Des forêts tropicales aux terres cultivées, forêts boréales aux mangroves, La NASA jettera un nouveau regard sur la végétation terrestre sur notre planète vivante au cours des deux prochaines années avec plusieurs instruments uniques dans l'espace. Les missions aideront les scientifiques à étudier le rôle des plantes dans les cycles mondiaux du carbone et de l'eau de la Terre.

Depuis les années 1970, La NASA a étudié la vie depuis l'espace avec des satellites tels que Landsat, Terre, Aqua et le partenariat Suomi National Polar-orbiting de la NASA/NOAA. Les scientifiques ont utilisé ces données ainsi que des observations d'engins spatiaux internationaux pour mener un large éventail de recherches, de la détection de l'expansion vers le nord des forêts dans l'Arctique à la surveillance de la façon dont les zones brûlées se rétablissent des incendies de forêt.

Généralement, les instruments actuellement en orbite font leur travail en détectant la lumière solaire réfléchie par la surface de la Terre, comme le fait un appareil photo. Mais les nouveaux instruments lancés au cours des deux prochaines années prendront une nouvelle approche plus active pour sonder de nouvelles questions sur la végétation et son évolution. Deux de ces missions de la NASA utiliseront des instruments laser qui mesureront la hauteur des arbres, tandis qu'un troisième surveillera la température pour fournir des informations sur la santé des plantes.

Mesures laser des arbres

Alors que l'étendue mondiale de ces écosystèmes a été cartographiée à partir d'images satellites, les cartes existantes ne peuvent pas déterminer la hauteur de ces arbres, ou la structure de leurs auvents, c'est-à-dire la troisième dimension.

Deux missions utiliseront des lasers spatiaux pour mesurer la hauteur des arbres :un instrument monté sur la Station spatiale internationale, appelé Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI); et un satellite appelé la Glace, Nuage et Terre Elevation Satellite-2 (ICESat-2), qui se concentrera sur la mesure de la neige et de la glace, mais mesurera aussi les forêts de la planète. Avec les données provenant des deux instruments, les scientifiques prévoient de développer une carte tridimensionnelle de la végétation de la Terre.

En connaissant l'étendue des forêts à partir des cartes existantes, ainsi que les hauteurs de la verrière des nouveaux instruments, les chercheurs pourront alors estimer la quantité de matière végétale, et donc la quantité de carbone, présente. Au fur et à mesure que les arbres poussent, ils absorbent le carbone de l'atmosphère, faire des forêts un acteur clé du cycle mondial du carbone. Heures supplémentaires, ces missions peuvent aider à donner aux scientifiques des indices sur la quantité de carbone absorbée par les forêts en croissance, et comment il est libéré dans l'atmosphère par les incendies de forêt et la déforestation.

"Combiner ICESat-2 avec GEDI, nous allons avoir une nouvelle vision de l'état de la biosphère sur notre planète, " a déclaré Tom Neumann, le scientifique adjoint du projet ICESat-2 au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.

Pour Ralph Dubayah, Le chercheur principal de GEDI de l'Université du Maryland, la mission GEDI répondra aux questions sur la biomasse des arbres dans une région donnée, et l'impact de la déforestation et du reboisement sur la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. GEDI quantifiera également comment la disposition verticale des feuilles et des branches dans une forêt affecte la qualité de l'habitat et la biodiversité.

Alors que les deux missions utilisent la technologie de détection et de télémétrie par la lumière (LIDAR), qui ressemble à un radar, mais avec la lumière laser au lieu des ondes radio, l'instrument GEDI utilisera une longueur d'onde proche de l'infrarouge. Cette région de longueur d'onde est optimale pour mesurer la végétation car elle se reflète sur les feuilles, et une partie de cette lumière réfléchie retourne au capteur. Les impulsions émises par les lasers dans le proche infrarouge peuvent également mieux pénétrer à travers la canopée des arbres pour se refléter sur le sol, qui est une mesure nécessaire pour déterminer la hauteur des arbres.

L'équipe de GEDI a travaillé pour optimiser la largeur d'impulsion de son système, longueur d'onde, le modèle d'échantillonnage et la taille de l'empreinte pour couvrir autant de zones boisées que possible. Les trois lasers de GEDI pulseront 242 fois par seconde, échantillonner 10 pistes laser réparties sur une bande de 3,7 milles (6 kilomètres) à la surface de la Terre. Parce que GEDI volera sur la Station spatiale internationale, sa trajectoire orbitale se concentrera sur les régions des latitudes moyennes et tropicales de la Terre, où la grande majorité du carbone forestier est stockée.

ICESat-2, en orbite de pôle à pôle, rassemblera des données sur les calottes glaciaires de la Terre, la glace de mer et les glaciers avec sa couverture quasi mondiale. Au lieu d'utiliser la lumière proche infrarouge, L'instrument ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System) d'ICESat-2 utilisera le vert, lumière visible. ATLAS dispose de deux lasers, dont un seul fonctionne à la fois. Le laser non opérationnel est une pièce de rechange embarquée. Le laser en fonctionnement émettra 10 impulsions, 000 fois par seconde et générer six pistes. En voyageant au-dessus des latitudes moyennes, les scientifiques utiliseront ATLAS pour mesurer des régions végétales spécifiques, complétant les mesures GEDI et créant une carte tridimensionnelle plus complète de la végétation de la Terre.

Les photons, ou des particules de lumière, des lasers verts d'ICESat-2 se refléteront sur tout ce qui se trouve en dessous d'eux, y compris la cime des arbres, branches et feuilles, et, s'il y a un espace libre dans la canopée, au-dessus du sol.

"Si vous pouvez séparer ces deux-les photons réfléchis par le sol, à partir des photons réfléchis par la cime des arbres - vous pouvez mesurer la hauteur des arbres, ce qui est vraiment cool, " a déclaré Neumann. Cependant, il n'est pas toujours possible de séparer la cime des arbres du sol forestier, surtout avec une longueur d'onde visible.

"Si la canopée est trop dense, on ne voit pas le sol, donc vous ne pouvez pas mesurer la hauteur des arbres, " a dit Neumann. " Si la canopée est trop clairsemée, nous ne pouvons pas voir les arbres parce que c'est un arbre au milieu d'un champ, et vos chances de toucher ce seul arbre ne sont pas si bonnes."

Parce que les lasers de GEDI fonctionnent dans le proche infrarouge, et avoir une puissance suffisante pour pénétrer dans les forêts denses à chaque tir, l'instrument peut mesurer plus précisément la structure de la forêt même dans les zones à couvert dense.

Les mesures de la végétation de GEDI aideront à combler une lacune critique dans notre compréhension actuelle de la façon dont le carbone est stocké et émis au fil du temps par les forêts et d'autres écosystèmes. Le processus joue un rôle important, finalement, dans quelle quantité de dioxyde de carbone s'accumule dans l'atmosphère.

« L'objectif scientifique central de GEDI est de fournir les données grâce auxquelles nous pouvons répondre précisément à cette question, " a déclaré Dubayah. " GEDI est le premier lidar à voler qui a été optimisé pour les mesures de la végétation. "

Fort de ces informations, les scientifiques pourront faire un bien meilleur travail pour prévoir les concentrations de dioxyde de carbone dans l'atmosphère à l'avenir, il a dit, et à comprendre le rôle des activités humaines sur le cycle du carbone.

Les nuages ​​sont un autre obstacle pour les missions ICESat-2 et GEDI. Un jour donné, La Terre est couverte à environ 50 pour cent de nuages. Donc, au lieu de mesurer la cime des arbres, ces systèmes basés sur le lidar mesureront les sommets des nuages ​​qui reflètent l'impulsion laser. Avoir deux systèmes de mesure de la végétation aidera à combler ces lacunes de données nuageuses. En combinant les données, les scientifiques auront une meilleure idée de l'état de la végétation de la Terre.

Bien que les deux missions soient optimisées pour des objectifs scientifiques différents, ils travailleront ensemble pour créer une carte de hauteur plus précise de la végétation terrestre, un ensemble de données pouvant aider à répondre aux questions de Dubayah.

Prendre la température des plantes

Connaître la quantité de végétation présente sur Terre n'indique pas si cette végétation est saine ou non. Comment la végétation change en raison des contraintes causées par la disponibilité de l'eau est la question scientifique clé à être abordée par l'expérience de radiomètre thermique spatial ECOsystem sur la station spatiale (ECOSTRESS).

Comme les plantes absorbent du dioxyde de carbone pour la photosynthèse, ils libèrent de l'eau par évapotranspiration par les pores de leurs feuilles, qui les aide à se rafraîchir sous le soleil brûlant, autant que la sueur humaine nous refroidit. Et tout comme les humains, si les plantes ne reçoivent pas assez d'eau, ils peuvent surchauffer.

Les pores de la plante s'ouvrent et se ferment en réponse au stress thermique et à la disponibilité de l'eau. Quand ils sont ouverts, les plantes absorbent du dioxyde de carbone et perdent de l'eau. Quand ils sont fermés, les plantes cessent d'absorber du dioxyde de carbone (c'est-à-dire croissance) mais aussi arrêter de perdre de l'eau. Si nous savons que les plantes perdent de l'eau, nous savons qu'ils absorbent du dioxyde de carbone, et vice versa. Les données ECOSTRESS aideront les scientifiques à comprendre l'absorption totale de dioxyde de carbone par les plantes au cours d'une journée type. Par exemple, si c'est un après-midi chaud et sec, certaines plantes peuvent arrêter leur consommation d'eau et leur absorption de dioxyde de carbone dans l'après-midi. ECOSTRESS sera capable de détecter ces types de réponses. Les satellites actuels en orbite polaire ne peuvent fournir qu'un seul instantané de l'absorption de dioxyde de carbone et de la libération d'eau chaque jour, à la même heure de la journée, les scientifiques doivent donc estimer comment cet instantané ponctuel se traduit au cours de la journée entière.

ECOSTRESS mesurera les températures des plantes depuis l'espace pour détecter le caractère rafraîchissant de l'eau évaporée par les plantes, ou son absence. Il nous dira combien d'eau les différentes plantes utilisent et ont besoin et comment elles réagissent aux stress environnementaux causés par les pénuries d'eau. En plus de ses objectifs de science du carbone et du cycle de l'eau, il étudiera également comment la biosphère terrestre de la Terre réagit aux changements dans la disponibilité de l'eau.

De son perchoir orbital unique, ECOSTRESS observera le même endroit sur Terre tous les quelques jours à différents moments de la journée pendant au moins un an, permettant aux scientifiques de suivre les changements dans la dynamique plante-eau au cours d'une journée type.

« ECOSTRESS permettra une enquête détaillée sur l'utilisation de l'eau des plantes tout au long de la journée, " a déclaré Josh Fisher, le responsable scientifique de la mission au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie. "En outre, nous pourrons mieux comprendre comment certaines régions sont impactées par la sécheresse. Cela pourrait avoir des implications importantes pour la gestion des forêts ou des systèmes agricoles. »

ECOSTRESS fournira également des informations clés sur les liens entre les cycles de l'eau et du carbone de la Terre en identifiant quelles zones de notre planète nécessitent plus ou moins d'eau pour la quantité de dioxyde de carbone qu'elles absorbent.

Le chercheur principal d'ECOSTRESS, Simon Hook du JPL, a commencé à développer le radiomètre infrarouge thermique pour ECOSTRESS il y a plusieurs années. ECOSTRESS suivra l'énergie utilisée dans l'évaporation de l'eau en combinaison avec d'autres facteurs qui affectent l'évaporation, comme la température et l'humidité.

Les données ECOSTRESS seront utilisées par les écologistes, hydrologues, les météorologues et autres scientifiques ainsi que les communautés agricoles et de gestion de l'eau. En réalité, l'équipe scientifique ECOSTRESS comprend des scientifiques du département américain de l'Agriculture. Il collectera des données à des pixels mesurant un peu plus de 200 pieds (70 mètres) de côté, environ la taille d'un grand jardin, petite ferme ou partie d'une grande ferme. Cette échelle d'informations peut également être utile pour la recherche d'applications sur les effets des sécheresses sur la végétation naturelle; par exemple, pour identifier quels types d'arbres sont les plus vulnérables à la mort en premier.

La NASA et ses partenaires prévoient encore plus de missions futures au cours des prochaines années pour faire avancer ce que nous savons des écosystèmes de la Terre. Par exemple, l'agence s'associe à l'Organisation indienne de recherche spatiale pour développer la mission NASA ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) qui fournira régulièrement des observations systématiques de la terre et des surfaces couvertes de glace au moins deux fois tous les 12 jours, permettre une meilleure compréhension scientifique des processus dynamiques qui animent le système Terre et les risques naturels, ainsi que de fournir un soutien exploitable pour la réponse aux catastrophes et la récupération.

NISAR complétera GEDI, ICESat-2 et ECOSTRESS. Avec sa capacité à voir à travers les nuages, il pourra aider à mesurer la quantité de carbone stocké dans les forêts, la perte de forêts due aux perturbations, et l'étendue des zones agricoles et des zones humides à travers le monde.