Wald­brän­de erfor­schen durch KI

Wald­brän­de sind schon heu­te eine welt­wei­te Bedro­hung. „Ange­sichts des fort­schei­ten­den Kli­ma­wan­dels ste­hen wir aber wahr­schein­lich erst am Anfang einer brand­ge­fähr­li­chen Zukunft mit mehr und grö­ße­ren Wald­brän­den“, sagt Rupert Seidl, Pro­fes­sor für Öko­sys­tem­dy­na­mik und Wald­ma­nage­ment in Gebirgs­land­schaf­ten an der TUM. Mit stei­gen­den Tem­pe­ra­tu­ren nimmt das Risi­ko für ver­hee­ren­de Feu­er in der Natur zu. For­schen­de der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen (TUM) nut­zen Metho­den der Künst­li­chen Intel­li­genz, um die lang­fris­ti­gen Aus­wir­kun­gen von ver­mehr­ten Wald­brän­den auf Wal­döko­sys­te­me abzu­schät­zen. In ihren Simu­la­tio­nen zei­gen sie, wie sich der Yel­low­stone Natio­nal­park in den USA bis zum Ende des Jahr­hun­derts ent­wi­ckeln könnte.
Dabei ist Feu­er vie­ler­orts Teil der natür­li­chen Umwelt und vie­le Baum­ar­ten sind evo­lu­tio­när an wie­der­keh­ren­de Brän­de ange­passt. Die Anpas­sun­gen rei­chen von beson­ders dicken Bor­ken, die das emp­find­li­che Kam­bi­um im Stamm vor dem Feu­er schüt­zen, bis hin zu den Zap­fen man­cher Kie­fer­ar­ten, die sich erst durch die Hit­ze des Feu­ers öff­nen, um dann abge­brann­te Flä­chen effi­zi­ent wie­der­be­sie­deln zu können.
 

KI beschleu­nigt Ökosystemmodelle

„Das Zusam­men­spiel von Kli­ma, Feu­er und viel­fäl­ti­gen Pro­zes­sen im Wal­döko­sys­tem ist sehr kom­plex und es bedarf aus­ge­feil­ter pro­zess­ba­sier­ter Simu­la­ti­ons­mo­del­le, um die viel­fäl­ti­gen Inter­ak­tio­nen ange­mes­sen berück­sich­ti­gen zu kön­nen“, sagt Prof. Seidl. Eine an der TUM ent­wi­ckel­te Metho­de nutzt Künst­li­che Intel­li­genz, um das Anwen­dungs­ge­biet sol­cher auf­wän­di­gen Model­le deut­lich zu erwei­tern. Dabei wird ein tie­fes neu­ro­na­les Netz­werk (Deep Neural Net­work) dar­auf trai­niert, das Ver­hal­ten eines kom­ple­xen Simu­la­ti­ons­mo­dells mög­lichst gut zu imi­tie­ren. Das neu­ro­na­le Netz­werk lernt dadurch, wie das Öko­sys­tem auf ver­schie­de­ne Umwelt­ein­flüs­se reagiert, kommt dabei aber mit einem Bruch­teil der Rechen­leis­tung aus, die für gro­ße Simu­la­ti­ons­mo­del­le sonst auf­ge­wen­det wer­den müss­te. „Wir kön­nen damit räum­lich hoch auf­ge­lös­te Simu­la­tio­nen von Wald­ge­bie­ten mit meh­re­ren Mil­lio­nen Hekt­ar durch­füh­ren“, sagt Wis­sen­schaft­ler Dr. Wer­ner Rammer.
 

Pro­gno­se Yel­low­stone Nationalpark

Eine der Simu­la­tio­nen des Wis­sen­schafts­teams ist die des „Grea­ter Yel­low­stone Eco­sys­tems“ mit dem welt­be­rühm­ten Yel­low­stone Natio­nal­park im Zen­trum. Die­se rund 8 Mil­lio­nen Hekt­ar gro­ße Flä­che ist eine weit­ge­hend vom Men­schen unbe­rühr­te Regi­on in den Rocky Moun­tains der USA. Die For­schen­den der TUM haben mit ame­ri­ka­ni­schen Kol­le­gin­nen und Kol­le­gen für die­ses Gebiet berech­net, wie sich ver­schie­de­ne Kli­masze­na­ri­en auf die Wald­brand­häu­fig­keit im 21. Jahr­hun­dert aus­wir­ken und wel­che Wäl­der sich nach dem Feu­er nicht mehr erfolg­reich ver­jün­gen kön­nen. Je nach Kli­ma­wan­del­sze­na­rio geht, der Stu­die zufol­ge, bis zum Ende des Jahr­hun­derts auf 28 bis 59 Pro­zent der Flä­che die heu­ti­ge Wald­ve­ge­ta­ti­on ver­lo­ren. Beson­ders betrof­fen sind dabei Wäl­der der sub­al­pi­nen Zone, nahe der Wald­gren­ze, deren Baum­ar­ten von Natur aus weni­ger gut an Feu­er ange­passt sind, und Flä­chen am Yel­low­stone Pla­teau, wo die rela­tiv fla­che Topo­gra­phie die Feu­er­aus­brei­tung kaum einschränkt.
 

Ver­än­de­run­gen im Öko­sys­tem Wald

Der Ver­jün­gungs­er­folg des Wal­des in der betrach­te­ten Regi­on ist aus meh­re­ren Grün­den gefähr­det: Wer­den Feu­er grö­ßer und damit auch die Distan­zen zu über­le­ben­den Bäu­men, kom­men zu weni­ge Samen auf die Flä­che. Wird es in Zukunft hei­ßer und tro­cke­ner, über­le­ben die emp­find­li­chen frisch eta­blier­ten Jung­pflan­zen nicht und brennt es zu häu­fig, errei­chen Bäu­me gar nicht mehr das Alter, ab dem sie sel­ber Samen pro­du­zie­ren. „Bis 2100 wird sich das Grea­ter Yel­low­stone Eco­sys­tem aller Vor­aus­sicht nach stär­ker ver­än­dert haben als jemals zuvor in den letz­ten 10.000 Jah­ren und damit auch deut­lich anders aus­se­hen als heu­te“, sagt Ram­mer. „Der Ver­lust heu­ti­ger Wald­ve­ge­ta­ti­on führt zur Reduk­ti­on des im Öko­sys­tems gespei­cher­ten Koh­len­stof­fes und wird auch tief­grei­fen­de Aus­wir­kun­gen auf die Bio­di­ver­si­tät und den Erho­lungs­wert der iko­ni­schen Land­schaft haben.“
Die in der Stu­die auf­ge­zeig­ten mög­li­chen Ent­wick­lungs­pfa­de sol­len auch dazu bei­tra­gen Natio­nal­park­be­su­che­rin­nen und ‑besu­chern Kli­ma­wan­del­fol­gen und die Dring­lich­keit von Kli­ma­schutz­maß­nah­men näher­zu­brin­gen. Im nächs­ten Schritt wird das For­schungs­team den KI Ansatz nut­zen um die lang­fris­ti­gen Rück­kop­pe­lun­gen von Kli­ma­wan­del und Stö­run­gen in Euro­pas Wäl­dern abzuschätzen.