Basandosi sui metodi utilizzati per valutare l'impatto di uragani come Katrina, Gustavo, e Rita su foreste e mortalità arborea, gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of Energy hanno prodotto una rapida mappatura dell'intensità dei disturbi nelle foreste di Porto Rico con l'aiuto di Google Earth Engine.

Colpito da due tempeste di forte intensità con raffiche di vento sostenute di oltre 150 miglia all'ora lo scorso anno - prima dall'uragano Irma e poi dall'uragano Maria - Porto Rico ha subito danni estesi e catastrofici alla sua infrastruttura urbana. Utilizzando immagini satellitari combinate con tecniche di elaborazione delle immagini, un team guidato da Jeffrey Chambers, esperto di biogeografia forestale, riscontrato anche ingenti danni ecologici.

I ricercatori hanno valutato il danno osservando i cambiamenti nella riflettanza superficiale della luce sia visibile che invisibile. Mentre l'occhio umano può discernere i colori nello spettro visibile, misurando anche la risposta spettrale della superficie alla luce infrarossa riflettente si fornisce un quadro molto più preciso degli impatti sulla vegetazione forestale.

"Cerchiamo un cambiamento nella firma spettrale da prima e dopo la tempesta, " ha detto Chambers, uno scienziato nell'area di scienze della terra e dell'ambiente del Berkeley Lab e professore associato di geografia all'Università di Berkeley. "Quando la luce del sole rimbalza sulla vegetazione verde sembra in un modo, e quando rimbalza sulla vegetazione dove le foglie sono state tutte strappate o gli alberi sono caduti è molto diverso. Troviamo cambiamenti drammatici nella firma spettrale delle foreste associati ai danni, mortalità degli alberi, alberi sradicati, foglie strappate, e tettoie".

Una prestampa del loro studio, "L'uragano Maria colpisce le foreste portoricane, " è stato pubblicato online. "La mappatura degli impatti dei disturbi e la pubblicazione dei risultati possono richiedere anni, "ha detto Yanlei Feng, uno studente laureato in geografia dell'Università di Berkeley che è il primo autore dello studio. "Questo nuovo approccio che utilizza la piattaforma Google Earth Engine consente di fornire prodotti di dati più tempestivi; da utilizzare nelle valutazioni dei pericoli, Per esempio."

I ricercatori stimano che da 23 a 31 milioni di alberi potrebbero essere stati uccisi o gravemente danneggiati dall'uragano Maria, ma notano che sono necessarie indagini sul campo per ottenere stime più accurate. Un'analisi simile condotta dopo l'uragano Katrina ha stimato che 320 milioni di alberi sono morti o sono stati gravemente danneggiati in Mississippi e Louisiana.

Perché studiare le foreste tropicali?

Le foreste coprono circa il 54% di Porto Rico, e sono le uniche foreste tropicali negli Stati Uniti al di fuori delle Hawaii. Però, a differenza delle Hawaii, che ha poche specie arboree autoctone, Le foreste di Porto Rico sono molto più diverse, con centinaia di specie.

Berkeley Lab ha studiato le foreste di Porto Rico per diversi anni come parte dell'iniziativa Next Generation Ecosystem Experiments-Tropics (NGEE-Tropics) del Dipartimento dell'Energia, un progetto multi-istituzionale lanciato nel 2015 e guidato da Berkeley Lab. "Uno dei nostri obiettivi è dimostrare che le foreste tropicali sono importanti per gli Stati Uniti, " ha detto Chambers.

Lo studio e la comprensione dei disturbi forestali è importante per molte ragioni, compresa la gestione delle risorse naturali, protezione dei bacini idrografici e impatti sull'erosione del suolo, e l'esame degli effetti diretti della caduta degli alberi sulla rete di distribuzione dell'energia. Le foreste tropicali sono particolarmente importanti perché, anche se coprono solo il 7% della superficie terrestre, contengono i maggiori stock di carbonio della vegetazione, e sono anche importanti serbatoi di carbonio.

Come parte di NGEE-Tropics, Berkeley Lab ha studiato le foreste di Porto Rico come sito di studio pilota per aiutare a migliorare la modellazione del sistema Terra. "Flussi d'acqua, energia, carbonio, e il ciclo biogeochimico dei nutrienti è più alto ai tropici, " disse Chambers. "Quindi, se vuoi costruire un modello accurato del sistema terrestre, devi ottenere i tropici giusti."

Elaborazione avanzata delle immagini

I ricercatori del Berkeley Lab hanno esaminato le immagini di Landsat 8, un satellite che acquisisce immagini dettagliate dell'intera Terra ogni 16 giorni, confrontando le immagini prima e dopo gli uragani ed eliminando gli effetti dovuti a nuvole e ombre.

I dati vengono raccolti da Landsat 8 come immagini di pixel di 30 metri quadrati. I ricercatori hanno quantificato la firma spettrale di ciascun pixel della foresta prima e dopo le tempeste per determinare il cambiamento nella frazione della superficie considerata vegetazione non fotosintetica. Hanno scoperto che il danno non era distribuito uniformemente tra le foreste dell'isola.

"L'intensità dello spostamento spettrale variava molto in tutta l'isola, " ha detto Chambers. "Ora vogliamo capire meglio perché alcune foreste erano più vulnerabili di altre, e quali fattori controllavano le differenze nell'impatto sulle foreste. Era la specie, era la pendenza, era l'aspetto – se sei sul lato sopravvento o sottovento mentre la tempesta sta ruotando in senso antiorario? Anche il tipo di terreno e la profondità di radicazione sono fattori importanti".

Per esempio, cipressi e tupelo in Louisiana hanno resistito bene all'uragano Katrina. "Le querce della porta accanto caddero tutte, " Chambers ha detto. "I cipressi hanno strutture di sostegno e radicamento che conferiscono resistenza al vento".

Fonte di carbonio o pozzo di carbonio?

Le foreste rimuovono l'anidride carbonica dall'atmosfera tramite la fotosintesi. Quando le tempeste, incendi, o altri disturbi uccidono un gran numero di alberi, la biomassa morta viene decomposta da funghi, insetti, e simili, rilasciando anidride carbonica nell'atmosfera. Quando la mortalità degli alberi è particolarmente elevata, una foresta può passare dall'essere un pozzo di carbonio a una fonte di carbonio.

Ma Chambers sottolinea che possono volerci decenni prima che un albero si decomponga ed emetta tutto il suo carbonio. "Tutte le foreste sono disturbate ogni anno a un certo tasso di fondo; i cambiamenti del ciclo del carbonio si verificano se questo tasso di fondo aumenta man mano che le tempeste diventano più frequenti o intense, " ha detto. E Porto Rico ha già sperimentato devastanti uragani, compreso l'uragano San Felipe Segundo del 1928, che era anche più forte di Maria, così come gli uragani Georges nel 1998 e Hugo nel 1989.

Un altro recente studio NGEE-Tropics ha scoperto che le foreste secche subtropicali di Porto Rico rimarranno resistenti agli uragani. Però, se la frequenza degli uragani aumenta in modo significativo, le foreste non avranno abbastanza tempo per rigenerarsi. "Se la frequenza di ritorno di un disturbo aumenta, puoi ottenere un declino a lungo termine dello stoccaggio totale del carbonio, " ha detto Chambers.