Wissenschaftler bringen Wälder in das Internet der Dinge

Wissenschaftler bringen Wälder in das Internet der Dinge

Wälder haben eine komplexe Beziehung zum Klimawandel. Einerseits nehmen sie sogar atmosphärischen Kohlenstoff auf vermehren mitten im Klimawandel. Andererseits können sie einem höheren thermischen Stress ausgesetzt sein, was ihre Kohlenstoffsenkenkapazität und ihre Trockenheitsresistenz beeinträchtigt. Mit einer Förderung von rund 10,5 Millionen US-Dollar von der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden europäische Wissenschaftler nun Wälder mit neuen Sensoren ausstatten, um besser zu verstehen, wie Wälder vom Klimawandel betroffen sind.

Forstwissenschaft mit dem Internet der Dinge verbinden (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 an der Harvard University neue Technologien in die Waldüberwachung einbringen verdrahteter Wald.

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

Insbesondere wird das Projekt die abiotischen und biotischen Prozesse des Waldkohlenstoff- und Wasseraustauschs untersuchen, wie das Ökosystem auf Umweltstressoren reagiert, was laut einem Projekt die Vorhersage von prozessbasierten Änderungen der Funktion und der Nachhaltigkeit des Ökosystems ermöglicht präsentieren. Daten aus dem Echtzeit-Sensornetzwerk werden in eine Datenbank zur Analyse und Deep-Learning-Simulationsmodelle übertragen, um kurz- und mittelfristige Prognosen zu erstellen.

„Der Klimawandel hat bereits jetzt enorme Auswirkungen auf die Waldökosysteme. Wir sehen einen Anstieg der Baumsterblichkeit auf der ganzen Welt“, sagte er Christian WernerProfessor für Ökosystemphysiologie am Institut für Erd- und Umweltwissenschaften der Universität Fribourg, betont 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 klimatische Extreme wie Hitzewellen oder Dürren dazu führen, dass einzelne Bäume oder Flecken über ihre Kipppunkte hinaus wachsen.“

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Internet der holzigen Dinge

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

Das EcoSense-Toolkit könnte 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 Mikrosensoren ersetzen, von denen einige energieautark sein werden, so der Sprecher Ulrike WallrabeProfessor am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Fribourg.

„Wir wollen die Flüsse von Wasser, CO diskriminiert nach Isotopen messen2 und flüchtige organische Verbindungen und Stressmarker, hauptsächlich photosynthetische Effizienz durch Chlorophyllfluoreszenz vom Boden in die Atmosphäre“, sagte Wallrabe. „Das Sensornetzwerk umfasst neue, kompakte und möglichst energieautarke Sensoren, die im Rahmen des Projekts entwickelt werden.“

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

„Wie die Forscher andeuten, kann das, was beim Hochskalieren auf zellulärer Ebene passiert, tiefgreifende Auswirkungen auf alle Regionen haben“, sagte Kneeshaw und fügte hinzu, dass er wissen wollte, wie die EcoSense-Daten skaliert werden. „Ein besseres Verständnis der Mechanismen wird uns helfen, uns besser auf zukünftige Veränderungen vorzubereiten. Solche Netzwerke auf der ganzen Welt zu haben und die Wissenschaftler der verschiedenen Netzwerke zu Wort zu bringen [about them] wird zu noch robusteren Ergebnissen und Interpretationen führen.

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Das EcoSense-Projekt soll 2023 mit der Veröffentlichung von Studien beginnen, aber einige mit ihm verbundene Gruppen haben bereits mit der Veröffentlichung von Ergebnissen begonnen. Zum Beispiel veröffentlichte eine Gruppe, der Werner angehörte, a Papier auf einem drahtlosen, in sich geschlossenen Chlorophyll-Fluorimeter, das die Effizienz der Photosynthese in Pflanzen misst. Mit einer Reichweite von 10 Kilometern lässt sich das neue Gerät überall an einem Baum befestigen, ist stromsparend und relativ günstig.

Zusätzlich zu seiner anfänglichen 4-Jahres-Finanzierung hat EcoSense die Option auf zwei 4-Jahres-Verlängerungen, um eine langfristige Perspektive zu erhalten. Die Forscher erwarten viele signifikante Ergebnisse.

„Was uns auszeichnet, ist die einzigartige Ausrichtung von Ökosystemforschung und Mikrosystemtechnik. Verteilte autonome Sensorprinzipien werden eine neue Tür für die Ökosystemforschung öffnen“, sagte Werner. „Wir werden eine beispiellose Abdeckung auf allen Skalen erreichen, sowohl räumlich, vom Blatt bis zum Wald, als auch in einer zeitlichen Dimension, von Minuten bis Jahren, der Prozesse und Wechselwirkungen, die die Flüsse von Kohlenstoff und Wasser antreiben, einschließlich ebenso flüchtiger Stressmarker. organische Verbindungen und Chlorophyllfluoreszenz.

—Tim Hornyak (@robotopia), Wissenschaftsautor

Zitieren: 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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