En s'appuyant sur les méthodes utilisées pour évaluer l'impact des ouragans tels que Katrina, Gustave, et Rita sur les forêts et la mortalité des arbres, Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont produit une cartographie rapide de l'intensité des perturbations dans les forêts de Porto Rico à l'aide de Google Earth Engine.

Battue par deux tempêtes intensément puissantes avec des rafales de vent soutenues de plus de 150 miles par heure l'année dernière - d'abord par l'ouragan Irma, puis par l'ouragan Maria - Porto Rico a subi des dommages étendus et catastrophiques à son infrastructure urbaine. En utilisant des images satellites combinées à des techniques de traitement d'images, une équipe dirigée par Jeffrey Chambers, un expert en biogéographie forestière, ont également constaté d'importants dommages écologiques.

Les chercheurs ont évalué les dommages en examinant les changements dans la réflectance de surface de la lumière visible et invisible. Alors que l'œil humain peut discerner les couleurs dans le spectre visible, en mesurant également la réponse spectrale de la surface en lumière infrarouge réfléchissante, une image beaucoup plus précise est fournie des impacts sur la végétation forestière.

"Nous recherchons un changement dans la signature spectrale avant et après la tempête, " dit Chambers, un scientifique dans le domaine des sciences de la Terre et de l'environnement du Berkeley Lab ainsi qu'un professeur agrégé de géographie à l'UC Berkeley. « Quand la lumière du soleil rebondit sur la végétation verte, elle semble à sens unique, et quand il rebondit sur la végétation où les feuilles sont toutes arrachées ou les arbres sont tombés, c'est très différent. Nous trouvons des changements dramatiques dans la signature spectrale des forêts associés aux dommages, mortalité des arbres, arbres déracinés, feuilles dépouillées, et auvents."

Une prépublication de leur étude, « Impacts de l'ouragan Maria sur les forêts de Porto Rico, " a été publié en ligne. " La cartographie des impacts des perturbations et la publication des résultats peuvent prendre des années, " a déclaré Yanlei Feng, un étudiant diplômé de l'UC Berkeley en géographie qui est le premier auteur de l'étude. "Cette nouvelle approche utilisant la plate-forme Google Earth Engine permet de fournir des produits de données plus opportuns ; à utiliser dans les évaluations des dangers, par exemple."

Les chercheurs estiment que 23 à 31 millions d'arbres peuvent avoir été tués ou gravement endommagés par l'ouragan Maria, mais notent que des enquêtes sur le terrain sont nécessaires pour obtenir des estimations plus précises. Une analyse similaire qu'ils ont menée après l'ouragan Katrina a estimé que 320 millions d'arbres sont morts ou ont été gravement endommagés dans le Mississippi et la Louisiane.

Pourquoi étudier les forêts tropicales ?

Les forêts couvrent environ 54 pour cent de Porto Rico, et ce sont les seules forêts tropicales des États-Unis en dehors d'Hawaï. Cependant, contrairement à Hawaï, qui a peu d'espèces d'arbres indigènes, Les forêts de Porto Rico sont beaucoup plus diversifiées, avec des centaines d'espèces.

Le Berkeley Lab étudie les forêts de Porto Rico depuis plusieurs années dans le cadre de l'initiative Next Generation Ecosystem Experiments-Tropics (NGEE-Tropics) du Department of Energy, un projet multi-institutionnel lancé en 2015 et mené par Berkeley Lab. "L'un de nos objectifs est de démontrer que les forêts tropicales sont importantes pour les États-Unis, ", a déclaré Chambers.

L'étude et la compréhension des perturbations forestières sont importantes pour de nombreuses raisons, y compris la gestion des ressources naturelles, protection des bassins versants et impacts sur l'érosion des sols, et examiner les effets directs des chutes d'arbres sur le réseau de distribution d'énergie. Les forêts tropicales sont particulièrement importantes parce que, même s'ils ne couvrent que 7 % de la surface de la Terre, ils contiennent les plus gros stocks de carbone végétal, et sont également d'importants puits de carbone.

Dans le cadre de NGEE-Tropiques, Berkeley Lab a étudié les forêts de Porto Rico en tant que site d'étude pilote pour aider à améliorer la modélisation du système Terre. "Flux d'eau, énergie, carbone, et le cycle biogéochimique des nutriments est le plus élevé sous les tropiques, " a déclaré Chambers. " Donc, si vous voulez construire un modèle précis du système terrestre, il faut bien gérer les tropiques."

Traitement d'image avancé

Les chercheurs du Berkeley Lab ont regardé les images de Landsat 8, un satellite qui prend des images détaillées de la Terre entière tous les 16 jours, comparer les images d'avant et d'après les ouragans et éliminer les effets dus aux nuages ​​et aux ombres.

Les données sont collectées par Landsat 8 sous forme d'images de 30 mètres carrés de pixels. Les chercheurs ont quantifié la signature spectrale de chaque pixel forestier avant et après les tempêtes pour déterminer le changement dans la fraction de la surface considérée comme une végétation non photosynthétique. Ils ont constaté que les dommages n'étaient pas répartis uniformément dans les forêts de l'île.

"L'intensité du décalage spectral variait beaucoup à travers l'île, " Chambers a déclaré. "Maintenant, nous voulons mieux comprendre pourquoi certaines forêts étaient plus vulnérables que d'autres, et quels facteurs contrôlaient les différences dans la façon dont les forêts ont été affectées. Était-ce l'espèce, était-ce la pente, était-ce l'aspect – que vous soyez du côté au vent ou sous le vent alors que la tempête tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ? Le type de sol et la profondeur d'enracinement sont également des facteurs importants."

Par exemple, les cyprès et les tupelos de Louisiane ont très bien résisté à l'ouragan Katrina. "Les chênes juste à côté sont tous tombés, ", a déclaré Chambers. "Les cyprès ont des structures de contrefort et d'enracinement qui confèrent une résistance au vent."

Source de carbone ou puits de carbone ?

Les forêts éliminent le dioxyde de carbone de l'atmosphère par photosynthèse. Quand les tempêtes, les feux, ou d'autres perturbations tuent un grand nombre d'arbres, la biomasse morte est décomposée par les champignons, insectes, etc, rejetant du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Lorsque la mortalité des arbres est particulièrement élevée, une forêt peut passer du statut de puits de carbone à celui de source de carbone.

Mais Chambers souligne qu'un arbre peut mettre des décennies à se décomposer et à émettre tout son carbone. « Toutes les forêts sont perturbées chaque année à un certain taux de fond ; des changements dans le cycle du carbone se produisent si ce taux de fond augmente à mesure que les tempêtes deviennent plus fréquentes ou plus intenses, " a-t-il dit. Et Porto Rico a déjà connu des ouragans dévastateurs, y compris l'ouragan San Felipe Segundo de 1928, qui était encore plus fort que Maria, ainsi que les ouragans Georges en 1998 et Hugo en 1989.

Une autre étude récente du NGEE-Tropics a révélé que les forêts sèches subtropicales de Porto Rico resteront résistantes aux ouragans. Cependant, si la fréquence des ouragans augmente considérablement, les forêts n'auront pas assez de temps pour se régénérer. « Si la fréquence de retour d'une perturbation augmente, vous pouvez obtenir une baisse à long terme du stockage total de carbone, ", a déclaré Chambers.