Un nuovo studio utilizza CubeSats per misurare i cambiamenti a breve termine nei laghi dell'emisfero settentrionale. La regione di studio comprende (in senso orario a partire da in alto a sinistra):Mackenzie River Delta, Territori del Nordovest, Canada; Scudo canadese, a nord di Yellowknife, Territori del Nordovest, Canada; Yukon appartamenti, Alaska e penisola di Tuktoytaktuk, Territori del Nordovest, Canada. Credito:Planet
Usando un esercito di piccoli satelliti, i ricercatori hanno dimostrato che i livelli dell'acqua nei piccoli laghi del Canada settentrionale e dell'Alaska sono molto più variabili durante l'estate di quanto si pensasse in precedenza. Le scoperte, pubblicato in Lettere di ricerca geofisica , potrebbe avere implicazioni sul modo in cui gli scienziati calcolano le emissioni naturali di gas serra da questi laghi settentrionali.
Lo studio ha utilizzato immagini scattate da una rete di oltre 150 CubeSats, piccoli satelliti delle dimensioni di scatole da scarpe, che hanno effettuato osservazioni quasi quotidiane di oltre 85, 000 piccoli laghi nordamericani durante l'estate del 2017. Le immagini hanno permesso ai ricercatori di vedere come i laghi sono cambiati nel tempo. Hanno trovato piccoli ma significativi cambiamenti del litorale nei singoli laghi che hanno aggiunto fino a centinaia di chilometri quadrati di cambiamento dell'area lacustre in tutta la regione di studio.
"C'è stata molta ricerca sui cambiamenti causati dal clima nell'area dei laghi, ma si concentra principalmente sui cambiamenti a lungo termine, " ha detto Sarah Cooley, un dottorato di ricerca studente alla Brown University e autore principale dello studio. "Questa è la prima volta che qualcuno ha guardato su scala fine, cambiamenti a breve termine, e abbiamo scoperto che c'è molta più variabilità all'interno di una stagione del previsto".
L'area di studio cattura una parte sostanziale della tundra artica e della foresta boreale, un bioma che circonda l'emisfero settentrionale della Terra in una fascia da circa 50 a 70 gradi di latitudine nord. La regione ospita ecosistemi critici di foreste e tundra, nonché la più alta densità di laghi del pianeta, quindi la comprensione della sua idrologia è scientificamente importante. Uno dei motivi è che i laghi boreali sono una fonte significativa di emissioni naturali di gas serra. I loro sedimenti contengono tonnellate di carbonio organico, che arriva dal paesaggio circostante. Parte di quel carbonio si decompone ed è emesso nell'atmosfera sotto forma di anidride carbonica e gas serra metano.
Questa nuova scoperta di una sostanziale fluttuazione del litorale estivo ha implicazioni sul modo in cui gli scienziati calcolano queste emissioni, dicono i ricercatori. Questo perché le aree costiere in cui l'acqua scorre e rifluisce di stagione in stagione sono noti punti caldi per la produzione e l'emissione di gas serra. Ma le stime delle emissioni dei laghi generalmente presumono che le coste siano stabili in ogni stagione. La scoperta di una sorprendente fluttuazione del litorale durante la stagione, dicono i ricercatori, suggerisce che gli attuali modelli di emissioni dei laghi boreali potrebbero essere sottostimati.
"Un litorale fluttuante emetterà più carbonio di un litorale stabile, "Cooley ha detto. "Queste fluttuazioni a breve termine, che nessuno aveva mai mappato prima, suggeriscono che questi laghi stanno potenzialmente emettendo più gas di quanto si pensasse".
Un'altra scoperta che ha sorpreso il team di ricerca è stata la grande importanza complessiva delle fluttuazioni del litorale sull'antico Canadian Shield, un roccioso, paesaggio umido nel Canada centrale, dove milioni di piccoli laghi coprono il 20 percento del paesaggio.
"Studi precedenti presumevano che i laghi in quest'area fossero relativamente stabili, " ha detto Laurence C. Smith, coautore dello studio e capo progetto per l'esperimento sulla vulnerabilità artico-boreale della NASA, che ha contribuito a finanziare lo studio. "Con nostra sorpresa, l'alta risoluzione, l'imaging ad alta frequenza fornito da CubeSats ha rivelato che le piccole fluttuazioni del litorale in questa zona ricca di laghi si sommano a numeri straordinariamente grandi".
In tutto, lo studio ha esplorato quattro sotto-aree dell'Artico e del sub-Artico nordamericano e ha scoperto che lo Scudo canadese poco studiato è il più dinamico di tutti, con circa l'1,4% del suo paesaggio stagionalmente inondato da piccole fluttuazioni dei livelli dei laghi.
Un nuovo studio mostra che i laghi del Canada settentrionale e dell'Alaska sono molto più dinamici durante l'estate di quanto i ricercatori avessero pensato. L'animazione mostra il cambiamento dell'area del lago nel tempo negli Yukon Flats in Alaska. Credito:Sarah Cooley
Grandi dati, piccoli satelliti
Un'altra conclusione dello studio, Cooley dice, è che mostra la potenza di CubeSats per acquisire dati che i satelliti più grandi non possono raccogliere.
"Quello di cui sono più entusiasta dal punto di vista scientifico è la capacità di utilizzare queste nuove immagini CubeSat, " ha detto Cooley. "Non avremmo potuto fare queste osservazioni senza i CubeSats, e qui dimostriamo che è possibile estrarre preziose informazioni scientifiche da quelle immagini".
I grandi satelliti dell'agenzia spaziale addobbati con strumenti scientifici sensibili possono raccogliere ogni tipo di informazione, ma semplicemente non fare abbastanza passaggi generali per rilevare i cambiamenti che si verificano in brevi periodi di tempo. E i satelliti che passano quotidianamente non hanno la risoluzione della fotocamera per effettuare osservazioni su larga scala dell'area del lago.
I CubeSat, lanciato di recente da una società chiamata Planet, offerto una possibile soluzione. L'azienda gestisce più di 150 satelliti, che orbitano attorno alla Terra in una disposizione che consente loro di visualizzare l'intera massa terrestre della Terra ogni giorno mentre il pianeta ruota sotto di loro. E mentre i minuscoli satelliti mancano di sofisticate apparecchiature scientifiche, hanno fotocamere ad alta potenza in grado di catturare immagini con una risoluzione di 3 metri.
Ma i dati CubeSat presentano alcune sfide uniche, dice Cooley. Per esempio, i dati sulla posizione dei CubeSats tendono a non essere precisi come quelli dei satelliti dell'agenzia spaziale. E le immagini CubeSat mancano di filtri che le rendono più facili da analizzare. I dati satellitari della NASA o dell'Agenzia spaziale europea (ESA) vengono filtrati per eliminare le immagini scattate in giornate nuvolose o altre immagini di bassa qualità.
Quindi Cooley ha dovuto progettare il proprio sistema per compensare questi problemi. Per lo studio, ha addestrato un algoritmo di apprendimento automatico per individuare modelli di dati anomali e gettarli via. Per esempio, i casi in cui un lago scompare improvvisamente in un giorno solo per tornare a vederlo pochi giorni dopo sono molto probabilmente dovuti a copertura nuvolosa o osservazioni glitch, non una vera e propria scomparsa del lago. L'algoritmo potrebbe contrassegnare tali istanze e rimuoverle dai dati.
Usando quell'algoritmo, Cooley e i suoi colleghi sono stati in grado di setacciare più di 25 terabyte di dati CubeSat. Cooley dice che si aspetta che nei prossimi anni verranno dai CubeSats scoperte più interessanti delle scienze della terra.
"Lo vedo come l'inizio di un nuovo periodo nel telerilevamento, in quanto improvvisamente tutti i tipi di osservazioni della terra che potrebbero non essere state possibili prima diventeranno possibili con questi piccoli, satelliti semplici, " ha detto Cooley.
