De las selvas tropicales a las tierras de cultivo, bosques boreales a manglares, La NASA dará una nueva mirada a la vegetación terrestre en todo nuestro planeta viviente durante los próximos dos años con varios instrumentos únicos en el espacio. Las misiones ayudarán a los científicos a investigar el papel de las plantas en los ciclos globales del agua y el carbono de la Tierra.

Desde la década de 1970, La NASA ha estudiado la vida desde el espacio con satélites como Landsat, Terra, Aqua y la Asociación Nacional Suomi de órbita polar de la NASA / NOAA. Los científicos han utilizado estos datos junto con observaciones de naves espaciales internacionales para realizar una amplia gama de investigaciones, desde detectar la expansión hacia el norte de los bosques en el Ártico hasta monitorear cómo las áreas quemadas se recuperan de los incendios forestales.

Generalmente, los instrumentos actualmente en órbita hacen su trabajo al detectar la luz solar reflejada en la superficie de la Tierra, como lo hace una cámara. Pero los nuevos instrumentos que se lanzarán durante los próximos dos años tendrán un nuevo enfoque más activo para investigar nuevas cuestiones sobre la vegetación y cómo está cambiando. Dos de estas misiones de la NASA utilizarán instrumentos láser que medirán la altura de los árboles, mientras que un tercero monitoreará la temperatura para proporcionar información sobre la salud de las plantas.

Mediciones láser de árboles

Si bien la extensión global de esos ecosistemas se ha cartografiado a partir de imágenes satelitales, los mapas existentes no pueden determinar la altura de esos árboles, o la estructura de sus marquesinas, es decir, la tercera dimensión.

Dos misiones utilizarán láseres espaciales para medir la altura de los árboles:un instrumento montado en la Estación Espacial Internacional, denominada Investigación de Dinámica de Ecosistemas Globales (GEDI); y un satélite llamado Ice, Satélite de elevación de nubes y tierra-2 (ICESat-2), que se centrará en medir la nieve y el hielo, pero también medirá los bosques del planeta. Con datos que fluyen desde ambos instrumentos, Los científicos planean desarrollar un mapa tridimensional de la vegetación de la Tierra.

Al conocer la extensión de los bosques a partir de mapas existentes, así como las alturas del dosel de los nuevos instrumentos, los investigadores podrán entonces estimar cuánta materia vegetal y, por lo tanto, cuánto carbono hay presente. A medida que crecen los árboles absorben carbono de la atmósfera, hacer de los bosques un actor clave en el ciclo global del carbono. Tiempo extraordinario, Estas misiones pueden ayudar a los científicos a dar pistas sobre la cantidad de carbono que absorben los bosques en crecimiento. y cómo se libera a la atmósfera a través de los incendios forestales y la deforestación.

"Combinando ICESat-2 con GEDI, vamos a tener una nueva visión del estado de la biosfera en nuestro planeta, "dijo Tom Neumann, el científico adjunto del proyecto ICESat-2 en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

Para Ralph Dubayah, Investigador principal de GEDI de la Universidad de Maryland, la misión GEDI responderá preguntas sobre la biomasa de árboles en una región determinada, y el impacto de la deforestación y reforestación en la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera. GEDI también cuantificará cómo la disposición vertical de hojas y ramas en un bosque afecta la calidad del hábitat y la biodiversidad.

Si bien ambas misiones utilizan tecnología de detección de luz y alcance (LIDAR), que es como un radar, pero con luz láser en lugar de ondas de radio, el instrumento GEDI utilizará una longitud de onda del infrarrojo cercano. Esta región de longitud de onda es óptima para medir la vegetación porque se refleja en las hojas, y una parte de esta luz reflejada regresa al sensor. Los pulsos emitidos por láseres de infrarrojo cercano también pueden penetrar mejor a través de las copas de los árboles para reflejarse en el suelo. que es una medida necesaria para determinar la altura de los árboles.

El equipo de GEDI ha trabajado para optimizar el ancho de pulso de su sistema, longitud de onda, patrón de muestreo y tamaño de la huella para cubrir tantas áreas boscosas como sea posible. Los tres láseres de GEDI pulsan 242 veces por segundo, muestreo de 10 pistas de láser repartidas a lo largo de una franja de 6 kilómetros (3,7 millas) en la superficie de la Tierra. Porque GEDI volará en la Estación Espacial Internacional, su trayectoria orbital se centrará en las regiones tropicales y de latitud media de la Tierra, donde se almacena la gran mayoría del carbono forestal.

ICESat-2, orbitando de polo a polo, recopilará datos sobre las capas de hielo de la Tierra, hielo marino y glaciares con su cobertura casi global. En lugar de utilizar luz infrarroja cercana, El instrumento del Sistema de altímetro láser topográfico avanzado (ATLAS) de ICESat-2 utilizará verde, luz visible. ATLAS tiene dos láseres, solo uno de los cuales opera a la vez. El láser no operativo es un repuesto integrado. El láser de funcionamiento pulsará 10, 000 veces por segundo y generar seis pistas. Mientras viaja por las latitudes medias, Los científicos usarán ATLAS para medir regiones específicas con vegetación, complementando las mediciones GEDI y creando un mapa tridimensional más completo de la vegetación de la Tierra.

Los fotones, o partículas de luz, de los láseres verdes de ICESat-2 se reflejarán en lo que esté debajo de ellos, incluidas las copas de los árboles, ramas y hojas, y, si hay espacio abierto en el dosel, del suelo.

"Si puedes separar esos dos, los fotones reflejados desde el suelo, a partir de los fotones reflejados desde las copas de los árboles; puede medir la altura de los árboles, que es realmente genial, "Neumann dijo. Sin embargo, no siempre es posible separar las copas de los árboles del suelo del bosque, especialmente con una longitud de onda visible.

"Si la copa de los árboles es demasiado densa, no podemos ver el suelo, para que no puedas medir la altura de los árboles, ", Dijo Neumann." Si el dosel de los árboles es demasiado escaso, no podemos ver los árboles porque es un árbol en medio de un campo, y tus posibilidades de chocar contra ese árbol no son tan buenas ".

Debido a que los láseres de GEDI funcionan en infrarrojo cercano, y tener suficiente poder para penetrar bosques densos con cada disparo, el instrumento puede medir con mayor precisión la estructura del bosque incluso en áreas que tienen un dosel denso.

Las mediciones de vegetación de GEDI ayudarán a cerrar una brecha crítica en nuestra comprensión actual de cómo los bosques y otros ecosistemas almacenan y emiten carbono a lo largo del tiempo. El proceso juega un papel muy importante, por último, en la cantidad de dióxido de carbono que se acumula en la atmósfera.

"El objetivo científico central de GEDI es proporcionar los datos mediante los cuales podamos abordar con precisión esta pregunta, "Dijo Dubayah." GEDI es el primer lidar en volar que ha sido optimizado para mediciones de vegetación ".

Armados con esta información, los científicos podrán hacer un trabajo mucho mejor pronosticando las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico en el futuro, él dijo, y comprender el papel de las actividades humanas en el ciclo del carbono.

Las nubes son otro obstáculo para las misiones ICESat-2 y GEDI. En un día cualquiera La Tierra está cubierta en un 50 por ciento por nubes. Entonces, en lugar de medir las copas de los árboles, estos sistemas basados ​​en lidar medirán la parte superior de las nubes que reflejan el pulso láser. Tener dos sistemas que midan la vegetación ayudará a llenar estos vacíos vacíos de datos. Combinando los datos, los científicos obtendrán una mejor imagen del estado de la vegetación de la Tierra.

Aunque las dos misiones están optimizadas para diferentes objetivos científicos, trabajarán juntos para crear un mapa de altura más preciso de la vegetación de la Tierra, un conjunto de datos que puede ayudar a responder las preguntas de Dubayah.

Tomando la temperatura de las plantas

Saber cuánta vegetación está presente en la Tierra no indica si esa vegetación es saludable o no. La forma en que cambia la vegetación debido a las tensiones causadas por la disponibilidad de agua es la cuestión científica clave que debe abordar el Experimento del radiómetro térmico espacial ECOsystem en la estación espacial (ECOSTRESS).

A medida que las plantas absorben dióxido de carbono para la fotosíntesis, liberan agua a través de la evapotranspiración de los poros de sus hojas, que les ayuda a refrescarse bajo el sol ardiente, tanto como el sudor humano nos enfría. Y al igual que los humanos, si las plantas no reciben suficiente agua, pueden sobrecalentarse.

Los poros de la planta se abren y cierran en respuesta al estrés por calor y la disponibilidad de agua. Cuando están abiertos las plantas absorben dióxido de carbono y pierden agua. Cuando están cerrados las plantas dejan de absorber dióxido de carbono (es decir, creciendo) pero también dejan de perder agua. Si sabemos que las plantas están perdiendo agua, sabemos que están ingiriendo dióxido de carbono, y viceversa. Los datos de ECOSTRESS ayudarán a los científicos a comprender la absorción total de dióxido de carbono por las plantas en el transcurso de un día típico. Por ejemplo, si es una tarde calurosa y seca, algunas plantas pueden interrumpir el uso de agua y la absorción de dióxido de carbono por la tarde. ECOSTRESS podrá detectar este tipo de respuestas. Los satélites actuales en órbita polar solo pueden proporcionar una instantánea única de la absorción de dióxido de carbono y la liberación de agua cada día. a la misma hora del día, por lo que los científicos tienen que estimar cómo se traduce esa instantánea única a lo largo de todo el día.

ECOSTRESS medirá las temperaturas de las plantas desde el espacio para detectar la naturaleza de enfriamiento del agua evaporada por las plantas, o la falta de ella. Nos dirá cuánta agua usan y necesitan las diferentes plantas y cómo reaccionan al estrés ambiental debido a la escasez de agua. Además de sus objetivos científicos del ciclo del carbono y del agua, También estudiará cómo la biosfera terrestre de la Tierra está respondiendo a los cambios en la disponibilidad de agua.

Desde su posición orbital única, ECOSTRESS observará el mismo lugar en la Tierra cada pocos días a diferentes horas del día durante un mínimo de un año. permitiendo a los científicos rastrear los cambios en la dinámica de las plantas y el agua en el transcurso de un día típico.

"ECOSTRESS permitirá una investigación detallada del uso del agua de la planta a lo largo del día, "dijo Josh Fisher, el líder científico de la misión en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California. "Es más, podremos comprender mejor cómo ciertas regiones se ven afectadas por la sequía. Esto podría tener importantes implicaciones para la gestión de bosques o sistemas agrícolas ".

ECOSTRESS también proporcionará información clave sobre los vínculos entre el agua de la Tierra y los ciclos del carbono al identificar qué áreas de nuestro planeta requieren más o menos agua para la cantidad de dióxido de carbono que absorben.

El investigador principal de ECOSTRESS, Simon Hook de JPL, comenzó a desarrollar el radiómetro infrarrojo térmico para ECOSTRESS hace varios años. ECOSTRESS rastreará la energía utilizada en la evaporación del agua en combinación con otros factores que afectan la evaporación, como temperatura y humedad.

Los datos de ECOSTRESS serán utilizados por ecologistas, hidrólogos, meteorólogos y otros científicos, así como las comunidades agrícolas y de gestión del agua. De hecho, El equipo científico de ECOSTRESS incluye científicos del Departamento de Agricultura de EE. UU. Recopilará datos en píxeles que midan un poco más de 200 pies (70 metros) de lado, aproximadamente del tamaño de un gran patio trasero, pequeña finca o parte de una gran finca. Esta escala de información también puede ser útil para la investigación de aplicaciones sobre los efectos de las sequías en la vegetación natural; por ejemplo, para identificar qué tipos de árboles son más vulnerables a morir primero.

La NASA y sus socios están planeando aún más misiones futuras durante los próximos años para avanzar en lo que sabemos sobre los ecosistemas de la Tierra. Por ejemplo, La agencia se está asociando con la Organización de Investigación Espacial de la India para desarrollar la misión ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) de la NASA que proporcionará de forma rutinaria observaciones sistemáticas de la tierra y las superficies cubiertas de hielo al menos dos veces cada 12 días. permitir una mayor comprensión científica de los procesos dinámicos que impulsan el sistema terrestre y los peligros naturales, además de brindar apoyo procesable para la respuesta y recuperación ante desastres.

NISAR complementará GEDI, ICESat-2 y ECOSTRESS. Con su capacidad para ver a través de las nubes, podrá ayudar a medir la cantidad de carbono almacenado en los bosques, la pérdida de bosques debido a la perturbación, y la extensión de las áreas agrícolas y de humedales en todo el mundo.