Het Amazonebekken, de thuisbasis van het grootste regenwoud ter wereld, speelt een cruciale rol bij het in stand houden van het koolstofbudget van de planeet, jaarlijks miljarden tonnen koolstofdioxide absorberen en opslaan. Maar er doemt een omslagpunt op aan de horizon - een dat deze vitale koolstofput kan veranderen in een van de grootste bronnen van koolstofdioxide op aarde.

Door "het bos te ruiken, "Een door Harvard geleid team van onderzoekers probeert te meten hoe en wanneer dat zou kunnen gebeuren.

Terwijl de planeet opwarmt, droogte, bosbranden en veranderende weerpatronen bedreigen zo'n 400 miljard bomen in de Amazone, waarvan sommige al gevaar lopen door houtkap en mijnbouw. Als bomen worden beschadigd - of gedood - ontbinden ze en geven ze koolstof af in de atmosfeer.

"Klimaatverandering, evenals door de mens veroorzaakte ontbossing en verbranding van biomassa, kan leiden tot ecologische en klimatologische omslagpunten die enorme hoeveelheden opgeslagen koolstof kunnen vrijgeven, " zei Schot Martin, de Gordon McKay hoogleraar Environmental Science and Engineering aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en hoogleraar Earth and Planetary Sciences aan het Department of Earth and Planetary Sciences.

De vraag is:hoe weten we wanneer we dat kantelpunt naderen?

Martin, met een internationaal team van onderzoekers en medewerkers van Amazonas State University (UEA) en de Amazonas State Research Support Foundation (FAPEAM), heeft een systeem voor vroege detectie ontwikkeld om veranderingen in de Amazone te volgen.

Martin's onderzoek is bedoeld om beter te begrijpen hoe de Amazone reageert op stress. In een lopend project, gefinancierd door het Climate Change Solutions Fund (CCSF) van de Harvard University, Martin en zijn team brengen de unieke chemische signalen in kaart en monitoren die worden uitgezonden door bomen die bekend staan ​​als vluchtige organische stoffen (VOS).

We hebben allemaal VOC's gevoeld - ze zijn wat je ruikt in pas gemaaid gras of wandelen door een dennenbos. Net als menselijke feromonen, VOC's helpen planten om te interageren met organismen om hen heen. Ze trekken insecten aan voor bestuiving en zaadverspreiding, reageren op spanningen, en stuur zelfs waarschuwingssignalen naar naburige planten dat roofdieren aanvallen. Elke plantensoort straalt een andere VOC-signatuur uit, zoals een vingerafdruk, die kan veranderen afhankelijk van het seizoen of als de plant onder druk staat van, bijvoorbeeld, droogte of overstromingen.

"Bossen kunnen met ons praten via VOC's, " zei Martin. "Het vertalen van deze signalen kan leiden tot een kwantitatief begrip van hoe bosecosystemen reageren op klimaatstress en klimaatverandering."

Maar er zijn grote uitdagingen bij het verzamelen van gegevens over VOC's. Eerst, het Amazone-regenwoud beslaat maar liefst 550 miljoen hectare. Binnen dat enorme bioom zijn duizenden kleinere ecosystemen, elk met hun eigen biodiversiteit en VOC-signalen.

Vliegtuigen kunnen grote afstanden afleggen, maar kunnen niet laag genoeg vliegen om VOC-monsters te verzamelen, die een hoogte bereiken van ongeveer een kilometer of minder boven het bladerdak. Torens kunnen op de juiste hoogte aanvoelen, maar alleen voor het lokale ecosysteem.

Om deze kloof van gegevens te overbruggen, Martin en zijn team wenden zich tot drones.

"Wat op drones gebaseerde sensoren zo opwindend maakt, is dat ze de mogelijkheid bieden om gegevens te verzamelen op onontgonnen schalen, " zei Martin. "Dit zou kunnen leiden tot revolutionaire inzichten in ecosystemen in het Amazonegebied onder klimaatstress en verwachte veranderingen in klimaat en biodiversiteit."

Deze zomer, het team reisde diep de Amazone in om een ​​VOC-bemonsteringsprototype te testen, ontwikkeld door Daniel Wang S.B. '17 voor zijn afstudeerscriptie. Het prototype, een kleine bemonsteringsdoos die direct aan een drone is bevestigd, zuigt lucht uit de omgeving aan en voert deze door bemonsteringsbuizen die VOC-moleculen opsluiten. Onder begeleiding van adviseurs Martin en Karena McKinney, Associate in milieuwetenschappen en techniek, Wang gebruikte lichtgewicht materialen die bestand waren tegen hoge jungletemperaturen en vochtigheid.

De proef was een succes.

"Het instrument werkte feilloos, " zei Wang.

Het team lanceerde het prototype vanaf een toren in de botanische tuin van Manaus (MUSA). Het team testte het bereik en de limieten van de drone, verzenden naar specifieke GPS-punten tot op een kilometer afstand van de toren. De drone verzamelde monsters op verschillende hoogten en specifieke punten onderweg, en keerde elke keer terug naar huis.

"De ervaring van in de jungle zijn, met een apparaat dat ik heb ontworpen op een bank in Harvard, was ongelooflijk, " zei Wang. "We waren in staat om deze technologie naar voorheen onontgonnen ruimtes te vliegen en monsters te verzamelen die ons hopelijk meer zullen vertellen over de chemische vingerafdruk van de jungle."

Met financiering van de CCSF, Martin en zijn team van Braziliaanse medewerkers zullen zich blijven ontwikkelen, test en vlieg VOC-bemonsteringsdrones boven de Amazone.

Het team vliegt momenteel met drones over verschillende soorten bossen, inclusief laaggelegen drassige gebieden en hoger gelegen bossen, het ontwikkelen van een database van VOC-vingerafdrukken onder normale omstandigheden. Daarna, dezelfde bossen zullen worden gemonitord in tijden van stress in het natte en droge seizoen om te leren hoe de VOC-vingerafdrukken veranderen.

Martin en het Harvard-team bezoeken de Amazone een half dozijn keer per jaar.

Terwijl Martin terug is op Harvard, zijn Braziliaanse medewerkers — vier promovendi aan de UEA — blijven de drones en samplertechnologie en de VOC-analysetechnieken ontwikkelen.

Deze samenwerking is de sleutel tot het succes van het project.

"Ik geloof in iteratief succes, " zei Martin. "Iedereen kan een expert worden na 100 feedbackrondes. Door de samenwerking tussen UEA en FAPEAM met SEAS, de lokale UEA-promovendi kunnen elke 24 tot 48 uur één vlucht- en VOC-analyse uitvoeren. Dus, binnen een half jaar, je hebt het beste team ter wereld dat deze vluchten uitvoert. Zonder die samenwerking het zou het Harvard-team tien jaar kosten om die expertise op te bouwen. Dus, deze samenwerking is niet alleen geweldig voor de wetenschap die relevant is voor de mensheid, maar ook voor het gecombineerde team van studenten, postdocs, en faculteit in de UEA-FAPEAM-SEAS samenwerking."