Un nuovo articolo del professore della Northern Arizona University Andrew Richardson pubblicato sulla rivista Dati scientifici descrive una vasta rete di fotocamere digitali progettate per catturare milioni di immagini che documentano i cambiamenti stagionali della vegetazione in tutto il Nord America. Il network, soprannominato PhenoCam, è il risultato di una collaborazione decennale tra Richardson, che ha guidato lo sforzo, e scienziati dell'Università del New Hampshire e della Boston University per sviluppare un osservatorio affidabile dei fenomeni fenologici su scala continentale.

La fenologia della vegetazione è ciò che determina gli eventi stagionali nel ciclo di vita delle piante, come la dormienza, gemmazione, fogliare e fiorire. Altamente sensibile ai cambiamenti climatici, la fenologia è un indicatore importante per comprendere come i processi ecosistemici siano influenzati da stagioni di crescita più lunghe causate da climi più caldi.

Per esempio, in molti ecosistemi temperati, gli scienziati hanno osservato l'inizio anticipato della primavera e l'inizio ritardato dell'autunno sin dagli anni '70. Questa stagione di crescita prolungata, che ha il potenziale per aumentare la fotosintesi e la crescita delle piante, e quindi aumentare la produttività dell'ecosistema, ha anche implicazioni per il ciclo globale del carbonio e i livelli di anidride carbonica atmosferica (CO2). Gli aumenti di produttività guidati fenologicamente potrebbero comportare una maggiore rimozione di CO2 dall'atmosfera da parte delle piante, che aiuterebbe a compensare le emissioni di gas serra derivanti dalla combustione di combustibili fossili. Però, i cambiamenti nella fenologia possono anche influenzare gli ecosistemi in altri modi, come aumentare la discrepanza fenologica tra piante e impollinatori.

Storicamente, i metodi disponibili per misurare i cambiamenti fenologici negli ecosistemi sono stati tutt'altro che ideali, e la mancanza di lungo termine, dati spazialmente estesi hanno impedito agli scienziati di fare proiezioni sicure sulle risposte fenologiche ai futuri cambiamenti climatici. Fino a poco tempo fa, gli studi fenologici in genere consistevano in osservatori umani che monitoravano singole piante e registravano cambiamenti visivamente evidenti nello stato fenologico dell'organismo, come germogliare o fiorire. Questo approccio è laborioso e difficile da standardizzare.

Però, nel 2006, Richardson e colleghi si sono resi conto che le immagini quotidiane che stavano registrando dalla cima di una torre di 90 piedi nella foresta sperimentale di Bartlett nel New Hampshire potevano essere elaborate proprio come le immagini registrate dai satelliti. Ciò ha portato alla scoperta che un semplice "indice di greenness, " calcolato dal rosso, informazioni sui colori verde e blu memorizzate in ogni immagine, potrebbe essere utilizzato per monitorare lo stato fenologico degli alberi decidui. L'indice di verde ha consentito l'identificazione precisa dei tempi di germogliamento e di picco dei colori autunnali. Richardson ha concluso che una rete di telecamere automatizzate, scattare foto ogni giorno, potrebbe offrire un'alternativa high-tech al convenzionale, monitoraggio fenologico basato sull'osservatore.

Il volume e la complessità del progetto richiedono una soluzione "big data"

La rete PhenoCam è iniziata con quella singola telecamera montata in un sito di ricerca forestale nel New Hampshire. La rete comprende ora più di 400 telecamere installate in siti in tutto il Nord America, dall'Alaska alla Florida e dalle Hawaii al Maine. Ogni telecamera osserva i ritmi stagionali di uno specifico pezzo di vegetazione. Ma l'attenzione non è più solo sulle foreste temperate decidue:i siti della rete abbracciano un'ampia gamma di ecoregioni, zone climatiche e tipologie funzionali degli impianti, e comprendono praterie tropicali e zone umide costiere, nonché arbusti aridi e foreste boreali sempreverdi.

Le immagini delle telecamere vengono caricate automaticamente sul server PhenoCam almeno una volta al giorno e in alcuni casi ogni 15 minuti. L'articolo di Richardson su Scientific Data si basa su immagini raccolte fino alla fine del 2015:circa 15 milioni di immagini, che rappresenta 750 anni di dati che richiedono 6 terabyte di spazio su disco. Solo negli ultimi due anni, però, l'archivio immagini di PhenoCam è raddoppiato. Il team di Richardson sta lavorando per mettersi al passo con l'elaborazione dei dati e prevede di rilasciare un set di dati rivisto, con più di 1, 500 anni di dati, entro 12 mesi.

"A causa del volume delle immagini che stiamo catturando, elaborazione e gestione, questo progetto richiedeva una soluzione di "big data", " ha detto Richardson. Nel campo della tecnologia, I big data si riferiscono a set di dati estremamente grandi e complessi che devono essere analizzati computazionalmente per rivelare modelli e tendenze necessari per lo studio scientifico.

Richardson, che ha lasciato l'Università di Harvard per unirsi alla NAU a settembre, è uno scienziato dell'ecosistema. Divide il suo tempo tra la Scuola di Informatica, Computing and Cyber ​​Systems (SICCS) e il Center for Ecosystem Science and Society (Ecoss).

"Uno dei motivi per cui sono venuto a NAU è stato il focus sui big data, quindi entrare in SICCS è stato emozionante per questo motivo, " ha detto Richardson.

SEGA si unisce alla rete PhenoCam

Il Southwest Experimental Garden Array (SEGA) di NAU si è recentemente unito alla rete PhenoCam. SEGA è una piattaforma di ricerca basata sulla genetica che consente agli scienziati di quantificare le risposte ecologiche ed evolutive delle specie alle mutevoli condizioni climatiche. La piattaforma è una serie di 10 siti di giardini disposti su un ampio gradiente di elevazione nel nord dell'Arizona, compresa la foresta, chaparral, habitat di arbusti e praterie desertiche. Questi tipi di ecosistemi sono relativamente sottorappresentati nell'archivio di immagini PhenoCam esistente.

Attraverso la partecipazione di SEGA a PhenoCam, i ricercatori che utilizzano SEGA saranno in grado di determinare in che modo la durata del giorno, la temperatura e le precipitazioni regolano le transizioni dello stadio di crescita delle piante in diversi tipi di vegetazione a diverse scale, oltre a prevedere come la fenologia delle piante nel sud-ovest risponderà all'aumento delle temperature e al cambiamento dei regimi di precipitazione.

Immagini PhenoCam rese disponibili per uso pubblico

PhenoCam funge da registrazione permanente che può essere ispezionata visivamente per determinare lo stato fenologico della vegetazione rilevata in qualsiasi momento. Richardson e i suoi colleghi hanno reso disponibili i dati affinché chiunque possa accedervi e utilizzarli sul sito PhenoCam.

Sebbene sia stato sviluppato principalmente per la convalida e lo sviluppo di modelli fenologici, valutazione di prodotti di dati di telerilevamento satellitare, benchmarking di modelli del sistema terrestre e studi sugli impatti dei cambiamenti climatici sugli ecosistemi terrestri, Richardson osserva inoltre che le immagini PhenoCam saranno utili ai non scienziati in una varietà di settori.

"Gli agricoltori del Midwest possono utilizzare i dati della rete per pianificare l'irrigazione in base al monitoraggio in tempo reale, mentre nel New England gli appassionati di fogliame autunnale possono seguire i colori autunnali e pianificare un viaggio del fine settimana in base a dove i colori sono i migliori, " ha detto. "Le immagini PhenoCam possono essere visualizzate anche dai viaggiatori in poltrona per vedere come appare il paesaggio in un dato punto del continente, quando le foglie di pioppo tremulo stanno emergendo a Flagstaff, cosa sta succedendo alla vegetazione in Minnesota o Michigan, Per esempio."

Dati PhenoCam per aiutare a perfezionare le previsioni climatiche su scala continentale

Richardson, insieme ai suoi collaboratori di UNH e BU, hanno utilizzato i dati della rete PhenoCam per perfezionare i modelli informatici delle interazioni pianta-clima, in tandem con le proiezioni climatiche dell'International Panel on Climate Change (IPCC), per capire come i futuri cambiamenti climatici influenzeranno i diversi tipi di ecosistemi in tutto il Nord America. L'obiettivo di questo lavoro è stato quello di fare previsioni su come i futuri cambiamenti nella fenologia influenzeranno il ciclo del carbonio e dell'acqua su scala regionale.

Questo lavoro ha mostrato, Per esempio, that extension of the eastern deciduous forest growing season will increase forest productivity but also water use, resulting in drier soils and reduced runoff. E, for the grasslands that dominate the Great Plains, enhanced productivity during the spring and fall shoulder seasons will be partially offset by drought-driven reductions in summertime productivity, which could present management challenges.

Researchers and citizen scientists invited to join the PhenoCam network of collaborators

The PhenoCam team is actively seeking new collaborators from the research community and tech-savvy citizen scientists. Collaborators are asked to follow PhenoCam project protocol to configure and deploy a standard recommended camera and provide important base information for the data collected. To learn more and to join the network, visit the FAQ page of the PhenoCam website at https://phenocam.sr.unh.edu/webcam/faq/.