Les satellites de la NASA peuvent voir notre Terre vivante respirer.

Dans l'hémisphère nord, les écosystèmes se réveillent au printemps, en absorbant du dioxyde de carbone et en expirant de l'oxygène pendant qu'elles poussent des feuilles, et une flotte de satellites d'observation de la Terre suit la propagation de la végétation nouvellement verte.

Pendant ce temps, dans les océans, des plantes microscopiques dérivent dans les eaux de surface éclairées par le soleil et fleurissent en milliards d'organismes absorbant le dioxyde de carbone - et les instruments de détection de lumière sur les satellites cartographient les tourbillons de leur couleur.

Cet automne marque 20 ans depuis que la NASA a continuellement observé non seulement les propriétés physiques de notre planète, mais la seule chose qui rend la Terre unique parmi les milliers d'autres mondes que nous avons découverts :la vie.

Les satellites ont mesuré la vie terrestre et océanique depuis l'espace dès les années 1970. Mais ce n'est qu'avec le lancement du Sea-viewing Wide Field-of-View Sensor (SeaWiFS) en 1997 que l'agence spatiale a commencé ce qui est maintenant un vision globale de la vie terrestre et océanique. Une nouvelle animation capture l'intégralité de ce record de 20 ans, rendu possible par plusieurs satellites, compresser une vision de la vie sur Terre sur plusieurs décennies en quelques minutes captivantes.

"Ce sont des visualisations incroyablement évocatrices de notre planète vivante, " a déclaré Gene Carl Feldman, un océanographe au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "C'est la Terre, c'est ça qui respire chaque jour, changeant avec les saisons, répondre au Soleil, aux vents changeants, courants et températures océaniques."

La vision spatiale de la vie permet aux scientifiques de surveiller les cultures, la santé des forêts et des pêches dans le monde. Mais les scientifiques de l'agence spatiale ont également découvert des changements à long terme à travers les continents et les bassins océaniques. Alors que la NASA entame sa troisième décennie de mesures mondiales des océans et des terres, ces découvertes soulèvent des questions importantes sur la façon dont les écosystèmes réagiront au changement climatique et aux changements à grande échelle dans l'interaction humaine avec la terre.

Les satellites ont mesuré que l'Arctique devient plus vert, à mesure que les arbustes étendent leur aire de répartition et prospèrent dans des températures plus chaudes. Les observations depuis l'espace aident à déterminer la production agricole à l'échelle mondiale, et sont utilisés dans la détection d'alerte précoce de la famine. Alors que les eaux océaniques se réchauffent, les satellites ont détecté un changement dans les populations de phytoplancton dans les cinq grands bassins océaniques de la planète - l'expansion des "déserts biologiques" où peu de vie prospère. Et comme les concentrations de dioxyde de carbone dans l'atmosphère continuent d'augmenter et de réchauffer le climat, La compréhension globale de la vie végétale par la NASA jouera un rôle essentiel dans la surveillance du carbone à mesure qu'il se déplace dans le système terrestre.

La vie sur Terre, depuis l'espace

Il y a soixante ans, les gens n'étaient pas sûrs que la surface de la Terre puisse être vue clairement depuis l'espace. Beaucoup pensaient que les particules de poussière et autres aérosols dans l'atmosphère disperseraient la lumière, masquant les océans et les continents, dit Jeffrey Masek, chef du laboratoire des sciences biosphériques de la NASA Goddard.

Les programmes Gemini et Apollo ont démontré le contraire. Les astronautes ont utilisé des caméras spécialisées pour prendre des photos de la Terre qui montrent la beauté et la complexité de notre planète vivante, et a contribué à lancer l'ère de la recherche en sciences de la Terre depuis l'espace. En 1972, la première mission Landsat a commencé son record de 45 ans de végétation et de couverture terrestre.

"Au fur et à mesure que les archives satellites s'agrandissent, vous voyez de plus en plus de dynamiques émerger, " Masek a déclaré. "Nous sommes maintenant en mesure d'examiner les tendances à long terme."

Les prairies du Sénégal, par exemple, subissent des changements saisonniers drastiques. Les graminées et les arbustes fleurissent pendant la saison des pluies de juin à novembre, puis sécher quand la pluie s'arrête. Avec les premières données satellitaires météorologiques des années 1970 et 1980, Le scientifique de la NASA Goddard, Compton Tucker, a pu voir ce verdissement et ce dépérissement depuis l'espace, mesurer la chlorophylle dans les plantes ci-dessous. Il a développé un moyen de comparer les données satellitaires de deux longueurs d'onde, qui donne une mesure quantitative de cette verdure appelée indice de végétation par différence normalisée.

« Nous avons été stupéfaits lorsque nous avons vu les premières images. Elles étaient étonnantes car elles montraient comment la végétation changeait chaque année, année après année, " Tucker a dit, notant que d'autres ont également été surpris lorsque l'étude est sortie en 1985. « Quand nous avons produit cet article, les gens nous accusaient de "peinture par numéros, ' ou falsifier des données. Mais pour la première fois, vous pourriez étudier la végétation depuis l'espace en fonction de leur capacité photosynthétique."

Quand la température est bonne, et l'eau et la lumière du soleil sont disponibles, les plantes effectuent la photosynthèse et produisent du matériel végétatif. Les feuilles absorbent fortement la lumière bleue et rouge mais réfléchissent la lumière proche infrarouge dans l'espace. En comparant le rapport entre la lumière rouge et la lumière proche infrarouge, Tucker et ses collègues ont pu quantifier la végétation recouvrant le terrain.

En élargissant ces observations au reste du globe, les scientifiques pourraient suivre l'impact sur les plantes des saisons des pluies et sèches ailleurs en Afrique, voir les fleurs printanières en Amérique du Nord, et les séquelles des incendies de forêt dans les forêts du monde entier.

Mais la terre n'est qu'une partie de l'histoire. À la base du réseau trophique de l'océan se trouve le phytoplancton, de minuscules organismes qui, comme les plantes terrestres, transformer l'eau et le dioxyde de carbone en sucre et en oxygène, aidé par la bonne combinaison de nutriments et de lumière du soleil.

Des satellites capables de surveiller les changements subtils de couleur de l'océan ont aidé les scientifiques à suivre les changements dans les populations de phytoplancton à travers le monde. La première vue de la couleur de l'océan est venue du scanner couleur de la zone côtière, un instrument de preuve de concept lancé en 1979. Les observations continues de la couleur de l'océan ont commencé avec le lancement de SeaWIFS à la fin de 1997. Le satellite était juste à temps pour capturer la transition des conditions El Niño à La Niña en 1998, révélant à quel point le phytoplancton réagit de façon spectaculaire aux conditions changeantes de l'océan.

"Tout le Pacifique Est, de la côte de l'Amérique du Sud jusqu'à la ligne de date, passé de ce qui était l'équivalent d'un désert biologique à une forêt tropicale florissante. Et nous l'avons regardé se produire en temps réel, " Feldman a déclaré. "Pour moi, c'était la première démonstration de la puissance de ce genre d'observation, de voir comment l'océan réagit à l'une des perturbations environnementales les plus importantes qu'il puisse subir, en quelques semaines seulement. Cela a également montré que l'océan et toute la vie qu'il contient sont incroyablement résistants, si on leur laisse une demi-chance."

Suivi des changements depuis les satellites

Avec 20 ans de données satellitaires sur le suivi de la vie végétale océanique à l'échelle mondiale, les scientifiques étudient comment les habitats et les écosystèmes réagissent aux conditions environnementales changeantes.

Des études récentes sur la vie océanique ont montré qu'une tendance à long terme à la hausse des températures de surface de la mer provoque l'expansion des régions océaniques connues sous le nom de "déserts biologiques". Ces régions de faible croissance du phytoplancton se trouvent au centre de grandes, courants lents appelés gyres.

"Alors que les eaux de surface se réchauffent, il crée une frontière plus forte entre les profondeurs, froid, les eaux riches en nutriments et le soleil, eaux de surface généralement pauvres en nutriments, " a déclaré Feldman. Cela empêche les nutriments d'atteindre le phytoplancton à la surface, et pourrait avoir des conséquences importantes pour la pêche et l'écosystème marin.

Dans l'océan Arctique, une explosion de phytoplancton indique un changement. Alors que la glace de mer saisonnière fond, le réchauffement des eaux et l'augmentation de la lumière du soleil déclencheront soudainement, floraison massive de phytoplancton qui nourrit les oiseaux, lions de mer et poissons nouvellement éclos. Mais avec le réchauffement des températures atmosphériques, cette floraison se produit maintenant plusieurs semaines plus tôt, avant que les animaux ne soient en place pour en profiter.

"Ce n'est pas seulement la quantité de nourriture, c'est l'emplacement et le moment qui sont tout aussi critiques, " Feldman a dit. " La floraison printanière arrive plus tôt, et cela va avoir un impact sur l'écosystème d'une manière que nous ne comprenons pas encore."

Le climat se réchauffe le plus rapidement dans les régions arctiques, et les impacts sur la terre sont également visibles depuis l'espace. La toundra de l'ouest de l'Alaska, Le Québec et ailleurs verdissent à mesure que les arbustes s'étendent vers le nord.

Les forêts nordiques avoisinantes changent également. Des incendies massifs en 2004 et 2015 ont anéanti des millions d'hectares de forêts en Alaska, y compris les forêts d'épicéas, a noté Chris Potter, chercheur au centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley en Californie.

"Ces incendies étaient incroyables par la superficie de forêt qu'ils brûlaient et la chaleur qu'ils brûlaient, " dit Potter. " Quand la température de l'air atteint 90 degrés Fahrenheit fin mai là-haut, et tous ces coups de foudre se sont produits, la forêt a brûlé très largement - près des rivières, près des villages - et rien ne pouvait l'arrêter."

Les satellites aident les scientifiques à cartographier régulièrement les incendies, déforestation et autres changements, et d'analyser leur impact sur le cycle du carbone, dit Potter. Les incendies géants libèrent de nombreuses tonnes de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, à la fois des arbres calcinés et de la mousse mais aussi, surtout aux latitudes septentrionales, des sols. Potter et ses collègues se sont rendus dans les zones brûlées du centre de l'Alaska cette année pour mesurer le pergélisol sous-jacent - l'épaisse couche de mousse avait brûlé, exposer les sols précédemment gelés.

"C'est comme enlever la couche isolante d'une glacière, " a-t-il dit. " La glace fond en dessous et cela devient un gâchis de neige fondante. "

Les types de forêts peuvent aussi changer, que ce soit après des feux de forêt, infestations d'insectes ou autres perturbations. Les forêts d'épinettes d'Alaska sont remplacées par des bouleaux. Potter et ses collègues surveillent également les forêts californiennes brûlées lors des récents incendies, où le souci est que les pins seront remplacés par des chênes.

« Lorsque la sécheresse s'accentue avec ces températures record, rien de bon ne semble en sortir pour le type forestier existant, ", a-t-il déclaré. "Je pense que nous voyons des preuves réelles et claires du changement climatique à l'origine du changement de la couverture terrestre."

Garder un œil sur les cultures

Les changements de température et de précipitations influencent également les cultures, qu'ils soient cultivés en Californie ou en Afrique. La mesure de « verdure » que les scientifiques utilisent pour mesurer les forêts et les prairies peut également être utilisée pour l'agriculture, surveiller la santé des champs tout au long de la saison de croissance.

Les chercheurs et les décideurs ont pris conscience très tôt de ce potentiel. L'une des premières applications des données Landsat dans les années 1970 a été de prédire les rendements céréaliers en Russie et de mieux comprendre les marchés des matières premières. En 1985, des analystes de la sécurité alimentaire de l'USAID ont approché la NASA pour incorporer des images satellites dans leur réseau de systèmes d'alerte précoce contre la famine, identifier les régions où la production alimentaire a été limitée par la sécheresse. Ce partenariat se poursuit aujourd'hui. Avec des estimations de précipitations, mesures de végétation, ainsi que l'ajout récent d'informations sur l'humidité du sol, Les scientifiques de la NASA peuvent aider des organisations comme l'USAID à apporter une aide d'urgence directe.

Grâce aux données améliorées de Landsat, les instruments MODIS sur les vaisseaux spatiaux Terra et Aqua de la NASA et d'autres satellites, et en combinant les données de plusieurs capteurs, les chercheurs sont désormais en mesure de suivre la croissance des cultures dans des champs individuels, dit Tucker.

« Cela ramène les choses à la taille des champs pour probablement 80 % des champs dans le monde - c'est une énorme avancée, " dit Tucker.

La vue depuis l'espace permet non seulement de surveiller les cultures, mais peut aussi aider à améliorer les pratiques agricoles. Un domaine viticole en Californie, par exemple, utilise des pixels individuels de données Landsat pour déterminer quand irriguer et combien d'eau utiliser.

La prochaine étape pour les scientifiques de la NASA est en fait d'examiner le processus de photosynthèse depuis l'espace. Lorsque les plantes subissent ce processus chimique, une partie de l'énergie absorbée est faiblement fluorescente, note Joanna Joiner, un chercheur scientifique de la NASA Goddard. Avec des satellites qui détectent des signaux dans les longueurs d'onde bien précises de cette fluorescence, et une technique d'analyse affinée qui bloque les signaux de fond, Joiner et ses collègues peuvent voir où et quand les plantes commencent à convertir la lumière du soleil en sucres.

"C'était une sorte de révélation que oui, vous pouvez le mesurer, " a déclaré Joiner. Une première étude a examiné la ceinture de maïs américaine et a trouvé qu'elle émettait une fluorescence "comme un fou, " dit-elle. " Ces plantes ont certains des taux de fluorescence les plus élevés sur Terre à leur apogée. "

Joiner et Tucker utilisent à la fois les données de fluorescence et les indices de végétation pour obtenir le plus d'informations possible sur la croissance des plantes à l'échelle régionale et mondiale :pourquoi cela varie-t-il d'une année à l'autre, et quelles zones contribuent à cette variabilité, " Le menuisier a dit

Qu'il s'agisse de récoltes, forêts ou blooms phytoplanctoniques, Les scientifiques de la NASA suivent la vie sur Terre. Tout comme les satellites aident les chercheurs à étudier l'atmosphère, précipitations et autres caractéristiques physiques de la planète, la vue d'en haut sans cesse améliorée leur permettra d'étudier la vie interconnectée de la planète, dit Feldman.

"C'est la capacité qui nous permettra de comprendre comment la biologie de la Terre réagit à une planète en mutation, " il a dit.