Dalle foreste pluviali alle terre coltivate, foreste boreali alle mangrovie, La NASA darà un nuovo sguardo alla vegetazione terrestre in tutto il nostro pianeta vivente nei prossimi due anni con diversi strumenti unici nello spazio. Le missioni aiuteranno gli scienziati a studiare il ruolo delle piante nei cicli globali del carbonio e dell'acqua della Terra.

Dagli anni '70, La NASA ha studiato la vita dallo spazio con satelliti come Landsat, Terra, Aqua e Suomi National Polar-orbiting Partnership di NASA/NOAA. Gli scienziati hanno utilizzato questi dati insieme alle osservazioni dei veicoli spaziali internazionali per condurre un'ampia gamma di ricerche, dal rilevamento dell'espansione verso nord delle foreste nell'Artico al monitoraggio di come le aree bruciate si riprendono dagli incendi.

In genere, gli strumenti attualmente in orbita fanno il loro lavoro rilevando la luce solare riflessa dalla superficie terrestre, come fa una macchina fotografica. Ma i nuovi strumenti lanciati nei prossimi due anni avranno un nuovo, approccio più attivo per sondare nuove domande sulla vegetazione e su come sta cambiando. Due di queste missioni della NASA utilizzeranno strumenti laser che misureranno l'altezza degli alberi, mentre un terzo controllerà la temperatura per fornire informazioni sulla salute delle piante.

Misurazioni laser degli alberi

Sebbene l'estensione globale di questi ecosistemi sia stata mappata da immagini satellitari, le mappe esistenti non possono determinare quanto sono alti quegli alberi, o la struttura dei loro baldacchini, cioè la terza dimensione.

Due missioni utilizzeranno laser spaziali per misurare l'altezza degli alberi:uno strumento montato sulla Stazione Spaziale Internazionale, chiamato Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI); e un satellite chiamato Ice, Cloud e terra Elevation Satellite-2 (ICESat-2), che si concentrerà sulla misurazione della neve e del ghiaccio, ma misurerà anche le foreste del pianeta. Con i dati in arrivo da entrambi gli strumenti, gli scienziati hanno in programma di sviluppare una mappa tridimensionale della vegetazione terrestre.

Conoscendo l'estensione delle foreste dalle mappe esistenti, così come le altezze del baldacchino dai nuovi strumenti, i ricercatori saranno quindi in grado di stimare quanta materia vegetale, e quindi quanto carbonio, è presente. Man mano che gli alberi crescono, assorbono carbonio dall'atmosfera, rendere le foreste un attore chiave nel ciclo globale del carbonio. Col tempo, queste missioni possono aiutare a fornire agli scienziati indizi su quanto carbonio viene assorbito dalle foreste in crescita, e come viene rilasciato nell'atmosfera attraverso gli incendi boschivi e la deforestazione.

"Combinando ICESat-2 con GEDI, avremo una nuova visione dello stato della biosfera sul nostro pianeta, " ha detto Tom Neumann, il vice scienziato del progetto ICESat-2 presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland.

Per Ralph Dubayah, Il ricercatore principale di GEDI dall'Università del Maryland, la missione GEDI risponderà alle domande sulla biomassa degli alberi in una determinata regione, e l'impatto della deforestazione e del rimboschimento sulla quantità di anidride carbonica nell'atmosfera. GEDI quantificherà anche come la disposizione verticale di foglie e rami in una foresta influenzi la qualità dell'habitat e la biodiversità.

Sebbene entrambe le missioni utilizzino la tecnologia LIDAR (Light Detection and Range), che è come il radar, ma con la luce laser invece delle onde radio, lo strumento GEDI utilizzerà una lunghezza d'onda del vicino infrarosso. Questa regione di lunghezza d'onda è ottimale per misurare la vegetazione perché si riflette sulle foglie, e una parte di questa luce riflessa torna al sensore. Gli impulsi emessi dai laser nel vicino infrarosso possono anche penetrare meglio attraverso le chiome degli alberi per riflettersi sul terreno, che è una misura necessaria per determinare l'altezza degli alberi.

Il team di GEDI ha lavorato per ottimizzare la larghezza di impulso del suo sistema, lunghezza d'onda, modello di campionamento e dimensione dell'impronta per coprire il maggior numero possibile di aree boschive. I tre laser di GEDI pulsano 242 volte al secondo, campionamento di 10 tracce laser sparse su una striscia di 6 chilometri sulla superficie terrestre. Perché GEDI volerà sulla Stazione Spaziale Internazionale, il suo percorso orbitale si concentrerà sulle regioni di media latitudine e tropicali della Terra, dove è immagazzinata la stragrande maggioranza del carbonio forestale.

ICESat-2, orbitante da polo a polo, raccoglierà dati sulle calotte glaciali della Terra, ghiaccio marino e ghiacciai con la sua copertura quasi globale. Invece di usare la luce nel vicino infrarosso, Lo strumento ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System) di ICESat-2 utilizzerà verde, luce visibile. ATLAS ha due laser, solo uno dei quali opera alla volta. Il laser non operativo è un ricambio di bordo. Il laser operativo lampeggerà 10, 000 volte al secondo e genera sei tracce. Mentre viaggia alle medie latitudini, gli scienziati utilizzeranno ATLAS per misurare specifiche regioni con vegetazione, integrando le misurazioni GEDI e creando una mappa tridimensionale più completa della vegetazione terrestre.

I fotoni, o particelle di luce, dai laser verdi di ICESat-2 si rifletterà su tutto ciò che è sotto di loro, comprese le cime degli alberi, rami e foglie, e, se c'è spazio aperto nel baldacchino, da terra.

"Se riesci a separare quei due:i fotoni riflessi dal suolo, dai fotoni riflessi dalle cime degli alberi:puoi misurare l'altezza degli alberi, che è davvero fantastico, " ha detto Neumann. Tuttavia, non è sempre possibile separare le cime degli alberi dal suolo della foresta, soprattutto con una lunghezza d'onda visibile.

"Se la chioma dell'albero è troppo fitta, non possiamo vedere il suolo, quindi non puoi misurare l'altezza dell'albero, " Neumann ha detto. "Se la chioma dell'albero è troppo sparsa, non possiamo vedere gli alberi perché è un albero in mezzo a un campo, e le tue possibilità di colpire quel singolo albero non sono così buone."

Poiché i laser di GEDI operano nel vicino infrarosso, e avere potenza sufficiente per penetrare fitte foreste ad ogni colpo, lo strumento può misurare con maggiore precisione la struttura forestale anche in aree con una fitta chioma.

Le misurazioni della vegetazione di GEDI aiuteranno a colmare una lacuna critica nella nostra attuale comprensione di come il carbonio viene immagazzinato ed emesso nel tempo dalle foreste e da altri ecosistemi. Il processo gioca un ruolo enorme, in definitiva, in quanto anidride carbonica si accumula nell'atmosfera.

"L'obiettivo scientifico centrale di GEDI è fornire i dati con cui possiamo rispondere con precisione a questa domanda, " Ha detto Dubayah. "GEDI è il primo lidar in assoluto a volare che è stato ottimizzato per le misurazioni della vegetazione".

Armato di queste informazioni, gli scienziati saranno in grado di fare un lavoro molto migliore prevedendo le concentrazioni atmosferiche di anidride carbonica in futuro, Egli ha detto, e nella comprensione del ruolo delle attività umane sul ciclo del carbonio.

Le nuvole sono un altro ostacolo per entrambe le missioni ICESat-2 e GEDI. In un dato giorno, La Terra è coperta di nuvole per circa il 50 percento. Così, invece di misurare le cime degli alberi, questi sistemi basati su lidar misureranno le cime delle nuvole che riflettono l'impulso laser. Avere due sistemi di misurazione della vegetazione aiuterà a colmare queste lacune di dati torbidi. Combinando i dati, gli scienziati avranno un quadro migliore dello stato della vegetazione terrestre.

Sebbene le due missioni siano ottimizzate per obiettivi scientifici diversi, lavoreranno insieme per creare una mappa dell'altezza più precisa della vegetazione terrestre, un set di dati che può aiutare a rispondere alle domande di Dubayah.

Misurare la temperatura delle piante

Sapere quanta vegetazione è presente sulla Terra non indica se quella vegetazione sia sana o meno. Il modo in cui la vegetazione cambia a causa degli stress causati dalla disponibilità di acqua è la domanda scientifica chiave che deve essere affrontata dall'Ecosystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station (ECOSTRESS).

Poiché le piante assorbono anidride carbonica per la fotosintesi, rilasciano acqua per evapotraspirazione dai pori fogliari, che li aiuta a rinfrescarsi sotto il caldo sole, tanto quanto il sudore umano ci rinfresca. E proprio come gli umani, se le piante non ricevono abbastanza acqua, possono surriscaldarsi.

I pori della pianta si aprono e si chiudono in risposta allo stress termico e alla disponibilità di acqua. Quando sono aperti, le piante assorbono anidride carbonica e perdono acqua. Quando sono chiusi, le piante smettono di assorbire anidride carbonica (cioè, in crescita) ma anche smettere di perdere acqua. Se sappiamo che le piante perdono acqua, sappiamo che stanno assorbendo anidride carbonica, e viceversa. I dati ECOSTRESS aiuteranno gli scienziati a comprendere l'assorbimento totale di anidride carbonica da parte delle piante nel corso di una giornata tipo. Per esempio, se è un pomeriggio caldo e secco, alcune piante possono interrompere il consumo di acqua e l'assorbimento di anidride carbonica nel pomeriggio. ECOSTRESS sarà in grado di rilevare questo tipo di risposte. Gli attuali satelliti in orbita polare possono fornire solo una singola istantanea dell'assorbimento di anidride carbonica e del rilascio di acqua ogni giorno, alla stessa ora del giorno, quindi gli scienziati devono stimare come si traduce quell'istantanea di una volta nel corso dell'intera giornata.

ECOSTRESS misurerà le temperature delle piante dallo spazio per rilevare la natura di raffreddamento dell'acqua evaporata dalle piante, o la sua mancanza. Ci dirà quanta acqua usano e di cui hanno bisogno le diverse piante e come reagiscono agli stress ambientali dovuti alla carenza d'acqua. Oltre ai suoi obiettivi di scienza del carbonio e del ciclo dell'acqua, studierà anche come la biosfera terrestre sta rispondendo ai cambiamenti nella disponibilità di acqua.

Dal suo unico trespolo orbitale, ECOSTRESS osserverà lo stesso punto sulla Terra ogni pochi giorni in diverse ore del giorno per un minimo di un anno, consentendo agli scienziati di monitorare i cambiamenti nella dinamica pianta-acqua nel corso di una giornata tipo.

"ECOSTRESS consentirà un'indagine dettagliata sull'uso dell'acqua delle piante durante il giorno, "ha detto Josh Fisher, il capo scientifico della missione presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California. "Per di più, saremo in grado di capire meglio come alcune regioni sono colpite dalla siccità. Ciò potrebbe avere importanti implicazioni per la gestione delle foreste o dei sistemi agricoli".

ECOSTRESS fornirà anche informazioni chiave sui collegamenti tra i cicli dell'acqua e del carbonio della Terra, identificando quali aree del nostro pianeta richiedono più o meno acqua per la quantità di anidride carbonica che assorbono.

ECOSTRESS Principal Investigator Simon Hook di JPL ha iniziato a sviluppare il radiometro a infrarossi termici per ECOSTRESS diversi anni fa. ECOSTRESS terrà traccia dell'energia utilizzata nell'evaporazione dell'acqua in combinazione con altri fattori che influenzano l'evaporazione, come temperatura e umidità.

I dati ECOSTRESS saranno utilizzati da ecologisti, idrologi, meteorologi e altri scienziati, nonché le comunità agricole e di gestione delle acque. Infatti, il team scientifico di ECOSTRESS comprende scienziati del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti. Raccoglierà dati a pixel che misurano poco più di 200 piedi (70 metri) di lato, delle dimensioni di un grande cortile, piccola fattoria o parte di una grande fattoria. Questa scala di informazioni può essere utile anche per la ricerca applicativa sugli effetti della siccità sulla vegetazione naturale; Per esempio, per identificare quali tipi di alberi sono più vulnerabili alla morte per primi.

La NASA e i suoi partner stanno pianificando ancora più missioni future nei prossimi anni per far progredire ciò che sappiamo sugli ecosistemi della Terra. Per esempio, l'agenzia sta collaborando con l'Indian Space Research Organization per sviluppare la missione NASA ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) che fornirà regolarmente osservazioni sistematiche della terra e delle superfici coperte di ghiaccio della Terra almeno due volte ogni 12 giorni, consentire una maggiore comprensione scientifica dei processi dinamici che guidano il sistema Terra e dei pericoli naturali, oltre a fornire un supporto attuabile per la risposta e il ripristino in caso di disastro.

NISAR integrerà GEDI, ICESat-2 e ECOSTRESS. Con la sua capacità di vedere attraverso le nuvole, sarà in grado di aiutare a misurare la quantità di carbonio immagazzinato nelle foreste, la perdita di foreste a causa di disturbi, e l'estensione delle aree agricole e delle zone umide in tutto il mondo.