Amazonasbassängen, hem till den största regnskogen i världen, spelar en avgörande roll för att upprätthålla planetens koldioxidbudget, absorberar och lagrar miljarder ton koldioxid årligen. Men en vändpunkt hägrar vid horisonten - en som kan göra en av dessa livsviktiga kolsänkor till en av de största källorna till koldioxid på planeten.

Genom att "lukta på skogen, "Ett Harvard-ledt team av forskare försöker mäta hur och när det kan hända.

När planeten värms, torka, löpeld och förändrade vädermönster hotar cirka 400 miljarder träd i Amazonas, varav några redan är i fara från avverkning och gruvdrift. När träd skadas - eller dödas - sönderfaller de och släpper ut kol i atmosfären.

"Klimatförändring, liksom avskogning av människor och biomassaförbränning, kan leda till ekologiska och klimatiska tipppunkter som kan släppa massiva pooler av lagrat kol, sa Scot Martin, Gordon McKay -professor i miljövetenskap och teknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och professor i jord- och planetvetenskap vid Institutionen för jord- och planetvetenskap.

Frågan är:hur vet vi när vi närmar oss den där vändpunkten?

Martin, med ett internationellt team av forskare och samarbetspartners från Amazonas State University (UEA) och Amazonas State Research Support Foundation (FAPEAM), har utvecklat ett system för tidig upptäckt för att övervaka förändringar i Amazonas.

Martins forskning syftar till att bättre förstå hur Amazonas reagerar på stress. I ett pågående projekt, finansierad av Harvard University's Climate Change Solutions Fund (CCSF), Martin och hans team kartlägger och övervakar de unika kemiska signalerna från träd som kallas flyktiga organiska föreningar (VOC).

Vi har alla avkänt VOC - det är vad du luktar i nyligen klippt gräs eller går genom en tallskog. Som mänskliga feromoner, VOC hjälper växter att interagera med organismer runt omkring dem. De lockar insekter för pollinering och fröspridning, svara på påfrestningar, och till och med skicka varningsskyltar till angränsande växter som rovdjur attackerar. Varje växtart avger en annan VOC -signatur - som ett fingeravtryck - som kan ändras baserat på säsongen eller om växten är under press från, till exempel, torka eller översvämning.

"Skogar kan tala till oss genom VOC, "sade Martin." Översättning av dessa signaler kan leda till en kvantitativ förståelse för hur skogens ekosystem reagerar på klimatstress och klimatförändringar. "

Men det finns stora utmaningar att samla in data om VOC. Först, Amazonas regnskog täcker svindlande 550 miljoner hektar. Inom den massiva biomen finns tusentals mindre ekosystem, var och en med sin egen biologiska mångfald och VOC -signaler.

Flygplan kan täcka stora avstånd men kan inte flyga tillräckligt lågt för att samla VOC -prover, som når höjder på cirka en kilometer eller mindre ovanför taket. Torn kan känna på rätt höjd men bara för det lokala ekosystemet.

För att överbrygga denna kanjon av data, Martin och hans team vänder sig till drönare.

"Det som gör drone-baserade sensorer så spännande är att de erbjuder möjligheten att samla in data i outforskade skalor, "sa Martin." Detta kan leda till revolutionerande insikter i Amazonas ekosystem under klimatstress och förväntade förändringar i klimat och biologisk mångfald. "

Den här sommaren, laget reste djupt in i Amazonas för att testa en VOC -provtagningsprototyp som utvecklats av Daniel Wang S.B. '17 för sin seniordesignavhandling. Prototypen, en liten provlåda fäst direkt på en drönare, drar in luft från den omgivande miljön och passerar den genom provtagningsrör som fångar VOC -molekyler. Under ledning av rådgivarna Martin och Karena McKinney, Associate in Environmental Science &Engineering, Wang använde lätta material som tål höga djungeltemperaturer och luftfuktighet.

Testet blev en succé.

"Instrumentet fungerade felfritt, sa Wang.

Teamet lanserade prototypen från ett torn som ligger i Manaus botaniska trädgård (MUSA). Teamet testade drönarens räckvidd och gränser, skicka den till specifika GPS -punkter upp till en kilometer från tornet. Drönaren samlade prover på olika höjder och specifika punkter längs vägen, och återvände hem varje gång.

"Upplevelsen av att vara i djungeln, med en enhet som jag designat på en bänk på Harvard, var otroligt, "sa Wang." Vi kunde flyga denna teknik till tidigare outforskade utrymmen och samla prover som förhoppningsvis kommer att berätta mer om djungelns kemiska fingeravtryck. "

Med finansiering från CCSF, Martin och hans team av brasilianska samarbetspartners kommer att fortsätta utvecklas, testa och flyga VOC -samplingsdrönare ovanför Amazonas.

Teamet flyger för närvarande med drönare över olika typer av skogar, inklusive låglänta vattendränkta regioner och skogar med högre terrafirma, att utveckla en databas med VOC -fingeravtryck under normala förhållanden. Efter det, samma skogar kommer att övervakas under stressiga tider under den våta och torra säsongen för att lära sig hur VOC -fingeravtryck förändras.

Martin och Harvard -teamet besöker Amazonas ett halvt dussin gånger om året.

Medan Martin är tillbaka på Harvard, hans brasilianska medarbetare - fyra doktorander vid UEA - fortsätter att utveckla drönare och sampler -teknik och VOC -analystekniker.

Detta samarbete är nyckeln till projektets framgång.

"Jag tror på iterativ framgång, "sa Martin." Vem som helst kan bli expert efter 100 rundor av feedback. Genom UEA- och FAPEAM -samarbetet med SEAS, de lokala UEA -doktoranderna kan utföra en flyg- och VOC -analys var 24 till 48 timmar. Så, inom ett halvt år, du har det bästa laget på planeten som gör dessa flygningar. Utan det samarbetet, det skulle ta Harvard -teamet ett decennium att bygga den expertisen. Så, detta samarbete är bra inte bara för vetenskap som är relevant för mänskligheten utan också för det kombinerade teamet av studenter, postdoktorer, och lärare i samarbetet UEA-FAPEAM-SEAS. "