Un nuevo artículo del profesor de la Universidad del Norte de Arizona, Andrew Richardson, publicado en la revista Datos científicos describe una vasta red de cámaras digitales diseñadas para capturar millones de imágenes que documentan los cambios estacionales de la vegetación en América del Norte. La red apodado PhenoCam, es el resultado de una colaboración de 10 años entre Richardson, quien lideró el esfuerzo, y científicos de la Universidad de New Hampshire y la Universidad de Boston para desarrollar un observatorio confiable de fenómenos fenológicos a escala continental.

La fenología de la vegetación es lo que determina los eventos estacionales en el ciclo de vida de las plantas, como la latencia, en ciernes, hojeando y floreciendo. Muy sensible al cambio climático, La fenología es un indicador importante para comprender cómo los procesos de los ecosistemas se ven afectados por temporadas de crecimiento más largas provocadas por climas más cálidos.

Por ejemplo, en muchos ecosistemas templados, Los científicos han estado observando un inicio más temprano de la primavera y un inicio tardío del otoño desde la década de 1970. Esta temporada de crecimiento prolongada, que tiene el potencial de aumentar la fotosíntesis y el crecimiento de las plantas, y, por lo tanto, aumentar la productividad de los ecosistemas, también tiene implicaciones para el ciclo global del carbono y los niveles de dióxido de carbono (CO2) atmosférico. Los aumentos de productividad impulsados ​​fenológicamente podrían resultar en una mayor eliminación de CO2 de la atmósfera por parte de las plantas, lo que ayudaría a compensar las emisiones de gases de efecto invernadero de la quema de combustibles fósiles. Sin embargo, Los cambios en la fenología también pueden afectar a los ecosistemas de otras formas, como aumentar el desajuste fenológico entre plantas y polinizadores.

Históricamente, los métodos disponibles para medir los cambios fenológicos en los ecosistemas han sido menos que ideales, y la falta de largo plazo, Los datos espacialmente extensos han impedido a los científicos hacer proyecciones confiables sobre las respuestas fenológicas al cambio climático futuro. Hasta hace poco, Los estudios fenológicos han consistido típicamente en observadores humanos que monitorean plantas individuales y registran cambios visualmente aparentes en el estado fenológico del organismo. como brotación o floración. Este enfoque requiere mucha mano de obra y es difícil de estandarizar.

Sin embargo, en 2006, Richardson y sus colegas se dieron cuenta de que las imágenes diarias que estaban grabando desde lo alto de una torre de 90 pies en el Bosque Experimental Bartlett en New Hampshire podrían procesarse como las imágenes grabadas por satélites. Esto llevó al descubrimiento de que un simple "índice de verdor, "calculado a partir del rojo, información de color verde y azul almacenada en cada imagen, podría usarse para rastrear el estado fenológico de árboles de hoja caduca. El índice de verdor permitió una identificación precisa del momento de la brotación y los colores pico del otoño. Richardson concluyó que una red de cámaras automatizadas, tomando fotos todos los días, podría ofrecer una alternativa de alta tecnología a los seguimiento fenológico basado en observadores.

El volumen y la complejidad del proyecto requirieron una solución de "macrodatos"

La red PhenoCam comenzó con esa única cámara montada en un sitio de investigación forestal en New Hampshire. La red ahora comprende más de 400 cámaras instaladas en sitios en América del Norte, de Alaska a Florida y de Hawaii a Maine. Cada cámara está observando los ritmos estacionales de un parche específico de vegetación. Pero ya no se centra solo en los bosques caducifolios templados:los sitios de la red abarcan una amplia gama de ecorregiones, zonas climáticas y tipos funcionales de plantas, e incluyen pastizales tropicales y humedales costeros, así como matorrales áridos y bosques boreales siempre verdes.

Las imágenes de las cámaras se cargan automáticamente en el servidor PhenoCam al menos una vez al día y, en algunos casos, con una frecuencia de hasta 15 minutos. El artículo de Richardson en Scientific Data se basa en imágenes recopiladas hasta finales de 2015:aproximadamente 15 millones de imágenes, lo que representa 750 años de datos que requieren 6 terabytes de espacio en disco. Solo en los últimos dos años, sin embargo, el archivo de imágenes de PhenoCam ha duplicado su tamaño. El equipo de Richardson está trabajando para ponerse al día con el procesamiento de datos y anticipa la publicación de un conjunto de datos revisado, con más de 1, 500 años de datos dentro de los 12 meses.

"Debido al gran volumen de las imágenes que capturamos, procesamiento y gestión, este proyecto requería una solución de 'big data', ", dijo Richardson. En el campo de la tecnología, Big data se refiere a conjuntos de datos extremadamente grandes y complejos que deben analizarse computacionalmente para revelar patrones y tendencias necesarios para el estudio científico.

Richardson, quien dejó la Universidad de Harvard para unirse a NAU en septiembre, es un científico de ecosistemas. Divide su tiempo entre la Facultad de Informática, Computación y Cyber ​​Systems (SICCS) y el Centro de Ciencia y Sociedad de Ecosistemas (Ecoss).

"Una de las razones por las que vine a NAU fue por el enfoque en Big Data, unirse a SICCS fue emocionante por esa razón, "Dijo Richardson.

SEGA se une a la red PhenoCam

Southwest Experimental Garden Array (SEGA) de NAU se unió recientemente a la red PhenoCam. SEGA es una plataforma de investigación basada en la genética que permite a los científicos cuantificar las respuestas ecológicas y evolutivas de las especies a las condiciones climáticas cambiantes. La plataforma es una serie de 10 sitios de jardín dispuestos a lo largo de un gran gradiente de elevación en el norte de Arizona. incluido el bosque, chaparral, hábitats de arbustos y pastizales desérticos. Estos tipos de ecosistemas están comparativamente subrepresentados en el archivo de imágenes existente de PhenoCam.

A través de la participación de SEGA en PhenoCam, Los investigadores que utilicen SEGA podrán determinar la duración del día, la temperatura y la precipitación gobiernan las transiciones de las etapas de crecimiento de las plantas en diferentes tipos de vegetación a diferentes escalas, así como predecir cómo responderá la fenología de las plantas en el suroeste al aumento de las temperaturas y los cambios en los regímenes de precipitación.

Imágenes de PhenoCam disponibles para uso público

PhenoCam sirve como un registro permanente que se puede inspeccionar visualmente para determinar el estado fenológico de la vegetación estudiada en cualquier momento. Richardson y sus colegas han hecho que los datos estén disponibles para que cualquiera pueda acceder a ellos y usarlos en el sitio de PhenoCam.

Aunque fue desarrollado principalmente para la validación y el desarrollo de modelos fenológicos, evaluación de productos de datos de teledetección por satélite, evaluación comparativa de modelos del sistema terrestre y estudios de los impactos del cambio climático en los ecosistemas terrestres, Richardson también señala que las imágenes de PhenoCam serán útiles para los no científicos en una variedad de industrias.

"Los agricultores del Medio Oeste pueden utilizar los datos de la red para planificar el riego basándose en el monitoreo en tiempo real, mientras que en Nueva Inglaterra, los entusiastas del follaje de otoño pueden rastrear los colores del otoño y planificar un viaje de fin de semana en función de dónde son mejores los colores, Los viajeros de sillón también pueden ver las imágenes de PhenoCam para ver cómo se ve el paisaje en cualquier lugar del continente, cuando las hojas de álamo temblón están emergiendo en Flagstaff, lo que le está sucediendo a la vegetación en Minnesota o Michigan, por ejemplo."

Datos de PhenoCam para ayudar a refinar los pronósticos climáticos a escala continental

Richardson, junto a sus colaboradores de UNH y BU, han estado utilizando datos de la red PhenoCam para perfeccionar los modelos informáticos de las interacciones planta-clima, en conjunto con las proyecciones climáticas del Panel Internacional sobre Cambio Climático (IPCC), para comprender cómo el cambio climático futuro influirá en los diferentes tipos de ecosistemas en América del Norte. El objetivo de este trabajo ha sido hacer pronósticos sobre cómo los cambios futuros en la fenología influirán en el ciclo del carbono y el agua a escala regional.

Este trabajo ha demostrado, por ejemplo, that extension of the eastern deciduous forest growing season will increase forest productivity but also water use, resulting in drier soils and reduced runoff. Y, 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/.