NASA-satelliter kan se vår levande jord andas.

På norra halvklotet, ekosystem vaknar på våren, ta in koldioxid och andas ut syre när de spirar löv-och en flotta av jordobservativa satelliter spårar spridningen av den nygröna vegetationen.

Under tiden, i haven, mikroskopiska växter driver genom det solbelysta ytvattnet och blommar ut i miljarder av koldioxidabsorberande organismer – och ljusdetekterande instrument på satelliter kartlägger virvlarna i deras färg.

I höst är det 20 år sedan NASA kontinuerligt har observerat inte bara de fysiska egenskaperna hos vår planet, men det enda som gör jorden unik bland de tusentals andra världar vi har upptäckt:livet.

Satelliter mätte liv på land och i havet från rymden redan på 1970-talet. Men det var inte förrän lanseringen av Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) 1997 som rymdorganisationen startade vad som nu är en kontinuerlig, global syn på livet på både land och hav. En ny animation fångar hela detta 20-åriga rekord, möjliggjort av flera satelliter, komprimera en decennier lång syn på livet på jorden till ett fängslande par minuter.

"Det här är otroligt suggestiva visualiseringar av vår levande planet, sa Gene Carl Feldman, en oceanograf vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Det är jorden, det är att andas varje dag, förändras med årstiderna, svarar på solen, till de växlande vindarna, havsströmmar och temperaturer. "

Den rymdbaserade synen på livet gör det möjligt för forskare att övervaka skörden, skog och fiskehälsa runt om i världen. Men rymdorganisationens forskare har också upptäckt långsiktiga förändringar över kontinenter och havsbassänger. När NASA börjar sitt tredje decennium av globala hav- och landmätningar, dessa upptäckter pekar på viktiga frågor om hur ekosystemen kommer att reagera på ett förändrat klimat och storskaliga förändringar i mänsklig interaktion med marken.

Satelliter har mätt att Arktis blir grönare, eftersom buskar utökar sitt utbud och trivs i varmare temperaturer. Observationer från rymden hjälper till att bestämma jordbruksproduktion globalt, och används för att upptäcka tidig varning för hungersnöd. När havsvattnet blir varmt, satelliter har upptäckt en förändring i växtplanktonpopulationer över planetens fem stora havsbassänger - expansionen av "biologiska öknar" där lite liv frodas. Och när koncentrationerna av koldioxid i atmosfären fortsätter att stiga och värma upp klimatet, NASA:s globala förståelse av växtliv kommer att spela en avgörande roll för att övervaka kol när det rör sig genom jordsystemet.

Livet på jorden, från rymden

För sextio år sedan, människor var inte säkra på att jordens yta kunde ses tydligt från rymden. Många trodde att dammpartiklarna och andra aerosoler i atmosfären skulle sprida ljuset, maskerar haven och kontinenterna, sa Jeffrey Masek, chef för Biospheric Sciences Laboratory vid NASA Goddard.

Gemini- och Apollo-programmen visade något annat. Astronauter använde specialiserade kameror för att ta bilder av jorden som visar skönheten och komplexiteten hos vår levande planet, och hjälpte till att kickstarta eran av jordvetenskaplig forskning från rymden. 1972, det första Landsat-uppdraget började sin 45-åriga rekord av vegetation och marktäcke.

"När satellitarkivet expanderar, du ser mer och mer dynamik växa fram, ", sa Masek. "Vi kan nu titta på långsiktiga trender."

Gräsmarkerna i Senegal, till exempel, genomgår drastiska säsongsförändringar. Gräs och buskar frodas under regnperioden från juni till november, torka sedan upp när regnet slutar. Med tidiga vädersatellitdata på 1970- och 80-talen, NASA Goddard-forskaren Compton Tucker kunde se det gröna och dö tillbaka från rymden, mätning av klorofyll i växterna nedan. Han utvecklade ett sätt att jämföra satellitdata från två våglängder, vilket ger ett kvantitativt mått på denna grönhet som kallas Normalized Difference Vegetation Index.

"Vi blev förvånade när vi såg de första bilderna. De var fantastiska eftersom de visade hur vegetationen förändrades årligen, år efter år, " sa Tucker, noterade att andra också blev förvånade när studien kom ut 1985. "När vi producerade den här artikeln, folk anklagade oss för att "måla efter siffror, ' eller fuska data. Men för första gången, du kan studera vegetation från rymden baserat på deras fotosyntetiska kapacitet. "

När temperaturen är rätt, och vatten och solljus är tillgängligt, växter fotosyntetiserar och producerar vegetativt material. Blad absorberar starkt blått och rött ljus men reflekterar nära-infrarött ljus tillbaka i rymden. Genom att jämföra förhållandet mellan rött och nära-infrarött ljus, Tucker och hans kollegor kunde kvantifiera växtligheten som täcker landet.

Utöka dessa observationer till resten av världen, forskarna kunde spåra inverkan på växter av regn- och torrperioder på andra håll i Afrika, se vårens blomningar i Nordamerika, och efterverkningarna av skogsbränder i skogar över hela världen.

Men mark är bara en del av historien. Vid basen av havets näringsväv finns växtplankton – små organismer som, som landväxter, förvandla vatten och koldioxid till socker och syre, med hjälp av rätt kombination av näringsämnen och solljus.

Satelliter som kan övervaka de subtila förändringarna i havets färg har hjälpt forskare att spåra förändringar i växtplanktonpopulationer över hela världen. Den första synen på havets färg kom från Coastal Zone Color Scanner, ett proof-of-concept-instrument som lanserades 1979. Kontinuerliga observationer av havets färg började med uppskjutningen av SeaWIFS i slutet av 1997. Satelliten var precis i tid för att fånga övergången från El Niño till La Niña-förhållandena 1998 – vilket avslöjade hur snabbt och växtplankton reagerar dramatiskt på förändrade havsförhållanden.

"Hela östra Stilla havet, från Sydamerikas kust hela vägen till datumlinjen, övergått från vad som motsvarade en biologisk öken till en blomstrande regnskog. Och vi såg det hända i realtid, " sa Feldman. "För mig, det var den första demonstrationen av kraften i denna typ av observation, att se hur havet reagerar på en av de mest betydande miljöstörningar det kan uppleva, under loppet av bara några veckor. Det visade också att havet och allt liv i det är otroligt motståndskraftigt - om det ges en halv chans."

Spåra förändring från satelliter

Med 20 år av satellitdata som spårar havets växtliv på global skala, forskare undersöker hur livsmiljöer och ekosystem reagerar på förändrade miljöförhållanden.

Nyligen genomförda studier av havets liv har visat att en långsiktig trend med stigande havstemperaturer gör att havsregioner som kallas "biologiska öknar" expanderar. Dessa regioner med låg växtplanktontillväxt förekommer i mitten av stora, långsamma strömmar som kallas gyres.

"När ytvattnet blir varmt, det skapar en starkare gräns mellan djupet, kall, näringsrika vatten och det solbelysta, i allmänhet näringsfattiga ytvatten, "Sa Feldman. Detta förhindrar näringsämnen från att nå växtplankton vid ytan, och kan få betydande konsekvenser för fisket och det marina ekosystemet.

I Ishavet, en explosion av växtplankton indikerar förändring. När säsongsbetonad havsis smälter, värmande vatten och mer solljus utlöser plötsligt, massiv växtplanktonblomning som matar fåglar, sjölejon och nykläckta fiskar. Men med stigande atmosfärstemperaturer, den blomningen sker nu flera veckor tidigt - innan djuren är på plats för att dra nytta av den.

"Det är inte bara mängden mat, det är platsen och tidpunkten som är lika avgörande, "Sa Feldman." Vårblomningen kommer tidigare, och det kommer att påverka ekosystemet på sätt som vi ännu inte förstår. "

Klimatet värms upp snabbast i arktiska områden, och påverkan på land är synliga från rymden också. Tundran i västra Alaska, Quebec och på andra håll blir grönare när buskar förlänger sin räckvidd norrut.

De närliggande norra skogarna förändras också. Massiva bränder 2004 och 2015 utplånade miljontals hektar skog i Alaska, inklusive granskogar, noterade Chris Potter, en forskare vid NASA:s Ames Research Center i Kaliforniens Silicon Valley.

"De här bränderna var fantastiska i mängden skogsområde de brände och hur heta de brann, " sade Potter. "När lufttemperaturen når 90 grader Fahrenheit i slutet av maj där uppe, och alla dessa blixtnedslag inträffade, skogen brann mycket omfattande — nära floder, nära byar - och ingenting kunde stoppa det."

Satelliter hjälper forskare att rutinmässigt kartlägga bränder, avskogning och andra förändringar, och analysera deras inverkan på kolets kretslopp, sa Potter. Jättebränder släpper ut många ton koldioxid i atmosfären, både från de förkolnade träden och mossa men också, speciellt på nordliga breddgrader, från jordarna. Potter och kollegor åkte till de brända områdena i centrala Alaska i år för att mäta den underliggande permafrosten – det tjocka mossiga lagret hade brunnit av, exponera de tidigare frusna jordarna.

"Det är som att ta bort det isolerande lagret från en kylare, " sa han. "Isen smälter under och det blir en slaskig röra."

Skogstyper kan också förändras, oavsett om det är efter skogsbränder, insektsangrepp eller annan störning. Alaskanska granskogarna ersätts med björk. Potter och hans kollegor håller också ett öga på Kaliforniens skogar som bränts i de senaste bränderna, där oron är att tallar ska ersättas av ekar.

"När torkan accentueras med dessa rekordhöga temperaturer, inget bra verkar komma från det för den befintliga skogstypen, "sade han." Jag tror att vi ser riktiga tydliga bevis på att klimatet orsakar förändringar i marköverdraget. "

Håller ett öga på grödor

Förändrade temperaturer och nederbördsmönster påverkar också grödor, oavsett om de odlas i Kalifornien eller Afrika. Mätningen "grönhet" som forskare använder för att mäta skogar och gräsmarker kan också användas för jordbruk, att övervaka fältens hälsa under hela växtsäsongen.

Forskare och beslutsfattare insåg tidigt denna potential. En av de första tillämpningarna av Landsat-data på 1970-talet var att förutsäga spannmålsavkastning i Ryssland och bättre förstå råvarumarknaderna. 1985, livsmedelssäkerhetsanalytiker från USAID kontaktade NASA för att införliva satellitbilder i deras Hunger Early Warning Systems Network, att identifiera regioner där livsmedelsproduktionen har begränsats av torka. Det partnerskapet fortsätter idag. Med uppskattningar av nederbörd, vegetationsmätningar, såväl som det senaste tillägget av information om markfuktighet, NASA-forskare kan hjälpa organisationer som USAID direkt akut hjälp.

Med förbättrad data från Landsat, MODIS -instrumenten på NASA:s rymdfarkoster Terra och Aqua och andra satelliter, och genom att kombinera data från flera sensorer, forskare kan nu spåra tillväxten av grödor på enskilda fält, Sa Tucker.

"Detta flyttar saker ner till fältstorlekarna för förmodligen 80 procent av fälten globalt - det här är ett stort framsteg, sa Tucker.

Utsikten från rymden hjälper inte bara att övervaka grödor, men kan också bidra till att förbättra jordbruksmetoderna. En vingård i Kalifornien, till exempel, använder enskilda pixlar av Landsat-data för att avgöra när man ska bevattna och hur mycket vatten som ska användas.

Nästa steg för NASA-forskare är faktiskt att titta på processen för fotosyntes från rymden. När växter genomgår den kemiska processen, en del av den absorberade energin fluorescerar svagt tillbaka, konstaterar Joanna Joiner, en forskare från NASA Goddard. Med satelliter som upptäcker signaler i de mycket specifika våglängderna för denna fluorescens, och en finjusterad analysteknik som blockerar bakgrundssignaler, Joiner och hennes kollegor kan se var och när växter börjar omvandla solljus till sockerarter.

"Det var en slags uppenbarelse att ja, du kan mäta det, " Sa Joiner. En tidig studie tittade på U.S. Corn Belt och fann att det fluorescerar "som en galning, " sa hon. "Dessa växter har några av de högsta fluorescenshastigheterna på jorden när de är som mest."

Joiner och Tucker använder både fluorescensdata och vegetationsindex för att få så mycket information som möjligt om växttillväxt på regional och global skala:"En av de stora frågorna som fortfarande återstår är hur mycket kol växterna tar upp, varför varierar det från år till år, och vilka områden som bidrar till denna variation, " sa Joiner

Oavsett om det är grödor, skogar eller växtplanktonblomningar, NASA-forskare spårar livet på jorden. Precis som satelliter hjälper forskare att studera atmosfären, regn och andra fysiska egenskaper hos planeten, den ständigt förbättrade utsikten från ovan kommer att tillåta dem att studera planetens sammanlänkade liv, sa Feldman.

"Detta är förmågan som gör att vi kan förstå hur jordens biologi reagerar på en föränderlig planet, " han sa.