Le bassin amazonien, abrite la plus grande forêt tropicale du monde, joue un rôle crucial dans le maintien du bilan carbone de la planète, absorbant et stockant des milliards de tonnes de dioxyde de carbone chaque année. Mais un point de basculement se profile à l'horizon, celui qui pourrait transformer un de ce puits de carbone vital en l'une des plus grandes sources de dioxyde de carbone de la planète.

En "sentant la forêt, " une équipe de chercheurs dirigée par Harvard tente de mesurer comment et quand cela pourrait se produire.

Alors que la planète se réchauffe, la sécheresse, les feux de forêt et les changements climatiques menacent quelque 400 milliards d'arbres en Amazonie, dont certains sont déjà menacés par l'exploitation forestière et minière. Lorsque les arbres sont endommagés ou tués, ils se décomposent et libèrent du carbone dans l'atmosphère.

"Changement climatique, ainsi que la déforestation d'origine humaine et la combustion de la biomasse, peut conduire à des points de basculement écologiques et climatiques qui pourraient libérer des réservoirs massifs de carbone stocké, " dit Scot Martin, le professeur Gordon McKay de sciences et d'ingénierie de l'environnement à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et professeur de sciences de la Terre et des planètes au Département des sciences de la Terre et des planètes.

La question est :comment savons-nous quand nous approchons de ce point de basculement ?

Martin, avec une équipe internationale de chercheurs et de collaborateurs de l'Amazonas State University (UEA) et de la Amazonas State Research Support Foundation (FAPEAM), a développé un système de détection précoce pour surveiller les changements en Amazonie.

Les recherches de Martin visent à mieux comprendre comment l'Amazonie réagit au stress. Dans un projet en cours, financé par le Climate Change Solutions Fund (CCSF) de l'Université Harvard, Martin et son équipe cartographient et surveillent les signaux chimiques uniques émis par les arbres connus sous le nom de composés organiques volatils (COV).

Nous avons tous détecté des COV :c'est ce que vous sentez dans l'herbe fraîchement tondue ou en marchant dans une forêt de pins. Comme les phéromones humaines, Les COV aident les plantes à interagir avec les organismes qui les entourent. Ils attirent les insectes pour la pollinisation et la dispersion des graines, répondre au stress, et même envoyer des signaux d'avertissement aux plantes voisines que les prédateurs attaquent. Chaque espèce de plante émet une signature COV différente, comme une empreinte digitale, qui peut changer en fonction de la saison ou si la plante est sous la contrainte de, par exemple, sécheresse ou inondation.

« Les forêts peuvent nous parler à travers les COV, ", a déclaré Martin. "La traduction de ces signaux peut conduire à une compréhension quantitative de la façon dont les écosystèmes forestiers réagissent au stress et au changement climatique."

Mais il existe des défis majeurs à la collecte de données sur les COV. D'abord, la forêt amazonienne couvre 550 millions d'hectares. Dans ce biome massif se trouvent des milliers d'écosystèmes plus petits, chacun avec ses propres signaux de biodiversité et de COV.

Les avions peuvent parcourir de grandes distances mais ne peuvent pas voler assez bas pour collecter des échantillons de COV, qui atteignent des hauteurs d'environ un kilomètre ou moins au-dessus de la canopée. Les tours peuvent détecter à la bonne hauteur, mais uniquement pour l'écosystème local.

Pour combler ce canyon de données, Martin et son équipe se tournent vers les drones.

"Ce qui rend les capteurs basés sur des drones si passionnants, c'est qu'ils offrent la possibilité de collecter des données à des échelles inexplorées, ", a déclaré Martin. "Cela pourrait conduire à des informations révolutionnaires sur les écosystèmes amazoniens soumis au stress climatique et aux changements anticipés du climat et de la biodiversité."

Cet été, l'équipe a voyagé profondément en Amazonie pour tester un prototype d'échantillonnage de COV développé par Daniel Wang S.B. '17 pour sa thèse de design senior. Le Prototype, une petite boîte de prélèvement fixée directement sur un drone, aspire l'air du milieu environnant et le fait passer à travers des tubes d'échantillonnage qui piègent les molécules de COV. Sous la direction des conseillers Martin et Karena McKinney, Associé en sciences et ingénierie de l'environnement, Wang a utilisé des matériaux légers capables de résister aux températures et à l'humidité élevées de la jungle.

L'essai a été un succès.

"L'instrument fonctionnait parfaitement, " dit Wang.

L'équipe a lancé le prototype depuis une tour située dans le jardin botanique de Manaus (MUSA). L'équipe a testé la portée et les limites du drone, en l'envoyant à des points GPS spécifiques jusqu'à un kilomètre de la tour. Le drone a collecté des échantillons à différentes altitudes et points spécifiques en cours de route, et rentrait à la maison à chaque fois.

"L'expérience d'être dans la jungle, avec un appareil que j'ai conçu sur un banc à Harvard, était incroyable, ", a déclaré Wang. "Nous avons pu faire voler cette technologie dans des espaces auparavant inexplorés et collecter des échantillons qui, espérons-le, nous en diront plus sur l'empreinte chimique de la jungle."

Grâce au financement du CCSF, Martin et son équipe de collaborateurs brésiliens continueront à se développer, tester et piloter des drones d'échantillonnage de COV au-dessus de l'Amazonie.

L'équipe fait actuellement voler des drones au-dessus de différents types de forêts, y compris les régions de basse altitude gorgées d'eau et les forêts de haute terre ferme, pour développer une base de données d'empreintes digitales de COV dans des conditions normales. Après ça, les mêmes forêts seront surveillées pendant les périodes de stress pendant la saison humide et sèche pour apprendre comment les empreintes digitales des COV changent.

Martin et l'équipe de Harvard visitent l'Amazonie une demi-douzaine de fois par an.

Alors que Martin est de retour à Harvard, ses collaborateurs brésiliens —quatre doctorants à l'UEA—continuent à développer la technologie des drones et des échantillonneurs et les techniques d'analyse des COV.

Cette collaboration est la clé de la réussite du projet.

"Je crois au succès itératif, " a déclaré Martin. " N'importe qui peut devenir un expert après 100 séries de commentaires. Grâce à la collaboration de l'UEA et de la FAPEAM avec SEAS, les doctorants locaux de l'UEA peuvent effectuer un vol et une analyse COV toutes les 24 à 48 heures. Donc, dans un délai de six mois, vous avez la meilleure équipe de la planète qui effectue ces vols. Sans cette collaboration, il faudrait une décennie à l'équipe de Harvard pour acquérir cette expertise. Donc, cette collaboration est excellente non seulement pour la science pertinente pour l'humanité mais aussi pour l'équipe combinée d'étudiants, post-doctorants, et le corps professoral de la collaboration UEA-FAPEAM-SEAS."