I satelliti della NASA possono vedere respirare la nostra Terra vivente.

Nell'emisfero settentrionale, gli ecosistemi si risvegliano in primavera, assorbendo anidride carbonica ed espirando ossigeno mentre germogliano le foglie, e una flotta di satelliti per l'osservazione della Terra segue la diffusione della nuova vegetazione verde.

Nel frattempo, negli oceani, piante microscopiche si spostano attraverso le acque superficiali illuminate dal sole e sbocciano in miliardi di organismi che assorbono l'anidride carbonica e gli strumenti di rilevamento della luce sui satelliti mappano i vortici del loro colore.

Questo autunno segna 20 anni da quando la NASA ha osservato continuamente non solo le proprietà fisiche del nostro pianeta, ma l'unica cosa che rende la Terra unica tra le migliaia di altri mondi che abbiamo scoperto:la vita.

I satelliti misuravano la vita terrestre e oceanica dallo spazio già negli anni '70. Ma non è stato fino al lancio del sensore Sea-viewing Wide Field-of-view (SeaWiFS) nel 1997 che l'agenzia spaziale ha iniziato quello che ora è un continuo, visione globale della vita terrestre e oceanica. Una nuova animazione cattura la totalità di questo record di 20 anni, reso possibile da più satelliti, comprimendo una visione decennale della vita sulla Terra in pochi minuti accattivanti.

"Queste sono visualizzazioni incredibilmente evocative del nostro pianeta vivente, " ha detto Gene Carl Feldman, un oceanografo del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Questa è la Terra, questo è respirare ogni singolo giorno, cambiando con le stagioni, rispondendo al Sole, ai venti mutevoli, correnti e temperature oceaniche”.

La visione spaziale della vita consente agli scienziati di monitorare il raccolto, salute delle foreste e della pesca in tutto il mondo. Ma gli scienziati dell'agenzia spaziale hanno anche scoperto cambiamenti a lungo termine tra continenti e bacini oceanici. Mentre la NASA inizia il suo terzo decennio di misurazioni globali dell'oceano e della terra, queste scoperte pongono importanti domande su come gli ecosistemi risponderanno al cambiamento climatico e ai cambiamenti su larga scala nell'interazione umana con la terra.

I satelliti hanno misurato che l'Artico diventa più verde, poiché gli arbusti espandono la loro gamma e prosperano a temperature più calde. Le osservazioni dallo spazio aiutano a determinare la produzione agricola a livello globale, e sono utilizzati nel rilevamento tempestivo della carestia. Mentre le acque dell'oceano si scaldano, i satelliti hanno rilevato un cambiamento nelle popolazioni di fitoplancton nei cinque grandi bacini oceanici del pianeta:l'espansione di "deserti biologici" dove prospera poca vita. E poiché le concentrazioni di anidride carbonica nell'atmosfera continuano ad aumentare e a riscaldare il clima, La comprensione globale della vita vegetale da parte della NASA svolgerà un ruolo fondamentale nel monitoraggio del carbonio mentre si muove attraverso il sistema Terra.

Vita sulla Terra, dallo spazio

Sessant'anni fa, le persone non erano sicure che la superficie terrestre potesse essere vista chiaramente dallo spazio. Molti pensavano che le particelle di polvere e altri aerosol nell'atmosfera avrebbero disperso la luce, mascherando oceani e continenti, disse Jeffrey Masek, capo del Laboratorio di Scienze Biosferiche della NASA Goddard.

I programmi Gemini e Apollo hanno dimostrato il contrario. Gli astronauti hanno utilizzato fotocamere specializzate per scattare foto della Terra che mostrano la bellezza e la complessità del nostro pianeta vivente, e ha contribuito a dare il via all'era della ricerca sulle scienze della Terra dallo spazio. Nel 1972, la prima missione Landsat ha iniziato il suo record di 45 anni di vegetazione e copertura del suolo.

"Man mano che l'archivio satellitare si espande, vedi sempre più dinamiche emergenti, "Masek ha detto. "Ora siamo in grado di guardare le tendenze a lungo termine".

Le praterie del Senegal, Per esempio, subire drastici cambi di stagione. Le erbe e gli arbusti fioriscono durante la stagione delle piogge da giugno a novembre, poi si asciugano quando smette di piovere. Con i primi dati satellitari meteorologici negli anni '70 e '80, Lo scienziato della NASA Goddard Compton Tucker è stato in grado di vedere che l'inverdimento e la morte dallo spazio, misurare la clorofilla nelle piante sottostanti. Ha sviluppato un modo per confrontare i dati satellitari da due lunghezze d'onda, che fornisce una misurazione quantitativa di questa vegetazione chiamata Normalized Difference Vegetation Index.

"Siamo rimasti sbalorditi quando abbiamo visto le prime immagini. Erano incredibili perché mostravano come la vegetazione cambiava ogni anno, anno dopo anno, "Tuck ha detto, notando che anche altri furono sorpresi quando lo studio uscì nel 1985. "Quando abbiamo prodotto questo documento, la gente ci accusava di "dipingere con i numeri, ' o falsificare i dati. Ma per la prima volta, potresti studiare la vegetazione dallo spazio in base alla loro capacità fotosintetica".

Quando la temperatura è giusta, e acqua e luce solare sono disponibili, le piante fotosintetizzano e producono materiale vegetativo. Le foglie assorbono fortemente la luce blu e rossa ma riflettono la luce del vicino infrarosso nello spazio. Confrontando il rapporto tra la luce rossa e quella del vicino infrarosso, Tucker ei suoi colleghi potrebbero quantificare la vegetazione che copre il terreno.

Espandendo queste osservazioni al resto del globo, gli scienziati potrebbero monitorare l'impatto sulle piante delle stagioni piovose e secche altrove in Africa, vedere le fioriture primaverili in Nord America, e le conseguenze degli incendi nelle foreste di tutto il mondo.

Ma la terra è solo una parte della storia. Alla base della rete alimentare oceanica c'è il fitoplancton, piccoli organismi che, come piante terrestri, trasformare acqua e anidride carbonica in zucchero e ossigeno, aiutata dalla giusta combinazione di nutrienti e luce solare.

I satelliti in grado di monitorare i sottili cambiamenti di colore dell'oceano hanno aiutato gli scienziati a monitorare i cambiamenti nelle popolazioni di fitoplancton in tutto il mondo. La prima visione del colore dell'oceano è arrivata dallo scanner a colori della zona costiera, uno strumento di prova del concetto lanciato nel 1979. Le osservazioni continue del colore dell'oceano sono iniziate con il lancio di SeaWIFS alla fine del 1997. Il satellite è arrivato appena in tempo per catturare la transizione dalle condizioni di El Niño a La Niña nel 1998, rivelando quanto velocemente e il fitoplancton risponde in modo drammatico alle mutevoli condizioni oceaniche.

"L'intero Pacifico orientale, dalla costa del Sud America fino alla linea della data, passato da quello che era l'equivalente di un deserto biologico a una fiorente foresta pluviale. E l'abbiamo visto accadere in tempo reale, " Feldman ha detto. "Per me, quella fu la prima dimostrazione della potenza di questo tipo di osservazione, per vedere come l'oceano risponde a una delle perturbazioni ambientali più significative che potrebbe subire, nel giro di poche settimane. Ha anche dimostrato che l'oceano e tutta la vita al suo interno sono straordinariamente resistenti, se gli viene data una mezza possibilità".

Tracciamento del cambiamento dai satelliti

Con 20 anni di dati satellitari che tracciano la vita delle piante oceaniche su scala globale, gli scienziati stanno studiando come gli habitat e gli ecosistemi stanno rispondendo alle mutevoli condizioni ambientali.

Recenti studi sulla vita oceanica hanno dimostrato che una tendenza a lungo termine all'aumento delle temperature della superficie del mare sta causando l'espansione delle regioni oceaniche note come "deserti biologici". Queste regioni a bassa crescita di fitoplancton si trovano al centro di grandi, correnti lente chiamate gyres.

"Mentre le acque superficiali si scaldano, crea un confine più forte tra il profondo, freddo, acque ricche di sostanze nutritive e il sole, acque superficiali generalmente povere di nutrienti, " ha detto Feldman. Questo impedisce ai nutrienti di raggiungere il fitoplancton in superficie, e potrebbe avere conseguenze significative per la pesca e l'ecosistema marino.

Nell'Oceano Artico, un'esplosione di fitoplancton indica il cambiamento. Mentre il ghiaccio marino stagionale si scioglie, acque calde e più luce solare attiveranno un improvviso, massiccia fioritura di fitoplancton che nutre gli uccelli, leoni marini e pesci appena nati. Ma con il riscaldamento delle temperature atmosferiche, quella fioritura ora sta avvenendo con diverse settimane di anticipo, prima che gli animali siano in grado di trarne vantaggio.

"Non è solo la quantità di cibo, sono la posizione e il tempismo che sono altrettanto critici, " Feldman ha detto. "La fioritura primaverile sta arrivando prima, e questo avrà un impatto sull'ecosistema in modi che ancora non comprendiamo".

Il clima si sta riscaldando più velocemente nelle regioni artiche, e gli impatti sulla terra sono visibili anche dallo spazio. La tundra dell'Alaska occidentale, Il Quebec e altrove sta diventando più verde mentre gli arbusti estendono la loro portata verso nord.

Anche le vicine foreste settentrionali stanno cambiando. Enormi incendi nel 2004 e nel 2015 hanno spazzato via milioni di acri di foreste in Alaska, compresi boschi di abeti, ha osservato Chris Potter, un ricercatore presso l'Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley in California.

"Questi incendi erano incredibili per la quantità di area forestale che bruciavano e per il calore che bruciavano, " disse Potter. "Quando la temperatura dell'aria raggiunge i 90 gradi Fahrenheit a fine maggio lassù, e tutti questi fulmini si sono verificati, la foresta bruciava molto estesamente, vicino ai fiumi, vicino ai villaggi, e niente poteva fermarlo."

I satelliti aiutano gli scienziati a mappare regolarmente gli incendi, deforestazione e altri cambiamenti, e analizzare il loro impatto sul ciclo del carbonio, disse Potter. Gli incendi giganteschi rilasciano molte tonnellate di anidride carbonica nell'atmosfera, sia dagli alberi carbonizzati e dal muschio ma anche, soprattutto alle latitudini settentrionali, dai suoli. Potter e i suoi colleghi quest'anno sono andati nelle aree bruciate dell'Alaska centrale per misurare il permafrost sottostante:lo spesso strato di muschio si era bruciato, esponendo i terreni precedentemente congelati.

"È come togliere lo strato isolante da un frigorifero, " ha detto. "Il ghiaccio si scioglie sotto e diventa un pasticcio fangoso".

Anche i tipi di foresta possono cambiare, che sia dopo gli incendi, infestazioni di insetti o altri disturbi. Le foreste di abeti rossi dell'Alaska vengono sostituite con le betulle. Potter e i suoi colleghi stanno anche tenendo d'occhio le foreste della California bruciate nei recenti incendi, dove la preoccupazione è che i pini saranno sostituiti dalle querce.

"Quando la siccità si accentua con queste temperature record, nulla di buono sembra derivare da ciò per il tipo di foresta esistente, " ha detto. "Penso che stiamo vedendo prove evidenti del clima che causa il cambiamento della copertura del suolo".

Occhio alle coltivazioni

Anche le variazioni delle temperature e delle precipitazioni influenzano le colture, se sono cresciuti in California o in Africa. La misurazione del "verde" che gli scienziati utilizzano per misurare foreste e praterie può essere utilizzata anche per l'agricoltura, per monitorare la salute dei campi durante la stagione di crescita.

Ricercatori e decisori politici si sono resi presto conto di questo potenziale. Una delle prime applicazioni dei dati Landsat negli anni '70 è stata la previsione dei raccolti di grano in Russia e una migliore comprensione dei mercati delle materie prime. Nel 1985, gli analisti della sicurezza alimentare dell'USAID si sono rivolti alla NASA per incorporare le immagini satellitari nella loro rete di sistemi di allerta precoce della carestia, identificare le regioni in cui la produzione alimentare è stata limitata dalla siccità. Quella partnership continua oggi. Con le stime delle precipitazioni, misurazioni della vegetazione, così come la recente aggiunta di informazioni sull'umidità del suolo, Gli scienziati della NASA possono aiutare organizzazioni come l'aiuto diretto di emergenza USAID.

Con i dati migliorati di Landsat, gli strumenti MODIS sui veicoli spaziali Terra e Aqua della NASA e altri satelliti, e combinando i dati di più sensori, i ricercatori sono ora in grado di monitorare la crescita delle colture nei singoli campi, ha detto Tucker.

"Questo sposta le cose verso le dimensioni del campo per probabilmente l'80% dei campi a livello globale:questo è un enorme progresso, " ha detto Tucker.

La vista dallo spazio non solo aiuta a monitorare le colture, ma può anche aiutare a migliorare le pratiche agricole. Una cantina in California, Per esempio, utilizza i singoli pixel dei dati Landsat per determinare quando irrigare e quanta acqua utilizzare.

Il prossimo passo per gli scienziati della NASA è in realtà guardare al processo di fotosintesi dallo spazio. Quando le piante subiscono quel processo chimico, parte dell'energia assorbita ritorna debolmente fluorescente, osserva Joanna Joiner, uno scienziato ricercatore della NASA Goddard. Con i satelliti che rilevano i segnali nelle lunghezze d'onda molto specifiche di questa fluorescenza, e una tecnica di analisi perfezionata che blocca i segnali di fondo, Joiner e i suoi colleghi possono vedere dove e quando le piante iniziano a convertire la luce solare in zuccheri.

"È stata una specie di rivelazione che sì, puoi misurarlo, "Ha detto Joiner. Un primo studio ha esaminato la cintura di mais degli Stati Uniti e ha scoperto che emette una fluorescenza "come un matto, " ha detto. "Queste piante hanno alcuni dei tassi di fluorescenza più alti sulla Terra al loro apice".

Joiner e Tucker stanno utilizzando sia i dati di fluorescenza che gli indici di vegetazione per ottenere il maggior numero di informazioni possibili sulla crescita delle piante su scala regionale e globale:"Una delle grandi domande che rimane è quanto carbonio assorbono le piante, perché varia di anno in anno, e quali aree contribuiscono a tale variabilità, "Ha detto Falegname

Che si tratti di colture, foreste o fioriture di fitoplancton, Gli scienziati della NASA stanno monitorando la vita sulla Terra. Proprio come i satelliti aiutano i ricercatori a studiare l'atmosfera, precipitazioni e altre caratteristiche fisiche del pianeta, la vista sempre migliore dall'alto permetterà loro di studiare la vita interconnessa del pianeta, Feldman ha detto.

"Questa è la capacità che ci permetterà di capire come la biologia della Terra risponde a un pianeta che cambia, " Egli ha detto.