Tredimensionella mätningar av den centrala brasilianska regnskogen i Amazonas har gett NASA-forskare ett detaljerat fönster till det höga antalet grenfall och träddödlighet som inträffar som svar på torka. De fann att 65 procent fler träd och stora grenar dog på grund av en El Niño-driven torka 2015-2016 än jämfört med ett genomsnittligt år. Att förstå effekterna av långvarig torka ger forskarna en bättre uppfattning om vad som kan hända med kol som lagras i tropiska skogar om dessa händelser blir vanligare i framtiden.

"Klimatprognoser för Amazonasbassängen tyder på varmare och torrare förhållanden under de kommande decennierna, " sa jordsystemforskaren Doug Morton vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och en medförfattare till forskningen som nyligen publicerades i Ny fytolog . "Torkan ger oss en förhandstitt på hur tropiska skogar kan reagera på en varmare värld."

När det inte regnar i regnskogen, träd löper större risk att dö eftersom de inte kan få tillräckligt med vatten från jorden till sina baldakiner, som kan nå 15 till 20 våningar högt. I en regnskog lika stor som Amazonas, uppskatta antalet döende eller skadade träd, där bara grenar får falla, är extremt svårt och har varit en långvarig utmaning.

Traditionellt, forskare vandrar in och undersöker några tunnland träd för att mäta levande träd och döda skräp på marken. Morton och hans kollegor tog fågelperspektivet med hjälp av ljusdetektions- och avståndsteknik (LiDAR) monterad på ett flygplan för att skapa en 3D-rekonstruktion av samma skogstak under tre separata flygningar 2013, 2014 och 2016. Med 300, 000 laserpulser per sekund, LiDAR-data ger en otroligt detaljerad skildring av skogen över ett mycket större område än de skulle kunna täcka till fots.

I Brasilien, forskarna flög två 30 mil (50 kilometer) strängar nära staden Santarém i delstaten Pará, en över Tapajós National Forest och den andra över privatägda skogar som har splittrats av en rad markanvändningar. Denna region i Amazonas har vanligtvis en tre månader lång torrperiod från oktober till december, samma period då Stilla havets yttemperaturer toppar under en El Niño-händelse. El Niño-förhållandena är förknippade med en försening av starten på regnperioden i centrala Amazonas, leder till en förlängd torrperiod som stressar träden.

Analysera de tre undersökningarna, teamet använde LiDAR-data för att upptäcka nya luckor i baldakinen där ett träd eller en gren hade fallit under månaderna mellan observationerna. Under icke-El Niño-perioden från 2013 till 2014, gren- och trädfallshändelserna förändrade 1,8 procent av skogstaket i studieområdet, ett litet antal på ytan men skalat upp till storleken på hela Amazonas, det motsvarar att tappa kronträd eller grenar över 38, 000 kvadratkilometer, eller området Kentucky. Dödligheten i träd och grenar var 65 procent högre under El Niño-torkan från 2014 till 2016, eller 65, 000 kvadratkilometer, storleken på Wisconsin. Små förändringar i Amazonas sammanlagt.

"Eftersom det är en stor skog, även en subtil förändring under ett El Niño -år har stor inverkan på skogens totala koldioxidbudget, sade Morton, hänvisar till balansen mellan hur mycket koldioxid träd tar bort från atmosfären för att bygga sin stam, grenar, och lämnar när de växer kontra mängden som återvänder till atmosfären när träd dör och sönderfaller.

Förvånande, forskarna fann att dödsfall för alla trädstorlekar, samt antalet mindre grenfall, ökade i ungefär samma takt. Detta betyder att torkan inte selektivt dödade en större andel höga träd än mindre träd, som man tidigare trodde från experiment som simulerade torkförhållanden i små tomter.

Det är goda nyheter för koldioxidbudgeten, sa Morton, "Stora träd innehåller det mesta av kolet i vilken skog som helst. Om torka i första hand skulle döda stora träd, det skulle öka den totala mängden kol som försvinner från torka i motsats till andra typer av störningar, " han sa.

Ändå, stora träd stod fortfarande för 80 procent av kolförlusterna. Och inte bara av att träden själva dör. När ett gigantiskt träd med en baldakin som kan vara 82 fot (25 meter) över faller i skogen kan det ta ut mindre träd i underplanet.

För att förstå förhållandet mellan luckorna som ses av det luftburna LiDAR-systemet ovanifrån och de flera skikten av kapell och undervåning nedanför, Mortons kollega Veronika Leitold på Goddard och ett team av samarbetande forskare vid Brazilian Agricultural Research Corporation och Federal University of Western Pará genomförde fältmätningar under observerade luckor i baldakinen för att mäta trämaterialet som hade fallit till marken. Denna noggranna ansträngning för att mäta nedfällda grenar och träd var avgörande för att uppskatta den totala mängden kol som tappades när träd eller grenar faller i en hög, Amazonas regnskog i flera lager.

"[Detta] är en av de första studierna som använder upprepad LiDAR under torkan och låter folk gå ut i fält och utföra alla mätningar, "sa ekologen Paulo Brando vid Woods Hole Research Center i Falmouth, Massachusetts, och Amazon Environmental Research Institute i Brasilien, som inte var inblandad i studien. "Denna kombination är extremt kraftfull för att förstå inte bara vad som händer, men varför händer det, och varför det förändras under torkan." Han tillade att två av de stora frågorna inom området för tropisk regnskogsekologi är hur mycket torka som är för mycket för skogen att stå emot och hur återhämtar den sig? Svaren har stora konsekvenser för borttaget av koldioxid från atmosfären.

"Torka är viktiga komponenter i den globala kolcykeln genom att förändra trädens förmåga att överleva, " sa Brando. Om antalet närvarande träd minskar i stor skala, som lägger till mycket koldioxid kvar i atmosfären för att bidra till växthusuppvärmningen, som kan mata Amazonas cykel som ser fler torka i framtiden.