De florestas tropicais a terras agrícolas, florestas boreais a manguezais, A NASA terá um novo olhar sobre a vegetação terrestre em nosso planeta vivo nos próximos dois anos, com vários instrumentos exclusivos no espaço. As missões ajudarão os cientistas a investigar o papel das plantas nos ciclos globais de carbono e água da Terra.

Desde a década de 1970, A NASA estudou a vida do espaço com satélites como o Landsat, Terra, Aqua e a parceria nacional de órbita polar Suomi da NASA / NOAA. Os cientistas usaram esses dados junto com observações de espaçonaves internacionais para conduzir uma ampla gama de pesquisas, desde a detecção da expansão das florestas para o norte no Ártico até o monitoramento de como as áreas queimadas se recuperam dos incêndios florestais.

Geralmente, os instrumentos atualmente em órbita fazem seu trabalho detectando a luz do sol refletida na superfície da Terra, como uma câmera faz. Mas os novos instrumentos que estão sendo lançados nos próximos dois anos terão um novo, abordagem mais ativa para investigar novas questões sobre a vegetação e como ela está mudando. Duas dessas missões da NASA usarão instrumentos a laser que medem a altura das árvores, enquanto um terceiro monitorará a temperatura para fornecer informações sobre a saúde das plantas.

Medidas a laser de árvores

Embora a extensão global desses ecossistemas tenha sido mapeada a partir de imagens de satélite, os mapas existentes não podem determinar a altura dessas árvores, ou a estrutura de suas copas, isto é, a terceira dimensão.

Duas missões usarão lasers transportados pelo espaço para medir a altura das árvores:um instrumento montado na Estação Espacial Internacional, denominado Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI); e um satélite chamado Ice, Nuvem e Terra Elevação Satélite-2 (ICESat-2), que se concentrará na medição de neve e gelo, mas também medirá as florestas do planeta. Com dados fluindo de ambos os instrumentos, os cientistas planejam desenvolver um mapa tridimensional da vegetação da Terra.

Conhecendo a extensão das florestas a partir de mapas existentes, bem como as alturas do dossel dos novos instrumentos, os pesquisadores serão então capazes de estimar quanta matéria vegetal - e, portanto, quanto carbono - está presente. À medida que as árvores crescem, eles absorvem carbono da atmosfera, tornando as florestas um jogador-chave no ciclo global do carbono. Hora extra, essas missões podem ajudar a dar aos cientistas pistas sobre quanto carbono está sendo absorvido pelas florestas em crescimento, e como está sendo liberado na atmosfera por meio de incêndios florestais e desmatamento.

"Combinando ICESat-2 com GEDI, vamos ter uma nova visão do estado da biosfera em nosso planeta, "disse Tom Neumann, o vice-cientista do projeto ICESat-2 no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland.

Para Ralph Dubayah, Investigador principal do GEDI da Universidade de Maryland, a missão GEDI vai responder a perguntas sobre a biomassa das árvores em uma determinada região, e o impacto do desmatamento e reflorestamento na quantidade de dióxido de carbono na atmosfera. O GEDI também quantificará como o arranjo vertical de folhas e galhos em uma floresta afeta a qualidade do habitat e a biodiversidade.

Embora ambas as missões usem a tecnologia de detecção e alcance de luz (LIDAR), que é como um radar, mas com luz laser em vez de ondas de rádio - o instrumento GEDI usará um comprimento de onda próximo ao infravermelho. Esta região de comprimento de onda é ideal para medir a vegetação porque reflete nas folhas, e uma parte dessa luz refletida retorna ao sensor. Os pulsos emitidos por lasers infravermelhos também podem penetrar melhor através das copas das árvores para refletir no solo, que é uma medida necessária para determinar a altura das árvores.

A equipe do GEDI tem trabalhado para otimizar a largura de pulso do seu sistema, Comprimento de onda, padrão de amostragem e tamanho da pegada para cobrir o maior número possível de áreas florestais. Os três lasers do GEDI irão pulsar 242 vezes por segundo, amostragem de 10 trilhas de laser espalhadas por uma faixa de 6 quilômetros na superfície da Terra. Porque GEDI voará na Estação Espacial Internacional, seu caminho orbital se concentrará na latitude média da Terra e nas regiões tropicais, onde a grande maioria do carbono florestal é armazenada.

ICESat-2, orbitando pólo a pólo, irá reunir dados sobre as camadas de gelo da Terra, gelo marinho e geleiras com sua cobertura quase global. Em vez de usar luz infravermelha próxima, O instrumento do Sistema Altímetro Topográfico a Laser Avançado (ATLAS) do ICESat-2 usará verde, luz visível. ATLAS tem dois lasers, apenas um opera de cada vez. O laser não operacional é um sobressalente integrado. O laser operacional irá pulsar 10, 000 vezes por segundo e gerar seis faixas. À medida que viaja pelas latitudes médias, os cientistas usarão o ATLAS para medir regiões específicas de vegetação, complementando as medições GEDI e criando um mapa tridimensional mais completo da vegetação terrestre.

Os fótons, ou partículas de luz, dos lasers verdes do ICESat-2 refletirão tudo o que estiver abaixo deles, incluindo as copas das árvores, ramos e folhas, e - se houver espaço aberto no dossel - fora do solo.

"Se você puder separar esses dois - os fótons refletidos do solo, dos fótons refletidos do topo das árvores - você pode medir a altura das árvores, o que é muito legal, "Neumann disse. No entanto, nem sempre é possível separar as copas das árvores do chão da floresta, especialmente com um comprimento de onda visível.

"Se a copa das árvores for muito densa, não podemos ver o chão, então você não pode medir a altura da árvore, "Neumann disse." Se a copa das árvores for muito esparsa, não podemos ver as árvores porque é uma árvore no meio de um campo, e suas chances de acertar aquela única árvore não são tão boas. "

Como os lasers do GEDI operam em infravermelho próximo, e tem poder suficiente para penetrar em florestas densas a cada tiro, o instrumento pode medir com mais precisão a estrutura da floresta, mesmo em áreas com uma copa densa.

As medições de vegetação do GEDI ajudarão a fechar uma lacuna crítica em nosso entendimento atual de como o carbono é armazenado e emitido ao longo do tempo por florestas e outros ecossistemas. O processo desempenha um papel importante, em última análise, em quanto dióxido de carbono se acumula na atmosfera.

"O objetivo central da ciência do GEDI é fornecer os dados pelos quais possamos abordar precisamente esta questão, "Dubayah disse." GEDI é o primeiro lidar a voar que foi otimizado para medições de vegetação. "

Armado com esta informação, os cientistas serão capazes de fazer um trabalho muito melhor prevendo as concentrações de dióxido de carbono atmosférico no futuro, ele disse, e na compreensão do papel das atividades humanas no ciclo do carbono.

As nuvens são outro obstáculo para as missões ICESat-2 e GEDI. Em qualquer dia, A Terra está cerca de 50% coberta por nuvens. Então, em vez de medir o topo das árvores, esses sistemas baseados em lidar irão medir os topos das nuvens que refletem o pulso de laser. Ter dois sistemas de medição da vegetação ajudará a preencher essas lacunas de dados nebulosos. Ao combinar os dados, os cientistas terão uma visão melhor da situação da vegetação da Terra.

Embora as duas missões sejam otimizadas para diferentes objetivos científicos, eles trabalharão juntos para criar um mapa de altura mais preciso da vegetação da Terra - um conjunto de dados que pode ajudar a responder às perguntas de Dubayah.

Medindo a temperatura das plantas

Saber quanta vegetação está presente na Terra não indica se essa vegetação é saudável ou não. Como a vegetação muda devido a tensões causadas pela disponibilidade de água é a questão científica chave a ser tratada pelo ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station (ECOSTRESS).

À medida que as plantas absorvem dióxido de carbono para a fotossíntese, eles liberam água através da evapotranspiração de seus poros foliares, o que os ajuda a se refrescar no sol quente, tanto quanto o suor humano nos esfria. E assim como os humanos, se as plantas não recebem água suficiente, eles podem superaquecer.

Os poros da planta abrem e fecham em resposta ao estresse térmico e à disponibilidade de água. Quando eles estão abertos, as plantas absorvem dióxido de carbono e perdem água. Quando eles estão fechados, as plantas param de absorver dióxido de carbono (ou seja, crescendo), mas também para de perder água. Se sabemos que as plantas estão perdendo água, sabemos que eles estão absorvendo dióxido de carbono, e vice versa. Os dados do ECOSTRESS ajudarão os cientistas a entender a absorção total de dióxido de carbono pelas plantas ao longo de um dia normal. Por exemplo, se for uma tarde quente e seca, algumas plantas podem interromper o uso de água e a captação de dióxido de carbono à tarde. ECOSTRESS será capaz de detectar esses tipos de respostas. Os atuais satélites em órbita polar podem fornecer apenas um único instantâneo da captação de dióxido de carbono e liberação de água a cada dia, na mesma hora do dia, portanto, os cientistas precisam estimar como esse instantâneo único se traduz ao longo do dia inteiro.

O ECOSTRESS medirá as temperaturas das plantas do espaço para detectar a natureza de resfriamento da água evaporada pelas plantas, ou a falta dela. Ele nos dirá quanta água as diferentes plantas usam e precisam e como elas reagem aos estresses ambientais causados ​​pela escassez de água. Além de seus objetivos científicos do ciclo do carbono e da água, também estudará como a biosfera terrestre da Terra está respondendo às mudanças na disponibilidade de água.

De sua posição orbital única, ECOSTRESS observará o mesmo local na Terra a cada poucos dias em diferentes horas do dia por um mínimo de um ano, permitindo que os cientistas rastreiem as mudanças na dinâmica da água da planta ao longo de um dia típico.

"ECOSTRESS permitirá uma investigação detalhada sobre o uso da água da planta ao longo do dia, "disse Josh Fisher, o líder científico da missão no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia. "Além disso, poderemos entender melhor como certas regiões estão sendo afetadas pela seca. Isso pode ter implicações importantes para o manejo de florestas ou sistemas agrícolas. "

O ECOSTRESS também fornecerá informações importantes sobre as ligações entre os ciclos da água e do carbono da Terra, identificando quais áreas do nosso planeta requerem mais ou menos água para a quantidade de dióxido de carbono que absorvem.

O investigador principal da ECOSTRESS, Simon Hook, do JPL, começou a desenvolver o radiômetro infravermelho térmico para a ECOSTRESS há vários anos. ECOSTRESS rastreará a energia usada na evaporação da água em combinação com outros fatores que afetam a evaporação, como temperatura e umidade.

Os dados do ECOSTRESS serão usados ​​por ecologistas, hidrologistas, meteorologistas e outros cientistas, bem como as comunidades agrícolas e de gestão de água. Na verdade, a equipe científica do ECOSTRESS inclui cientistas do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos. Ele coletará dados em pixels medindo um pouco mais de 200 pés (70 metros) de lado, mais ou menos do tamanho de um grande quintal, pequena fazenda ou parte de uma grande fazenda. Essa escala de informações também pode ser útil para pesquisas de aplicações sobre os efeitos das secas na vegetação natural; por exemplo, para identificar quais tipos de árvores são mais vulneráveis ​​à morte primeiro.

A NASA e seus parceiros estão planejando ainda mais missões futuras nos próximos anos para avançar o que sabemos sobre os ecossistemas da Terra. Por exemplo, a agência está fazendo parceria com a Organização de Pesquisa Espacial da Índia para desenvolver a missão NASA ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) que fornecerá rotineiramente observações sistemáticas da terra e das superfícies cobertas de gelo pelo menos duas vezes a cada 12 dias, permitindo uma maior compreensão científica dos processos dinâmicos que impulsionam o sistema terrestre e os perigos naturais, bem como fornecer suporte acionável para resposta a desastres e recuperação.

NISAR complementará GEDI, ICESat-2 e ECOSTRESS. Com sua capacidade de ver através das nuvens, será capaz de ajudar a medir a quantidade de carbono armazenado nas florestas, a perda de florestas devido à perturbação, e a extensão das áreas agrícolas e áreas úmidas em todo o globo.