der Untergrund beim Übergang aus dem gefrorenen Zustand wesentlich länger thermisch gepuffert als während des Gefrierens.
Zudem unterscheiden sich die Muster regional. In Sibirien fällt die Verstärkung im Frühjahr besonders deutlich aus, während der kanadische Archipel eine verzögerte Frühjahrsreaktion zeigt. Auch Nordamerika und Fennoskandinavien weisen jeweils charakteristische saisonale Muster auf. Die Zero-Curtain-Dynamik lässt sich demnach nicht durch einen einheitlichen Wert für die gesamte Arktis beschreiben.
Als besonders wichtig erwies sich die Feuchtigkeit des Bodens. Die Kopplung zwischen Bodenfeuchte und latenter Wärme war im Modell der wichtigste identifizierte Prädiktor und erklärte je nach Analyse einen großen Anteil der Variabilität in der Dauer der Zero-Curtain-Phasen. Innerhalb der untersuchten Wertebereiche war diese Abhängigkeit unter wärmeren und zugleich feuchteren Bedingungen um 20 bis 40 Prozent stärker.
Das passt zum physikalischen Mechanismus. Je mehr Wasser im Boden vorhanden ist, desto mehr Energie wird beim Gefrieren freigesetzt oder beim Tauen aufgenommen. Der Boden kann dadurch länger nahe null Grad bleibe