Van regenwouden tot akkers, boreale bossen tot mangroven, NASA zal de komende twee jaar met verschillende unieke instrumenten in de ruimte een nieuwe kijk op de terrestrische vegetatie op onze levende planeet werpen. De missies zullen wetenschappers helpen de rol van planten in de wereldwijde koolstof- en watercycli van de aarde te onderzoeken.

Sinds de jaren zeventig, NASA heeft het leven vanuit de ruimte bestudeerd met satellieten zoals Landsat, Terra, Aqua en NASA/NOAA's Suomi National Polar-Orbiting Partnership. Wetenschappers hebben deze gegevens samen met observaties van internationale ruimtevaartuigen gebruikt om een ​​breed scala aan onderzoek uit te voeren, van het detecteren van noordwaartse uitbreiding van bossen in het noordpoolgebied tot het monitoren van hoe verbrande gebieden herstellen van bosbranden.

Over het algemeen, de instrumenten die momenteel in een baan om de aarde zijn, doen hun werk door zonlicht te detecteren dat wordt weerkaatst door het aardoppervlak, zoals een camera doet. Maar de nieuwe instrumenten die de komende twee jaar worden gelanceerd, zullen een nieuwe, actievere benadering om nieuwe vragen over vegetatie en hoe deze verandert te peilen. Twee van deze NASA-missies zullen laserinstrumenten gebruiken die de hoogte van bomen zullen meten, terwijl een derde de temperatuur in de gaten houdt om inzicht te krijgen in de plantgezondheid.

Lasermetingen van bomen

Hoewel de wereldwijde omvang van die ecosystemen in kaart is gebracht op basis van satellietbeelden, bestaande kaarten kunnen niet bepalen hoe hoog die bomen zijn, of de structuur van hun luifels - dat wil zeggen, de derde dimensie.

Twee missies zullen ruimtelasers gebruiken om de hoogte van bomen te meten:een instrument dat op het internationale ruimtestation ISS is gemonteerd, het Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) genoemd; en een satelliet genaamd het ijs, Cloud en land Elevation Satellite-2 (ICESat-2), dat zich zal richten op het meten van sneeuw en ijs, maar zal ook de bossen van de planeet meten. Met data die van beide instrumenten binnenstromen, wetenschappers zijn van plan een driedimensionale kaart van de vegetatie op aarde te ontwikkelen.

Door de omvang van bossen te kennen op bestaande kaarten, evenals de hoogten van de luifel van de nieuwe instrumenten, onderzoekers kunnen dan inschatten hoeveel plantaardig materiaal - en dus hoeveel koolstof - aanwezig is. Naarmate bomen groeien, ze absorberen koolstof uit de atmosfeer, waardoor bossen een belangrijke speler worden in de wereldwijde koolstofcyclus. Overuren, deze missies kunnen wetenschappers aanwijzingen geven over hoeveel koolstof wordt geabsorbeerd door groeiende bossen, en hoe het door bosbranden en ontbossing in de atmosfeer terechtkomt.

"Door ICESat-2 te combineren met GEDI, we gaan een nieuwe kijk krijgen op de staat van de biosfeer op onze planeet, " zei Tom Neumann, de plaatsvervangend projectwetenschapper voor het ICESat-2-project in het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland.

Voor Ralph Dubayah, GEDI's hoofdonderzoeker van de Universiteit van Maryland, de GEDI-missie zal vragen beantwoorden over de biomassa van bomen in een bepaalde regio, en de impact van ontbossing en herbebossing op de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer. GEDI zal ook kwantificeren hoe de verticale opstelling van bladeren en takken in een bos de habitatkwaliteit en biodiversiteit beïnvloedt.

Hoewel beide missies gebruik maken van lichtdetectie- en bereiktechnologie (LIDAR), wat vergelijkbaar is met radar, maar met laserlicht in plaats van radiogolven - het GEDI-instrument zal een nabij-infrarode golflengte gebruiken. Dit golflengtegebied is optimaal om vegetatie te meten omdat het weerkaatst op bladeren, en een deel van dit gereflecteerde licht keert terug naar de sensor. De pulsen die worden uitgezonden door nabij-infraroodlasers kunnen ook beter doordringen door boomkruinen om van de grond te reflecteren, wat een noodzakelijke meting is voor het bepalen van de hoogte van bomen.

GEDI's team heeft gewerkt aan het optimaliseren van de pulsbreedte van het systeem, golflengte, bemonsteringspatroon en voetafdrukgrootte om zoveel mogelijk beboste gebieden te bestrijken. GEDI's drie lasers zullen 242 keer per seconde pulseren, bemonstering van 10 lasersporen verspreid over een strook van 6 kilometer op het aardoppervlak. Omdat GEDI op het internationale ruimtestation zal vliegen, zijn baan zal zich concentreren op de middelste breedtegraden en tropische regio's van de aarde, waar de overgrote meerderheid van de boskoolstof wordt opgeslagen.

ICESat-2, van pool tot pool ronddraaiend, zal gegevens verzamelen over de ijskappen van de aarde, zee-ijs en gletsjers met zijn bijna wereldwijde dekking. In plaats van nabij-infrarood licht te gebruiken, Het ATLAS-instrument (Advanced Topographic Laser Altimeter System) van ICESat-2 zal groene, zichtbaar licht. ATLAS heeft twee lasers, waarvan er slechts één tegelijk werkt. De niet-werkende laser is een reserve aan boord. De werkende laser pulseert 10, 000 keer per seconde en genereert zes tracks. Terwijl het over de middelste breedtegraden reist, wetenschappers zullen ATLAS gebruiken om specifieke begroeide regio's te meten, een aanvulling op de GEDI-metingen en het creëren van een completere driedimensionale kaart van de vegetatie op aarde.

de fotonen, of lichtdeeltjes, van ICESat-2's groene lasers zullen weerkaatsen op alles wat zich eronder bevindt, inclusief de toppen van bomen, takken en bladeren, en - als er open ruimte in de overkapping is - van de grond.

"Als je die twee kunt scheiden - de fotonen die door de grond worden weerkaatst, van de fotonen die door de toppen van de bomen worden weerkaatst - je kunt de hoogte van de bomen meten, wat echt gaaf is, " zei Neumann. Echter, het is niet altijd mogelijk om de boomtoppen van de bosbodem te scheiden, vooral met een zichtbare golflengte.

"Als het bladerdak te dicht is, we kunnen de grond niet zien, dus je kunt de boomhoogte niet meten, " zei Neumann. "Als het bladerdak te dun is, we kunnen de bomen niet zien omdat het een boom is in het midden van een veld, en je kansen om die ene boom te raken zijn niet zo goed."

Omdat GEDI's lasers werken in nabij-infrarood, en voldoende kracht hebben om bij elk schot dichte bossen binnen te dringen, het instrument kan de bosstructuur nauwkeuriger meten, zelfs in gebieden met een dicht bladerdak.

De vegetatiemetingen van GEDI zullen een kritieke leemte helpen dichten in ons huidige begrip van hoe koolstof in de loop van de tijd wordt opgeslagen en uitgestoten door bossen en andere ecosystemen. Het proces speelt een grote rol, uiteindelijk, in hoeveel koolstofdioxide zich ophoopt in de atmosfeer.

"Het centrale wetenschappelijke doel van GEDI is om de gegevens te leveren waarmee we deze vraag precies kunnen beantwoorden, "Zei Dubayah. "GEDI is de eerste lidar die ooit heeft gevlogen die is geoptimaliseerd voor vegetatiemetingen."

Gewapend met deze informatie, wetenschappers zullen in de toekomst veel beter kunnen voorspellen wat de concentraties van kooldioxide in de atmosfeer zijn, hij zei, en in het begrijpen van de rol van menselijke activiteiten op de koolstofcyclus.

Wolken vormen een ander obstakel voor zowel de ICESat-2- als de GEDI-missies. Op een willekeurige dag, De aarde is voor ongeveer 50 procent bedekt met wolken. Dus, in plaats van de toppen van bomen te meten, deze op lidar gebaseerde systemen meten de toppen van de wolken die de laserpuls reflecteren. Het hebben van twee systemen voor het meten van vegetatie zal helpen om deze troebele lacunes in de gegevens op te vullen. Door de gegevens te combineren, wetenschappers krijgen een beter beeld van de toestand van de vegetatie op aarde.

Hoewel de twee missies zijn geoptimaliseerd voor verschillende wetenschappelijke doelstellingen, ze zullen samenwerken om een ​​nauwkeurigere hoogtekaart van de vegetatie op aarde te maken - een dataset dan kan helpen bij het beantwoorden van de vragen van Dubayah.

De temperatuur van planten opnemen

Weten hoeveel vegetatie er op aarde aanwezig is, geeft niet aan of die vegetatie al dan niet gezond is. Hoe vegetatie verandert als gevolg van stress veroorzaakt door de beschikbaarheid van water, is de belangrijkste wetenschappelijke vraag die moet worden beantwoord door het ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station (ECOSTRESS).

Omdat planten koolstofdioxide opnemen voor fotosynthese, ze geven water af door verdamping uit hun bladporiën, waardoor ze afkoelen in de hete zon, zoals menselijk zweet ons afkoelt. En net als mensen, als planten niet genoeg water krijgen, ze kunnen oververhit raken.

De plant gaat open en dicht als reactie op hittestress en waterbeschikbaarheid. Als ze open zijn, planten nemen koolstofdioxide op en verliezen water. Als ze gesloten zijn, planten stoppen met het opnemen van kooldioxide (d.w.z. groeien) maar ook geen water meer verliezen. Als we weten dat planten water verliezen, we weten dat ze kooldioxide opnemen, en vice versa. ECOSTRESS-gegevens zullen wetenschappers helpen de totale kooldioxide-opname door planten in de loop van een typische dag te begrijpen. Bijvoorbeeld, als het een hete en droge middag is, sommige planten kunnen 's middags hun watergebruik en kooldioxide-opname stopzetten. ECOSTRESS zal dit soort reacties kunnen detecteren. De huidige polaire satellieten kunnen slechts een enkele momentopname van de opname van koolstofdioxide en het vrijkomen van water per dag geven, op hetzelfde tijdstip van de dag, dus wetenschappers moeten inschatten hoe die eenmalige momentopname zich in de loop van de dag vertaalt.

ECOSTRESS meet planttemperaturen vanuit de ruimte om de verkoelende aard van water te detecteren dat door planten is verdampt, of het ontbreken daarvan. Het zal ons vertellen hoeveel water verschillende planten gebruiken en nodig hebben en hoe ze reageren op omgevingsstress door watertekorten. Naast de wetenschappelijke doelstellingen op het gebied van koolstof en watercyclus, het zal ook bestuderen hoe de terrestrische biosfeer van de aarde reageert op veranderingen in de beschikbaarheid van water.

Van zijn unieke orbitale baars, ECOSTRESS zal gedurende minimaal een jaar om de paar dagen op verschillende tijdstippen van de dag dezelfde plek op aarde observeren, waardoor wetenschappers veranderingen in de dynamiek van plantwater in de loop van een typische dag kunnen volgen.

"ECOSTRESS zal een gedetailleerd onderzoek naar het watergebruik van planten gedurende de dag mogelijk maken, " zei Josh Visser, de wetenschappelijke leiding van de missie bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië. "Verder, we zullen beter begrijpen hoe bepaalde regio's worden beïnvloed door droogte. Dit kan belangrijke implicaties hebben voor het beheer van bossen of landbouwsystemen."

ECOSTRESS zal ook belangrijke inzichten verschaffen in verbanden tussen de water- en koolstofcycli van de aarde door te identificeren welke delen van onze planeet meer of minder water nodig hebben voor de hoeveelheid koolstofdioxide die ze opnemen.

ECOSTRESS hoofdonderzoeker Simon Hook van JPL begon enkele jaren geleden met de ontwikkeling van de thermische infrarood radiometer voor ECOSTRESS. ECOSTRESS volgt de energie die wordt gebruikt bij het verdampen van water in combinatie met andere factoren die de verdamping beïnvloeden, zoals temperatuur en vochtigheid.

ECOSTRESS-gegevens zullen worden gebruikt door ecologen, hydrologen, meteorologen en andere wetenschappers, evenals de landbouw- en waterbeheergemeenschappen. In feite, het wetenschappelijke team van ECOSTRESS bestaat uit wetenschappers van het Amerikaanse ministerie van landbouw. Het verzamelt gegevens op pixels van iets meer dan 200 voet (70 meter) aan een kant, ongeveer de grootte van een grote achtertuin, kleine boerderij of onderdeel van een grote boerderij. Deze informatieschaal kan ook nuttig zijn voor toepassingsonderzoek naar de effecten van droogte op natuurlijke vegetatie; bijvoorbeeld, om te bepalen welke soorten bomen het meest kwetsbaar zijn om als eerste te sterven.

NASA en zijn partners plannen de komende jaren nog meer toekomstige missies om onze kennis over de ecosystemen van de aarde te vergroten. Bijvoorbeeld, het bureau werkt samen met de Indian Space Research Organization om de NASA ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) -missie te ontwikkelen die routinematig ten minste tweemaal per 12 dagen systematische observaties van het land en de met ijs bedekte oppervlakken van de aarde zal bieden, het mogelijk maken van een groter wetenschappelijk begrip van de dynamische processen die het aardsysteem en natuurlijke gevaren aandrijven, evenals het bieden van bruikbare ondersteuning voor respons en herstel bij rampen.

NISAR zal GEDI aanvullen, ICESat-2 en ECOSTRESS. Met zijn vermogen om door wolken te kijken, het zal kunnen helpen bij het meten van de hoeveelheid koolstof die is opgeslagen in bossen, het verlies van bossen door verstoring, en de omvang van landbouwgebieden en waterrijke gebieden over de hele wereld.