Från regnskogar till odlingsmarker, boreala skogar till mangrove, NASA kommer att ta en ny titt på markvegetation över vår levande planet under de kommande två åren med flera unika instrument i rymden. Uppdragen kommer att hjälpa forskare att undersöka växternas roll i jordens globala kol- och vattencykler.

Sedan 1970-talet, NASA har studerat livet från rymden med satelliter som Landsat, Terra, Aqua och NASA/NOAA:s Suomi National Polar-orbiting Partnership. Forskare har använt dessa data tillsammans med observationer från internationella rymdfarkoster för att utföra ett brett utbud av forskning, från att upptäcka norrut expansion av skogar i Arktis till att övervaka hur brända områden återhämtar sig från skogsbränder.

Rent generellt, instrumenten som för närvarande är i omloppsbana gör sitt arbete genom att detektera solljus som reflekteras från jordens yta, som en kamera gör. Men de nya instrument som lanseras under de kommande två åren kommer att ta en ny, mer aktivt förhållningssätt för att undersöka nya frågor om växtlighet och hur den förändras. Två av dessa NASA-uppdrag kommer att använda laserinstrument som mäter höjden på träd, medan en tredjedel kommer att övervaka temperaturen för att ge insikter om växthälsa.

Lasermätningar av träd

Medan den globala omfattningen av dessa ekosystem har kartlagts från satellitbilder, befintliga kartor kan inte avgöra hur höga dessa träd är, eller strukturen på deras baldakiner – det vill säga, den tredje dimensionen.

Två uppdrag kommer att använda rymdburna lasrar för att mäta trädhöjden:ett instrument monterat på den internationella rymdstationen, kallad Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI); och en satellit som heter isen, Moln- och landhöjdsatellit-2 (ICESat-2), som kommer att fokusera på att mäta snö och is, men kommer också att mäta planetens skogar. Med data som flödar in från båda instrumenten, forskare planerar att utveckla en tredimensionell karta över jordens vegetation.

Genom att veta omfattningen av skogar från befintliga kartor, såväl som höjderna på baldakinen från de nya instrumenten, forskare kommer då att kunna uppskatta hur mycket växtmaterial - och därmed hur mycket kol - som finns. När träd växer, de absorberar kol från atmosfären, gör skogar till en nyckelaktör i den globala koldioxidcykeln. Över tid, dessa uppdrag kan ge forskare ledtrådar till hur mycket kol som absorberas av växande skogar, och hur det släpps ut i atmosfären genom skogsbränder och avskogning.

"Kombinera ICESat-2 med GEDI, vi kommer att få en ny syn på biosfärens tillstånd på vår planet, sa Tom Neumann, biträdande projektforskare för ICESat-2-projektet vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

För Ralph Dubayah, GEDI:s huvudutredare från University of Maryland, GEDI-uppdraget kommer att svara på frågor om biomassan hos träd i en viss region, och inverkan av avskogning och återskogning på mängden koldioxid i atmosfären. GEDI kommer också att kvantifiera hur det vertikala arrangemanget av löv och grenar i en skog påverkar habitatkvalitet och biologisk mångfald.

Medan båda uppdragen använder ljusdetektions- och avståndsteknik (LIDAR) – vilket är som radar, men med laserljus istället för radiovågor – GEDI-instrumentet kommer att använda en nära-infraröd våglängd. Denna våglängdsregion är optimal för att mäta vegetation eftersom den reflekteras från löv, och en del av detta reflekterade ljus tar sig tillbaka till sensorn. Pulserna som sänds ut från nära-infraröda lasrar kan också bättre penetrera genom trädkronorna för att reflektera från marken, vilket är ett nödvändigt mått för att bestämma höjden på träd.

GEDIs team har arbetat för att optimera sitt systems pulsbredd, våglängd, provtagningsmönster och fotavtrycksstorlek för att täcka så många skogsområden som möjligt. GEDI:s tre lasrar kommer att pulsera 242 gånger per sekund, provtagning av 10 laserspår utspridda över en 3,7 mil (6 kilometer) sträng på jordens yta. Eftersom GEDI kommer att flyga på den internationella rymdstationen, dess omloppsbana kommer att fokusera på jordens medellatitud och tropiska regioner, där den stora majoriteten av skogskolet lagras.

ICESat-2, kretsar pol till pol, kommer att samla data om jordens inlandsisar, havsis och glaciärer med dess nästan globala täckning. Istället för att använda nära-infrarött ljus, ICESat-2:s Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS) instrument kommer att använda grönt, synligt ljus. ATLAS har två lasrar, varav endast en fungerar åt gången. Den icke-fungerande lasern är en reservdel ombord. Den arbetande lasern kommer att pulsera 10, 000 gånger per sekund och generera sex spår. När den färdas över mellanbreddgraderna, forskare kommer att använda ATLAS för att mäta specifika vegeterade regioner, komplettera GEDI-mätningarna och skapa en mer komplett tredimensionell karta över jordens vegetation.

Fotonerna, eller ljuspartiklar, från ICESat-2:s gröna lasrar kommer att reflekteras från vad som än befinner sig under dem, inklusive trädtopparna, grenar och löv, och - om det finns öppet utrymme i baldakinen - från marken.

"Om du kan skilja de två - fotonerna som reflekteras från marken, från fotonerna som reflekteras från trädtopparna – du kan mäta trädhöjden, vilket är riktigt coolt, sade Neumann. Men, det är inte alltid möjligt att skilja trädtopparna från skogsgolvet, speciellt med en synlig våglängd.

"Om trädkronan är för tät, vi kan inte se marken, så du kan inte mäta trädets höjd, " sa Neumann. "Om trädkronan är för gles, vi kan inte se träden eftersom det är ett träd mitt på ett fält, och dina chanser att träffa det enda trädet är inte så bra."

Eftersom GEDI:s lasrar fungerar i nära-infrarött, och har tillräcklig kraft för att penetrera täta skogar med varje skott, instrumentet kan mer exakt mäta skogsstrukturen även i områden som har en tät baldakin.

GEDI:s vegetationsmätningar kommer att hjälpa till att täppa till en kritisk lucka i vår nuvarande förståelse av hur kol lagras och släpps ut över tid av skogar och andra ekosystem. Processen spelar en stor roll, i sista hand, i hur mycket koldioxid som ansamlas i atmosfären.

"Det centrala vetenskapliga målet för GEDI är att tillhandahålla de data som vi exakt kan ta itu med denna fråga, ", sa Dubayah. "GEDI är den första lidar någonsin att flyga som har optimerats för vegetationsmätningar."

Beväpnad med denna information, forskare kommer att kunna göra ett mycket bättre jobb med att förutsäga atmosfäriska koldioxidkoncentrationer i framtiden, han sa, och i förståelsen av mänskliga aktiviteters roll i kolets kretslopp.

Moln är ett annat hinder för både ICESat-2- och GEDI-uppdragen. Vilken dag som helst, Jorden är till cirka 50 procent täckt av moln. Så, istället för att mäta trädtopparna, dessa lidar-baserade system kommer att mäta toppen av molnen som reflekterar laserpulsen. Att ha två system som mäter vegetation kommer att hjälpa till att fylla dessa grumliga dataluckor. Genom att kombinera data, forskare kommer att få en bättre bild av statusen för jordens vegetation.

Även om de två uppdragen är optimerade för olika vetenskapliga mål, de kommer att arbeta tillsammans för att skapa en mer exakt höjdkarta över jordens vegetation – en datauppsättning som kan hjälpa till att svara på Dubayahs frågor.

Tar temperaturen på växter

Att veta hur mycket vegetation som finns på jorden indikerar inte om den vegetationen är frisk eller inte. Hur växtligheten förändras på grund av påfrestningar orsakade av vattentillgänglighet är den viktigaste vetenskapliga frågan som ska tas upp av ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station (ECOSTRESS).

När växter tar upp koldioxid för fotosyntes, de släpper ut vatten genom evapotranspiration från sina bladporer, som hjälper dem att svalna i den varma solen, ungefär som mänsklig svett kyler ner oss. Och precis som människor, om växterna inte får tillräckligt med vatten, de kan överhettas.

Anläggningens porer öppnas och stängs som svar på värmestress och vattentillgång. När de är öppna, växter tar upp koldioxid och tappar vatten. När de är stängda, växter slutar ta in koldioxid (dvs. växer) men också sluta tappa vatten. Om vi ​​vet att växter tappar vatten, vi vet att de tar i sig koldioxid, och vice versa. ECOSTRESS-data kommer att hjälpa forskare att förstå det totala koldioxidupptaget av växter under en vanlig dag. Till exempel, om det är en varm och torr eftermiddag, vissa växter kan stänga av sin vattenanvändning och sin koldioxidupptagning på eftermiddagen. ECOSTRESS kommer att kunna upptäcka dessa typer av svar. Aktuella polära satelliter som kretsar kan bara ge en enda ögonblicksbild av koldioxidupptag och vattenutsläpp varje dag, vid samma tid på dagen, så forskare måste uppskatta hur den engångsbilden översätts under hela dagen.

ECOSTRESS kommer att mäta växttemperaturer från rymden för att upptäcka den kylande naturen hos vatten som förångas av växter, eller bristen därav. Den kommer att berätta hur mycket vatten olika växter använder och behöver och hur de reagerar på miljöpåfrestningar från vattenbrist. Utöver sina mål för kol- och vattenkretsloppsvetenskap, den kommer också att studera hur jordens markbiosfär reagerar på förändringar i vattentillgången.

Från sin unika orbital abborre, ECOSTRESS kommer att observera samma plats på jorden med några dagars mellanrum vid olika tider på dygnet i minst ett år, gör det möjligt för forskare att spåra förändringar i växt-vattendynamik under loppet av en vanlig dag.

"ECOSTRESS kommer att möjliggöra en detaljerad undersökning av växtvattenanvändning under hela dagen, " sa Josh Fisher, uppdragets vetenskapsledare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. "Vidare, vi kommer att kunna bättre förstå hur vissa regioner påverkas av torka. Detta kan få viktiga konsekvenser för förvaltningen av skogar eller jordbrukssystem."

ECOSTRESS kommer också att ge viktiga insikter om kopplingar mellan jordens vatten och kolkretslopp genom att identifiera vilka områden på vår planet som kräver mer eller mindre vatten för den mängd koldioxid de tar upp.

ECOSTRESS Huvudutredare Simon Hook från JPL började utveckla den termiska infraröda radiometern för ECOSTRESS för flera år sedan. ECOSTRESS kommer att spåra energin som används för att avdunsta vatten i kombination med andra faktorer som påverkar avdunstning, som temperatur och luftfuktighet.

ECOTRESS-data kommer att användas av ekologer, hydrologer, meteorologer och andra forskare samt jordbruks- och vattenförvaltningssamhällena. Faktiskt, ECOSTRESS vetenskapsteam består av forskare från U.S.A. Department of Agriculture. Det kommer att samla in data vid pixlar som mäter lite mer än 200 fot (70 meter) på en sida, ungefär lika stor som en stor bakgård, liten gård eller del av en stor gård. Denna informationsskala kan också vara användbar för tillämpningsforskning om effekterna av torka på naturlig vegetation; till exempel, för att identifiera vilka typer av träd som är mest sårbara för att dö först.

NASA och dess partners planerar ännu fler framtida uppdrag under de närmaste åren för att främja det vi vet om jordens ekosystem. Till exempel, byrån samarbetar med Indian Space Research Organization för att utveckla NASA ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) uppdrag som rutinmässigt kommer att tillhandahålla systematiska observationer av jordens land och istäckta ytor minst två gånger var 12:e dag, möjliggöra större vetenskaplig förståelse för de dynamiska processer som driver jordsystemet och naturliga risker, samt tillhandahålla handlingsbart stöd för katastrofinsatser och återhämtning.

NISAR kompletterar GEDI, ICESat-2 och ECOSTRESS. Med sin förmåga att se genom moln, det kommer att kunna hjälpa till att mäta mängden kol som lagras i skogarna, förlust av skog på grund av störningar, och omfattningen av jordbruksområden och våtmarksområden över hela världen.