NASA-satellieten kunnen onze levende aarde zien ademen.

Op het noordelijk halfrond, ecosystemen ontwaken in de lente, kooldioxide opnemen en zuurstof uitademen terwijl ze bladeren laten ontkiemen - en een vloot van aardobservatiesatellieten volgt de verspreiding van de nieuw groene vegetatie.

In de tussentijd, in de oceanen, microscopisch kleine planten drijven door het zonovergoten oppervlaktewater en bloeien in miljarden koolstofdioxide-absorberende organismen - en lichtdetecterende instrumenten op satellieten brengen de wervelingen van hun kleur in kaart.

Deze herfst is het 20 jaar geleden dat NASA continu niet alleen de fysieke eigenschappen van onze planeet heeft geobserveerd, maar het enige dat de aarde uniek maakt tussen de duizenden andere werelden die we hebben ontdekt:leven.

Satellieten hebben al in de jaren zeventig het leven op het land en in de oceaan vanuit de ruimte gemeten. Maar pas met de lancering van de Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) in 1997 begon de ruimtevaartorganisatie met wat nu een continu, wereldbeeld van zowel het land- als het oceaanleven. Een nieuwe animatie legt het geheel van dit 20-jarige record vast, mogelijk gemaakt door meerdere satellieten, het comprimeren van een decennialange kijk op het leven op aarde in een boeiende paar minuten.

"Dit zijn ongelooflijk suggestieve visualisaties van onze levende planeet, " zei Gene Carl Feldman, een oceanograaf bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Dat is de aarde, dat is het elke dag ademen, wisselend met de seizoenen, reageren op de zon, aan de veranderende wind, oceaanstromingen en temperaturen."

De op de ruimte gebaseerde kijk op het leven stelt wetenschappers in staat om gewassen, bos- en visserijgezondheid over de hele wereld. Maar de wetenschappers van het ruimteagentschap hebben ook veranderingen op de lange termijn ontdekt tussen continenten en oceaanbekkens. Nu NASA zijn derde decennium van wereldwijde oceaan- en landmetingen begint, deze ontdekkingen wijzen op belangrijke vragen over hoe ecosystemen zullen reageren op een veranderend klimaat en grootschalige veranderingen in de menselijke interactie met het land.

Satellieten hebben gemeten dat het noordpoolgebied groener wordt, omdat struiken hun bereik uitbreiden en gedijen bij warmere temperaturen. Waarnemingen vanuit de ruimte helpen bij het bepalen van de landbouwproductie wereldwijd, en worden gebruikt bij vroegtijdige waarschuwing bij hongersnood. Als oceaanwater warm wordt, satellieten hebben een verschuiving in fytoplanktonpopulaties gedetecteerd in de vijf grote oceaanbekkens van de planeet - de uitbreiding van 'biologische woestijnen' waar weinig leven gedijt. En terwijl de concentraties kooldioxide in de atmosfeer blijven stijgen en het klimaat opwarmen, NASA's wereldwijde begrip van het plantenleven zal een cruciale rol spelen bij het monitoren van koolstof terwijl het door het aardsysteem beweegt.

Leven op aarde, vanuit de ruimte

Zestig jaar geleden, mensen waren er niet zeker van dat het aardoppervlak duidelijk vanuit de ruimte te zien was. Velen dachten dat de stofdeeltjes en andere aerosolen in de atmosfeer het licht zouden verstrooien, de oceanen en continenten maskeren, zei Jeffrey Masek, hoofd van het Biospheric Sciences Laboratory bij NASA Goddard.

De Gemini- en Apollo-programma's toonden anders aan. Astronauten gebruikten gespecialiseerde camera's om foto's van de aarde te maken die de schoonheid en complexiteit van onze levende planeet laten zien, en hielp het tijdperk van aardwetenschappelijk onderzoek vanuit de ruimte op gang te brengen. 1972, de eerste Landsat-missie begon haar 45-jarige record van vegetatie en landbedekking.

"Naarmate het satellietarchief zich uitbreidt, je ziet steeds meer dynamiek ontstaan, "Zei Masek. "We kunnen nu naar langetermijntrends kijken."

De graslanden van Senegal, bijvoorbeeld, drastische seizoensveranderingen ondergaan. Grassen en struiken bloeien tijdens het regenseizoen van juni tot november, dan opdrogen als de regen stopt. Met vroege weersatellietgegevens in de jaren 70 en 80, NASA Goddard-wetenschapper Compton Tucker was in staat om te zien dat vergroening en afsterven vanuit de ruimte, het meten van het chlorofyl in onderstaande planten. Hij ontwikkelde een manier om satellietgegevens van twee golflengten te vergelijken, die een kwantitatieve meting van deze groenheid geeft, de genormaliseerde verschilvegetatie-index genoemd.

"We waren stomverbaasd toen we de eerste beelden zagen. Ze waren geweldig omdat ze lieten zien hoe de vegetatie jaarlijks verandert, jaar na jaar, "Tocker zei, opmerkend dat anderen ook verrast waren toen de studie in 1985 uitkwam. "Toen we dit document produceerden, mensen beschuldigden ons van 'schilderen op nummer, ' of gegevens verprutsen. Maar voor de eerste keer, je zou vegetatie vanuit de ruimte kunnen bestuderen op basis van hun fotosynthetische capaciteit."

Als de temperatuur goed is, en water en zonlicht zijn beschikbaar, planten fotosynthetiseren en produceren vegetatief materiaal. Bladeren absorberen sterk blauw en rood licht, maar reflecteren bijna-infrarood licht terug in de ruimte. Door de verhouding tussen rood en nabij-infrarood licht te vergelijken, Tucker en zijn collega's konden de vegetatie die het land bedekt, kwantificeren.

Deze waarnemingen uitbreiden naar de rest van de wereld, de wetenschappers konden de impact op planten van regenachtige en droge seizoenen elders in Afrika volgen, zie de lentebloei in Noord-Amerika, en de naweeën van bosbranden in bossen wereldwijd.

Maar land is slechts een deel van het verhaal. Aan de basis van het voedselweb van de oceaan bevindt zich fytoplankton - kleine organismen die, zoals landplanten, water en koolstofdioxide omzetten in suiker en zuurstof, geholpen door de juiste combinatie van voedingsstoffen en zonlicht.

Satellieten die de subtiele kleurveranderingen van de oceaan kunnen volgen, hebben wetenschappers geholpen om veranderingen in fytoplanktonpopulaties over de hele wereld te volgen. De eerste weergave van oceaankleur kwam van de Coastal Zone Color Scanner, een proof-of-concept-instrument dat in 1979 werd gelanceerd. Continue observaties van de kleur van de oceaan begonnen met de lancering van SeaWIFS eind 1997. De satelliet was net op tijd om de overgang van El Niño naar La Niña-omstandigheden in 1998 vast te leggen - en onthulde hoe snel en fytoplankton reageert dramatisch op veranderende oceaanomstandigheden.

"De hele oostelijke Stille Oceaan, van de kust van Zuid-Amerika tot aan de datumgrens, overgegaan van wat het equivalent was van een biologische woestijn naar een bloeiend regenwoud. En we zagen het in realtime gebeuren, "zei Feldman. "Voor mij, dat was de eerste demonstratie van de kracht van dit soort observatie, om te zien hoe de oceaan reageert op een van de meest significante milieuverstoringen die het kan ervaren, in de loop van slechts een paar weken. Het toonde ook aan dat de oceaan en al het leven erin verbazingwekkend veerkrachtig is - als ze een halve kans krijgen."

Wijziging van satellieten volgen

Met 20 jaar satellietgegevens die het oceaanplantenleven op wereldwijde schaal volgen, wetenschappers onderzoeken hoe habitats en ecosystemen reageren op veranderende omgevingsomstandigheden.

Recente onderzoeken naar het leven in de oceaan hebben aangetoond dat een langetermijntrend van stijgende zee-oppervlaktetemperaturen ervoor zorgt dat oceaangebieden die bekend staan ​​als 'biologische woestijnen' uitbreiden. Deze gebieden met een lage groei van fytoplankton komen voor in het centrum van grote, langzaam bewegende stromingen die gyres worden genoemd.

"Als het oppervlaktewater warmer wordt, het creëert een sterkere grens tussen de diepe, koud, voedselrijke wateren en de zonovergoten, over het algemeen voedselarme oppervlaktewateren, "zei Feldman. Dit voorkomt dat voedingsstoffen het fytoplankton aan de oppervlakte bereiken, en aanzienlijke gevolgen kunnen hebben voor de visserij en het mariene ecosysteem.

In de Noordelijke IJszee, een explosie van fytoplankton duidt op verandering. Terwijl seizoensgebonden zee-ijs smelt, opwarmend water en meer zonlicht zullen een plotselinge, enorme fytoplanktonbloei die vogels voedt, zeeleeuwen en pas uitgekomen vissen. Maar met stijgende atmosferische temperaturen, die bloei vindt nu enkele weken te vroeg plaats - voordat de dieren er zijn om ervan te profiteren.

"Het is niet alleen de hoeveelheid voedsel, het zijn de locatie en timing die net zo belangrijk zijn, " zei Feldman. "De lentebloei komt eerder, en dat zal het ecosysteem beïnvloeden op manieren die we nog niet begrijpen."

Het klimaat warmt het snelst op in de Arctische gebieden, en de effecten op het land zijn ook vanuit de ruimte zichtbaar. De toendra van West-Alaska, Quebec en elders wordt groener naarmate struiken hun bereik naar het noorden uitbreiden.

Ook de aangrenzende noordelijke bossen veranderen. Massale branden in 2004 en 2015 hebben miljoenen hectaren bos in Alaska vernietigd, inclusief sparrenbossen, merkte Chris Potter op, een onderzoekswetenschapper bij NASA's Ames Research Center in Silicon Valley in Californië.

"Deze branden waren verbazingwekkend in de hoeveelheid bosgebied die ze verbrandden en hoe heet ze brandden, Potter zei. "Als de luchttemperatuur eind mei 90 graden Fahrenheit bereikt, daarboven, en al deze blikseminslagen vonden plaats, het bos brandde zeer uitgebreid - dicht bij rivieren, dicht bij dorpen - en niets kon het stoppen."

Satellieten helpen wetenschappers routinematig branden in kaart te brengen, ontbossing en andere veranderingen, en hun impact op de koolstofcyclus te analyseren, zei Potter. Gigantische branden brengen vele tonnen koolstofdioxide in de atmosfeer, zowel van de verkoolde bomen en het mos, maar ook, vooral op de noordelijke breedtegraden, uit de bodems. Potter en collega's gingen dit jaar naar de verbrande gebieden van Centraal-Alaska om de onderliggende permafrost te meten - de dikke moslaag was afgebrand, het blootstellen van de eerder bevroren bodems.

"Het is alsof je de isolatielaag van een koeler haalt, " zei hij. "Het ijs smelt eronder en het wordt een modderige puinhoop."

Bostypes kunnen ook veranderen, of het nu na bosbranden is, insectenplagen of andere verstoringen. De sparrenbossen van Alaska worden vervangen door berken. Potter en zijn collega's houden ook de Californische bossen in de gaten die zijn verbrand bij recente branden, waar de zorg is dat dennen worden vervangen door eiken.

"Wanneer droogte wordt geaccentueerd met deze recordhoge temperaturen, daar lijkt niets goeds van te komen voor het bestaande bostype, " zei hij. "Ik denk dat we echt duidelijk bewijs zien van klimaatverandering die landbedekking veroorzaakt."

Gewassen in de gaten houden

Veranderende temperaturen en regenpatronen beïnvloeden ook gewassen, of ze nu in Californië of Afrika worden gekweekt. De "groenheids"-meting die wetenschappers gebruiken om bossen en graslanden te meten, kan ook worden gebruikt voor landbouw, om de gezondheid van de velden gedurende het groeiseizoen te bewaken.

Onderzoekers en beleidsmakers zagen dit potentieel al vroeg in. Een van de eerste toepassingen van Landsat-gegevens in de jaren zeventig was om de graanopbrengsten in Rusland te voorspellen en de grondstoffenmarkten beter te begrijpen. In 1985, voedselveiligheidsanalisten van USAID benaderden NASA om satellietbeelden op te nemen in hun Famine Early Warning Systems Network, om regio's te identificeren waar de voedselproductie is beperkt door droogte. Die samenwerking duurt vandaag voort. Met schattingen van de regenval, vegetatie metingen, evenals de recente toevoeging van informatie over bodemvocht, NASA-wetenschappers kunnen organisaties zoals USAID helpen met directe noodhulp.

Met verbeterde gegevens van Landsat, de MODIS-instrumenten op NASA's Terra- en Aqua-ruimtevaartuigen en andere satellieten, en door gegevens van meerdere sensoren te combineren, onderzoekers kunnen nu de groei van gewassen in individuele velden volgen, zei Tucker.

"Dit verschuift de zaken naar de veldgroottes voor waarschijnlijk 80 procent van de velden wereldwijd - dit is een enorme vooruitgang, ' zei Tucker.

Het uitzicht vanuit de ruimte helpt niet alleen om gewassen te volgen, maar kan ook helpen bij het verbeteren van landbouwpraktijken. Een wijnmakerij in Californië, bijvoorbeeld, gebruikt individuele pixels van Landsat-gegevens om te bepalen wanneer te irrigeren en hoeveel water te gebruiken.

De volgende stap voor NASA-wetenschappers is eigenlijk kijken naar het proces van fotosynthese vanuit de ruimte. Wanneer planten dat chemische proces ondergaan, een deel van de geabsorbeerde energie fluoresceert zwak terug, merkt Joanna Joiner op, een NASA Goddard-onderzoeker. Met satellieten die signalen detecteren in de zeer specifieke golflengten van deze fluorescentie, en een verfijnde analysetechniek die achtergrondsignalen blokkeert, Joiner en haar collega's kunnen zien waar en wanneer planten zonlicht gaan omzetten in suikers.

"Het was een soort openbaring dat ja, je kunt het meten, " zei Joiner. Een vroege studie keek naar de U.S. Corn Belt en ontdekte dat het fluoresceert "als een gek, " zei ze. "Die planten hebben op hun hoogtepunt enkele van de hoogste fluorescentiesnelheden op aarde."

Joiner en Tucker gebruiken zowel de fluorescentiegegevens als de vegetatie-indexen om zo veel mogelijk informatie te krijgen over plantengroei op regionale en mondiale schaal:"Een van de grote vragen die nog rest, is hoeveel koolstof de planten opnemen, waarom verschilt het van jaar tot jaar, en welke gebieden bijdragen aan die variabiliteit, "Joiner zei

Of het nu gaat om gewassen, bossen of fytoplanktonbloei, NASA-wetenschappers volgen het leven op aarde. Net zoals satellieten onderzoekers helpen de atmosfeer te bestuderen, regenval en andere fysieke kenmerken van de planeet, het steeds betere zicht van bovenaf zal hen in staat stellen om het onderling verbonden leven van de planeet te bestuderen, zei Veldman.

"Dit is het vermogen waarmee we kunnen begrijpen hoe de biologie van de aarde reageert op een veranderende planeet, " hij zei.