Il bacino amazzonico, sede della più grande foresta pluviale del mondo, svolge un ruolo cruciale nel mantenimento del bilancio del carbonio del pianeta, assorbendo e immagazzinando miliardi di tonnellate di anidride carbonica ogni anno. Ma un punto critico si profila all'orizzonte, uno che potrebbe trasformare questo vitale pozzo di carbonio in una delle maggiori fonti di anidride carbonica del pianeta.

"Annusando la foresta, "un team di ricercatori guidato da Harvard sta cercando di misurare come e quando ciò potrebbe accadere.

Mentre il pianeta si riscalda, siccità, incendi e cambiamenti climatici minacciano circa 400 miliardi di alberi in Amazzonia, alcuni dei quali sono già a rischio a causa del disboscamento e dell'estrazione mineraria. Quando gli alberi vengono danneggiati o uccisi, si decompongono e rilasciano carbonio nell'atmosfera.

"Cambiamento climatico, così come la deforestazione causata dall'uomo e la combustione di biomassa, può portare a punti di non ritorno ecologici e climatici che potrebbero rilasciare enormi pozze di carbonio immagazzinato, " ha detto scozzese Martin, il Gordon McKay Professor of Environmental Science and Engineering presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e Professor of Earth and Planetary Sciences presso il Department of Earth and Planetary Sciences.

La domanda è:come facciamo a sapere quando ci stiamo avvicinando a quel punto di svolta?

Martino, con un team internazionale di ricercatori e collaboratori dell'Amazonas State University (UEA) e dell'Amazonas State Research Support Foundation (FAPEAM), ha sviluppato un sistema di rilevamento precoce per monitorare i cambiamenti in Amazzonia.

La ricerca di Martin mira a capire meglio come l'Amazzonia risponde allo stress. In un progetto in corso, finanziato dal Climate Change Solutions Fund (CCSF) dell'Università di Harvard, Martin e il suo team stanno mappando e monitorando i segnali chimici unici emessi dagli alberi noti come composti organici volatili (VOC).

Abbiamo tutti rilevato i COV:sono ciò che senti nell'erba appena falciata o camminando in una pineta. Come i feromoni umani, I COV aiutano le piante a interagire con gli organismi che le circondano. Attirano gli insetti per l'impollinazione e la dispersione dei semi, rispondere alle sollecitazioni, e persino inviare segnali di avvertimento alle piante vicine che i predatori stanno attaccando. Ogni specie di pianta emette una firma VOC diversa, come un'impronta digitale, che può cambiare in base alla stagione o se la pianta è sotto costrizione da, Per esempio, siccità o alluvione.

"Le foreste possono parlarci attraverso i COV, " ha affermato Martin. "Tradurre questi segnali può portare a una comprensione quantitativa di come gli ecosistemi forestali rispondono allo stress climatico e ai cambiamenti climatici".

Ma ci sono grandi sfide per la raccolta di dati sui COV. Primo, la foresta pluviale amazzonica copre ben 550 milioni di ettari. All'interno di questo enorme bioma ci sono migliaia di ecosistemi più piccoli, ciascuno con i propri segnali di biodiversità e COV.

Gli aeroplani possono coprire grandi distanze ma non possono volare abbastanza bassi da raccogliere campioni di COV, che raggiungono altezze di circa un chilometro o meno sopra la chioma. Le torri possono percepire alla giusta altezza ma solo per l'ecosistema locale.

Per colmare questo canyon di dati, Martin e il suo team si stanno rivolgendo ai droni.

"Ciò che rende i sensori basati su droni così interessanti è che offrono la possibilità di raccogliere dati su scale inesplorate, " ha affermato Martin. "Questo potrebbe portare a intuizioni rivoluzionarie sugli ecosistemi amazzonici sotto stress climatico e ai cambiamenti previsti nel clima e nella biodiversità".

Quest'estate, il team ha viaggiato in profondità nell'Amazzonia per testare un prototipo di campionamento VOC sviluppato da Daniel Wang S.B. '17 per la sua tesi di laurea in design. Il prototipo, una piccola scatola di campionamento collegata direttamente a un drone, aspira aria dall'ambiente circostante e la fa passare attraverso tubi di campionamento che intrappolano le molecole di COV. Sotto la guida dei consulenti Martin e Karena McKinney, Associato in Scienze e ingegneria ambientale, Wang ha utilizzato materiali leggeri in grado di resistere alle alte temperature e all'umidità della giungla.

Il test è stato un successo.

"Lo strumento ha funzionato perfettamente, " ha detto Wang.

Il team ha lanciato il prototipo da una torre situata nel giardino botanico di Manaus (MUSA). Il team ha testato la portata e i limiti del drone, inviandolo a specifici punti GPS fino a un chilometro di distanza dalla torre. Il drone ha raccolto campioni a varie altitudini e punti specifici lungo il percorso, e tornava a casa ogni volta.

"L'esperienza di essere nella giungla, con un dispositivo che ho progettato su una panchina ad Harvard, era incredibile, ", ha detto Wang. "Siamo stati in grado di far volare questa tecnologia in spazi precedentemente inesplorati e raccogliere campioni che, si spera, ci diranno di più sull'impronta digitale chimica della giungla".

Con il finanziamento del CCSF, Martin e il suo team di collaboratori brasiliani continueranno a svilupparsi, testare e pilotare droni di campionamento VOC sopra l'Amazzonia.

Il team sta attualmente pilotando droni su diversi tipi di foreste, comprese le regioni basse impregnate d'acqua e le foreste di terraferma più alte, sviluppare un database di impronte digitali VOC in condizioni normali. Dopo di che, le stesse foreste saranno monitorate durante i periodi di stress della stagione umida e secca per apprendere come cambiano le impronte digitali VOC.

Martin e il team di Harvard visitano l'Amazzonia una mezza dozzina di volte all'anno.

Mentre Martin è tornato ad Harvard, i suoi collaboratori brasiliani, quattro dottorandi dell'UEA, continuano a sviluppare la tecnologia dei droni e dei campionatori e le tecniche di analisi dei COV.

Questa collaborazione è la chiave del successo del progetto.

"Credo nel successo iterativo, " ha detto Martin. "Chiunque può diventare un esperto dopo 100 round di feedback. Attraverso la collaborazione UEA e FAPEAM con SEAS, i dottorandi UEA locali possono effettuare un volo e un'analisi VOC ogni 24-48 ore. Così, entro mezzo anno, hai la migliore squadra del pianeta che fa questi voli. Senza quella collaborazione, ci vorrebbe un decennio al team di Harvard per costruire quella competenza. Così, questa collaborazione è ottima non solo per la scienza rilevante per l'umanità, ma anche per il team combinato di studenti, postdoc, e docenti nella collaborazione UEA-FAPEAM-SEAS."