D-Twins aims to develop a prototype digital twin system (DTS) for the critical zone subject to climate extremes. The Critical Zone (CZ) is the thin layer between the upper surface of unweathered rock and the vegetation's upper boundary, where snow, rock, soil, water, air, and organisms interact. This vital ecosystem functions as Earth's "skin," supporting the diverse biological communities that contribute to the health and sustainability of our planet and hosts most of our society's agricultural production, water, and energy resources. Especially in the northern permafrost regions, it serves as a foundational base for the livelihoods of local communities. It is also one of the most crucial carbon stores in the Arctic region and is sensitive to climate change. Equally, the critical zone is a critical controlling factor for multi-hazards, such as floods and landslides. In cold regions, the thawing of permafrost, characterized by ground ice melt and subsidence, could place critical infrastructure at significant risk. Despite its proximity, the critical zone remains one of the least well-characterized parts of the Earth system. Therefore, D-Twins will answer the following questions: What are the best methods to determine physical properties in the critical zone? Can we upscale these site-specific measurements to a larger scale? Based on that, can we build a DTS to study the impact of different climatic extremes? How can we quantitatively understand the permafrost-climate feedback? Finally, could we provide socioeconomic impact forecasting and necessary adaptation policy for various scenarios, particularly extreme events?

Section researchers involved: Dr. Hui Tang and Prof. Jean Braun

D-Twins zielt auf die Entwicklung eines Prototyps eines digitalen Zwillingssystems (DTS) für die kritische Zone hin, die Klimaextremen ausgesetzt ist. Die kritische Zone (CZ) ist die dünne Schicht zwischen der Oberfläche des unverwitterten Gesteins und der oberen Grenze der Vegetation, wo Schnee, Gestein, Boden, Wasser, Luft und Organismen zusammenwirken. Dieses lebenswichtige Ökosystem fungiert als „Haut“ der Erde. Es unterstützt die vielfältigen biologischen Gemeinschaften, die zur Gesundheit und Nachhaltigkeit unseres Planeten beitragen, und beherbergt einen Großteil der landwirtschaftlichen Produktion, der Wasser- und Energieressourcen unserer Gesellschaft. Vor allem in den nördlichen Permafrostgebieten dient es als Lebensgrundlage für die lokalen Gemeinschaften. Er ist auch einer der wichtigsten Kohlenstoffspeicher in der arktischen Region und reagiert empfindlich auf den Klimawandel. Ebenso ist die kritische Zone ein entscheidender Kontrollfaktor für verschiedene Gefahren wie Überschwemmungen und Erdrutsche. In kalten Regionen könnte das Auftauen des Permafrostbodens, das durch das Schmelzen des Bodeneises und das Absinken des Bodens gekennzeichnet ist, kritische Infrastrukturen einem erheblichen Risiko aussetzen. Trotz ihrer Nähe ist die kritische Zone einer der am wenigsten gut untersuchten Teile des Erdsystems. Daher wird D-Twins die folgenden Fragen beantworten: Welches sind die besten Methoden zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften in der kritischen Zone? Können wir diese standortspezifischen Messungen auf eine größere Skala übertragen? Können wir auf dieser Grundlage eine DTS aufbauen, um die Auswirkungen verschiedener Klimaextreme zu untersuchen?
Wie können wir die Rückkopplung zwischen Permafrost und Klima quantitativ verstehen? Und schließlich: Können wir sozioökonomische Auswirkungen und die notwendige Anpassungspolitik für verschiedene Szenarien, insbesondere für Extremereignisse, prognostizieren?

Beteiligte Forscher der Sektion: Dr. Hui Tang und Prof. Jean Braun