Toprak Sismolojisi: Akıllı Telefonlar ve Sismoloji Kullanılarak Gezegenin Toprakları Nasıl Haritalanabilir?

Topraklar, dünyanın en yaygın ve muhtemelen en karmaşık, en önemli ekosistemleridir. Gezegenimizdeki türlerin yarısından fazlasına ev sahipliği yaparlar. Ancak aynı zamanda hakkında en az şey bildiğimiz ekosistemlerden de biridir.

Yüzeyi görebiliriz ancak sürekli olarak çukur kazmadığımız sürece altında ne yattığını keşfetmemiz oldukça zordur.

Hiçbir uzaktan algılama uydusu topraktaki nemi, karbon içeriğini veya besin deposunu ölçemez. Çiftçiler bile genellikle önceki hasatlardan aldıkları derslere güvenerek körleme hareket ederler.

Ancak Britanyalı küçük bir araştırmacı grubunun haklı çıkması halinde, çözüm sismolojide yatıyor olabilir. Depremleri izlemek ve petrol aramak için geliştirilen teknikler, dünyadaki toprakların yapısını ilk kez ucuz, hızlı ve potansiyel olarak küresel ölçekte incelemek için kullanılabilir.

Araştırmacılar, metal bir plakaya çekiçle vurarak ve bu vuruşların topraktaki yankılarını duymak için yalnızca bir cep telefonu kullanarak dünyanın topraklarının üç boyutlu (3B) haritalarını çıkarabileceklerini söylüyorlar.

Araştırmacıların "toprak sismolojisi" olarak adlandırdıkları bu devrim niteliğindeki teknik, çiftçilerin çevreye daha az zarar vererek daha fazla ürün yetiştirmelerine yardımcı olabilir; hükümetlerin kıtlıkları önlemesine destek sağlayabilir ve bilim insanları ile iklim müzakerecilerinin dünyadaki toprakların değişen karbon içeriğini doğru bir şekilde ölçmelerine olanak tanıyabilir.

Earth Rover Programı'nın mimarları; şu anda İngiltere, Kenya ve Kolombiya'daki birkaç çiftlikte çalışmalarını sürdürüyor. Amaçları, Dünya'nın büyük bir bölümünü kaplayan ve onu verimli kılan toprakları inceleyerek bir küresel toprak tahmini haritası oluşturmaktır.

Bilgi Kıtlığı

Topraklar, genellikle okyanustaki mercan resiflerine benzetilen karmaşık ve canlı varlıklardır. Hareketsiz kayaların binlerce yıl boyunca ayrışmasıyla oluşurlar; bu süreç, mikropların ve mantarların her türlü yaşam için zengin bir yaşam alanına dönüşecek organik maddeyi yaratmasına olanak tanır.

Toprak danışmanı ve Britanya Toprak Bilimi Kurumu eski başkanı Dr. Bruce Lascelles, bu durumu şöyle açıklıyor:

Sağlıklı bir çay kaşığı toprak, Dünya gezegenindeki insan sayısından daha fazla canlı organizma barındırır.

Ancak topraklar çok büyük farklılıklar gösterir. Yakın zamana kadar dünyanın en büyük tahıl yetiştirme ve ihraç etme bölgelerinden biri olan Ukrayna'nın besin açısından zengin kara topraklarından, Sahra Çölü'nün eteklerindeki kuraklıktan kavrulmuş kumlarına kadar uzanan geniş bir yelpaze söz konusudur. Benzer şekilde, Kuzey Kutbu tundralarının donmuş topraklarından tropikal ormansızlaşmanın ortaya çıkardığı ince, besin açısından fakir topraklara kadar devasa çeşitlilikler görülür.

Toprak olmasaydı, karada çok az bitki olurdu; bizim ya da hayvanların yiyebileceği hiçbir şey kalmazdı. Günümüzün endüstrileşmiş tarım sistemlerinde bile, insanlığın yiyeceklerinin yüzde 99'u farklı toprak türlerinde yetişen bitkilerden elde edilmektedir.

Yine de bu yaşam veren ekosistemler hakkında şaşırtıcı derecede az şey biliyoruz. Dr. Lascelles'in ifadesiyle topraklar, uzun zamandır bilim dünyasının "Külkedisi" konumundadır.

Topraklar, çevre düzenleyicileri için de bir kör noktadır. Biyoçeşitliliği, iklimi, ormanları, okyanusları, su ve hava kalitesini korumayı amaçlayan ulusal koruma yasalarımız ve uluslararası anlaşmalarımız var. Dr. Lascelles, diğer her şeyin korunduğunu, "Ancak toprakların korunmadığını" belirtiyor.

Tarih boyunca çiftçiler, deneme yanılma yoluyla hangi toprakların en büyük hasadı vereceğini öğrendiler. Ancak bilgi dağarcıklarında hâlâ büyük boşluklar var.

Bir tarladan diğerine, hatta bir metrekareden diğerine toprağın verimliliği büyük ölçüde değişebilir. Ancak araziden en iyi şekilde yararlanmak için bu farklılıkları bilimsel olarak keşfetmek, çoğu zaman son derece maliyetlidir.

Çiftçiler daha fazla bilgi sahibi olsaydı, yöntemlerinde ince ayarlar yapabilir, örneğin pahalı gübrelere olan ihtiyacı azaltabilir ve en değerli kaynaklarını yok eden aşırı yoğun tarımdan kaçınabilirlerdi.

Bilgi kıtlığıyla yüzleşenler sadece çiftçiler değildir. Topraklar, küresel karbon bütçesinde de önemli bir faktördür. Gezegenin karasal karbonunun üçte birinden fazlasını içerirler; bu da atmosferdekinin üç katından daha fazladır.

Ancak ormanlar ve diğer ekosistemlerin aksine, toprak karbonunun atmosferle nasıl etkileşime girdiği ve toprakların karbon salarak iklim değişikliğine katkıda mı bulunduğu, yoksa karbon yakalayarak onu önlemeye mi yardımcı olduğu konusunda çok az veriye sahibiz.

Nitekim yakın tarihli bir Avrupa Birliği raporunda da belirtildiği üzere, topraklar "iklim döngüsünün gizli kalan parçası" olmaya devam etmektedir.

Bildiğimiz bir şey var ki o da toprakların daha önce hiç olmadığı kadar büyük bir tehdit altında olduğudur. Özellikle hasattan sonra bitki örtüsünün kalmadığı dönemlerde çiftliklerde rüzgar ve su erozyonuna maruz kalırlar; ayrıca ağır tarım ekipmanlarının yarattığı sıkışma nedeniyle zarar görürler.

Ormanlar ve diğer doğal bitki örtüsü yok edildiğinde veya meralar canlı hayvanlar tarafından aşırı otlatıldığında daha fazla toprak erozyona uğrar. Erozyon olmasa bile, topraklar adeta kuşatma altındadır.

Yoğun tarım, topraktaki azot ve fosfor gibi bitki büyümesi için gerekli besinleri tüketir. Çiftçiler kaybedilen besinleri kimyasal gübrelerle yerine koymaya çalışırlar; ancak çoğu zaman bunları gereğinden fazla kullanmaları kirliliğe ve toprağın diğer hayati özelliklerinde gerilemeye yol açar.

Birçok toprak ayrıca ağır metaller gibi endüstriyel zehirler, asit yağmurları, sulama suyuyla tarlalara taşınan tuz birikimi ve sağlıklı toprakları ayakta tutan organizmaları zehirleyen, giderek artan bir mikroplastik dalgası gibi diğer kirlilik türlerinden de muzdariptir.

Dünyadaki toprakların yaklaşık yüzde 40'ı "bozulmuş" olarak sınıflandırılmaktadır ve bu oran Avrupa'da yüzde 75'e kadar çıkmaktadır. Toprak bilimi alanında etkili bir isim olan, Ohio Eyalet Üniversitesinden Dr. Rattan Lal, her dakika 20 hektarlık bir alanın daha zarar gördüğünü belirtiyor.

Dünya genelinde her yıl yaklaşık 75 milyar ton toprağın kaybolduğu tahmin edilmektedir.

Bazı tahminler, kötü tarım ve iklim değişikliğinin birleşiminin 2050 yılına kadar atmosfere 50 milyar ton kadar karbon salabileceğini ve bunun daha fazla toprak karbonu kaybına neden olan tehlikeli bir geri bildirim döngüsü yaratarak küresel ısınmayı hızlandırabileceğini öne sürmektedir.

Topraklar, içlerinde yaşayan canlılar sayesinde zamanla kendilerini toparlayabilir. Ancak bir inçlik (yaklaşık 2,5 santimetre) yeni bir toprağın oluşması bin yıla kadar sürebilir. Dr. Lal, toprak bozulmasını "küresel bir halk sağlığı acil durumu" olarak nitelendiriyor; zira bu hasar, dünyanın kendini besleme kapasitesini doğrudan tehdit ediyor.

Kenya'daki Heinrich Böll Stiftung Vakfından agroekolog Dr. Harun Warui de buna katılarak ekolojik açıdan toprak bozulmasının "sessiz bir küresel kriz" olduğunu belirtiyor.

Sonuç olarak; ister bireysel tarlaların günlük yönetimi, ister gelecekteki gıda güvenliği için ulusal planlama, istersek de iklim değişikliğini düzeltmek için doğayı kullanmak olsun, topraklarımızın yüzeyinin altında neler olup bittiğini bilmeye şiddetle ihtiyacımız var.

Zemin İçin Ultrason

Tam bu noktada, toprakları haritalamak için yepyeni bir teknik devreye giriyor. Araştırmacılar sismolojiyi (ses dalgalarının katı yapılar içindeki izini sürme bilimi) kullanarak toprağın yoğunluğu, derinliği, nem içeriği ve verimliliği gibi temel özelliklerini bulabilir ve değerlendirebilirler.

Adını NASA'nın diğer gezegenlerin yüzeyini keşfeden yüksek teknolojili uzay araçlarından alan Earth Rover Programı, toprak bilimcileri ile yer altındaki hidrokarbonları bulmaları için petrol şirketlerine yardım etmeye alışkın olan jeofizikçiler arasında bir iş birliğidir.

Programın doğuşu, dört yıl önce Harper Adams Üniversitesi'nden toprak bilimci Simon Jeffery'nin, çevre aktivisti George Monbiot aracılığıyla o zamanlar Oxford Üniversitesinde, şimdi ise Exeter Üniversitesinde olan jeofizikçi Tarje Nissen-Meyer ile tanışmasıyla gerçekleşti.

İkili arasında anında bir fikir birliği oluştu. Nissen-Meyer sismolojiyi daha fazla petrol bulmak için kullanmak yerine gezegeni iyileştirmeye yardımcı olmanın yollarını bulmaya hevesliyken, Jeffery tarım topraklarının ekolojisine dair bilimsel anlayışı geliştirerek bu kaynakların daha sürdürülebilir bir şekilde kullanılmasını sağlamaya odaklanmıştı.

Bu üçlü, diğer bilim insanları arasında kendilerine hazır bir dinleyici kitlesi buldu. Bu isimlerden biri de eski Amazon patronu Jeff Bezos tarafından kurulan Bezos Dünya Fonundaki milyar dolarlık Gıda'nın Geleceği girişiminin yöneticisi olan Britanyalı coğrafyacı Dr. Andy Jarvis'ti.

Dr. Jarvis, yer altından geçen titreşimleri izlemeye yönelik denemelerin; ayaklarımızın altındaki toprağın katmanlarını, yoğunluğunu, nemini ve karbon içeriğini küresel çapta haritalandıracak bir sisteme dönüştürülmesine yardımcı olmak amacıyla Bezos Fonu'ndan 4 milyon dolarlık bir hibe sağladı.

Mevcut durumda bu sistem, yerdeki küçük, sıradan bir metal parçasına çekiçle vurarak sismik bir sinyal oluşturuyor ve yakına yerleştirilen birkaç sensör aracılığıyla ortaya çıkan ses dalgalarını algılıyor.

Jeffery, ekibinin ürettiği 3B toprak haritalarını insan vücudunun ultrason görüntülemesine benzetiyor. Üstelik bu teknik son derece hızlı çalışıyor; her bir sondaj ölçümü sadece 10 saniye sürüyor. Jeffery, sistemin geleceğine dair planlarını şöyle özetliyor:

Gelecekte insanların cep telefonlarını toprağın üzerine yerleştirip etrafında yürüyebilecekleri, sismik sinyalleri üretmek için ayak seslerini kullanacakları ve telefonlarındaki ivmeölçer aracılığıyla bunları toplayıp deşifre edebilecekleri bir sistem geliştirmeyi planlıyoruz.

Jeffery ayrıca, bireysel çiftçilerin eskiden günlerce süren ve ekiplerce kazı yapılmasını gerektiren haritalama işini sadece 20 dakikada yapabileceklerini belirtiyor.

Bu benzersiz sistem aynı zamanda oldukça ucuzdur. Geçmişte, sismik yankılanmaları ölçecek tek bir sensörün maliyeti yaklaşık 940 dolar civarındaydı. Ancak basit bir uygulamayla sismolojik bir cihaza dönüştürülebilen bir ivmeölçerin her akıllı telefonda bulunması, bu pahalı ekipmanı gereksiz kılmaktadır. Dr. Jarvis bu durumu şöyle ifade ediyor:

Çiftçiler, yalnızca telefonlarını kullanarak nereyi sulayacaklarını veya gübreleyeceklerini yakında tam olarak görebilirler; hükümetler karbon stokunu şeffaf bir şekilde izleyebilir ve hepimiz ayaklarımızın altındaki o nefes alan, canlı dünyayı nihayet anlayabiliriz.

Toprağın Kullanılmayan Potansiyeli

Ancak ölçüm yapmak sadece bir başlangıçtır. Araştırmacılar, yapay zekanın anket verilerini yorumlayarak bütünsel arazileri modelleyebilmesi için makine öğrenimi teknikleri geliştirmeyi umuyorlar.

Ardından; toprağın mevcut kullanıma, yeni tehditlere veya daha umut verici bir şekilde, sağlanan toprak verileriyle teşvik edilebilecek daha iyi yönetim stratejilerine nasıl tepki verebileceğine dair öngörüler oluşturulabilecek. Earth Rover manifestosu bu yaklaşımı şöyle dile getiriyor:

Anlayışımız derinleştikçe, bitkiler ile mikroplar arasındaki doğal ilişkileri güçlendirebilir, besin geri dönüşümünü iyileştirebilir, karbon stoklarını artırabilir ve sıkışmayı, erozyonu ve sentetik girdilere bağımlılığı azaltabiliriz. Böylece, daha düşük çevresel etkilerle daha yüksek verim sağlayan yeni bir tarım yaklaşımı geliştirebiliriz.

Robotik ve tarım ekipmanlarının uzaktan yönlendirilmesi gibi modern tarım teknikleri, çiftçilerin toprağı işlemelerini mikrodüzeyde yönetmelerine, hatta bitkiden bitkiye uygulanan girdileri değiştirmelerine olanak tanımaktadır.

Ne var ki topraklarının yüzeyinin altında ne yattığına dair bilgiye sahip olmadan bu tekniklerin tam potansiyellerine ulaşmaları pek de mümkün değildir.

Programın nihai planı, Earth Rover sistemini yüksek teknolojili ticari çiftliklere satmaktır. Buradan elde edilecek kâr, daha sonra dünya genelindeki küçük çiftçiler için toprağın ucuz sismolojik analizlerini mümkün kılmak amacıyla kullanılacaktır.

Şimdilik araştırmacılar, teknikleri bir avuç çiftlikte test ediyor ve toprakları izliyor. Örneğin, Devon'daki Exeter yakınlarındaki Roddy Hall'un hindi çiftliğinde, Hall'un 30 yıldır sürdürdüğü organik yöntemlerin toprakları nasıl iyileştirdiğini inceliyorlar.

Hall, bu teknolojinin deneme tahtası olmaktan büyük bir memnuniyet duyuyor. "Yaptığımız her şeyin temelinde toprak var!" diyor. Sismolojinin "toprağın karmaşıklığına dair anlayışımızı derinleştireceğine" inandığını ve gerekli donanımın telefonundan bile daha küçük olmasının "son derece heyecan verici" olduğunu belirtiyor.

Ekip ayrıca Kolombiya'daki bir tarımsal araştırma istasyonunda, Fransa'daki bir üzüm bağında ve Kenya'da, öncü bir ticari yenileyici tarım şirketi olan Forest Foods tarafından yönetilen birkaç tesis de dahil olmak üzere yedi çiftlikte çalışıyor.

Bu çalışmanın ortaklarından olan Kenya Ekosistem Restorasyon Merkezinde (CERK) görevli toprak bilimci Dr. Peter Mosongo, Afrikalı çiftçiler tarafından yürütülecek sismik araştırmaların geçim kaynaklarını baştan aşağı dönüştürebileceğini söylüyor.

Birleşik Krallık'a dönecek olursak, Shropshire'daki Whixall Moss doğa koruma alanında araştırma ekibi, turba bataklıklarında ne kadar karbon depolandığına dair tahminleri sismolojinin nasıl çarpıcı bir şekilde iyileştirebileceğini gösteriyor.

Bunun ciddi iklimsel etkileri bulunuyor. Yüzyıllar boyunca biriken ölü bitki kalıntılarının suyla doymuş hali olan turba ile kaplı alanlar, dünya topraklarının sadece yüzde 6'sını oluşturur ancak metrelerce derinlikte olabildikleri için toprak karbonunun yaklaşık üçte birini barındırırlar.

Bu oran, fosil yakıtların yakılmasından kaynaklanan onlarca yıllık emisyonlara eşdeğerdir.

Geniş turbalık alanlara sahip birçok ülke, ulusal karbon azaltma hedeflerine ulaşmanın bir yolu olarak yıkıcı drenajı önleyerek karbon emilimini artırmak istemektedir.

Ancak bu yaklaşımı uluslararası iklim müzakerecilerine karşı savunabilmek için güvenilir ve sağlam verilere ihtiyaç duyuyorlar.

Gelgelelim bu verilere ulaşmak hiç de kolay değildir. Jeffery, yayımlanan turbalıklardaki karbon tahminlerinde neredeyse beş katlık bir fark olduğunu, çünkü pek çok turbalığın derinliği ve yoğunluğunun bilinmediğini belirtiyor.

Artık sadece titreşimlerin turbalığın dibindeki kayalardan geri dönmesi için geçen süreyi ölçerek bu bulmacayı çözebilir ve karbon yakalama iddialarını somutlaştırabilirler.

Büyük Bir Atılım

Dünyanın önde gelen toprak bilimcilerinin çoğu, toprak sismolojisini çalışmalarında büyük bir atılım olarak övüyor. Dr. Lal, bu gelişme hakkındaki düşüncelerini şöyle ifade ediyor:

Earth Rover Programı'nı güçlü bir şekilde destekliyorum. Bu fikir sadece yenilikçi ve faydalı olmakla kalmıyor, aynı zamanda çiftçileri ve toplulukları en temel doğal kaynak olan canlı toprakla birbirine bağlıyor.

Sidney Üniversitesi Tarım Enstitüsü Direktörü İskoç toprak bilimci Prof. Dr. Alex McBratney, sonsuz kazılar yapmadan dünyadaki topraklara dair bilgimizi dönüştürmenin başka yolları da olduğunu belirtiyor.

Uzaktan algılama yüzeyi taramak için harikadır; yere nüfuz eden radarlar ise toprak kalınlığını tahmin edebilir. Bir başka yöntem de toprağın elektriksel iletkenliğini ölçmek için toprağa elektromanyetik bir darbe göndererek nem, kil içeriği ve tuzluluk haritaları oluşturmaktır.

Ancak Earth Rover ekibine göre tüm bu yöntemler pahalı sensörler gerektiriyor ve dünyadaki herhangi bir çiftçinin tarlalarını kontrol etmek için kullanabileceği, dünya çapında toprak haritalamasına olanak tanıyan basit bir çekiç ve cep telefonu kadar çok yönlü değiller.

En değerli ekosistemlerimizin açık kaynaklı bir küresel veri tabanına kavuşması artık an meselesidir ve oldukça gerçekçi bir olasılıktır.

Topraklar, tarihte ilk kez hem doğanın hem de insanlığın hayatta kalması için hayati önem taşıyan bir süreç olarak küresel bir kaynak sıfatıyla incelenebilecek ve yönetilebilecek.