Projektet bruger droner til at overvåge Amazonas sundhed

Amazonas bassinet, hjemsted for den største regnskov i verden, spiller en afgørende rolle i at opretholde planetens kulstofbudget, absorberer og lagrer milliarder af tons kuldioxid årligt. Men et vendepunkt tårner sig op i horisonten - et, der kan gøre en af ​​denne vitale kulstofdræn til en af ​​de største kilder til kuldioxid på planeten.

Ved at "dufte til skoven, "et Harvard-ledet team af forskere forsøger at måle, hvordan og hvornår det kunne ske.

Mens planeten opvarmes, tørke, skovbrande og skiftende vejrmønstre truer omkring 400 milliarder træer i Amazonas, hvoraf nogle allerede er i fare fra skovhugst og minedrift. Efterhånden som træer beskadiges - eller dræbes - nedbrydes de og frigiver kulstof til atmosfæren.

"Klima forandring, såvel som menneskeskabt skovrydning og biomasseafbrænding, kan føre til økologiske og klimatiske vendepunkter, der kan frigive massive puljer af lagret kulstof, " sagde Scot Martin, Gordon McKay professor i miljøvidenskab og ingeniørvidenskab ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og professor i jord- og planetvidenskab i afdelingen for jord- og planetvidenskab.

Spørgsmålet er:hvordan ved vi, hvornår vi nærmer os det vendepunkt?

Martin, med et internationalt hold af forskere og samarbejdspartnere fra Amazonas State University (UEA) og Amazonas State Research Support Foundation (FAPEAM), har udviklet et tidlig detektionssystem til at overvåge ændringer i Amazonas.

Martins forskning sigter mod bedre at forstå, hvordan Amazonas reagerer på stress. I et igangværende projekt, finansieret af Harvard University's Climate Change Solutions Fund (CCSF), Martin og hans team kortlægger og overvåger de unikke kemiske signaler, der udsendes af træer kendt som flygtige organiske forbindelser (VOC'er).

Vi har alle fornemmet VOC'er - det er, hvad du lugter i nyslået græs eller når du går gennem en fyrreskov. Ligesom menneskelige feromoner, VOC'er hjælper planter med at interagere med organismer omkring dem. De tiltrækker insekter til bestøvning og frøspredning, reagere på stress, og endda sende advarselsskilte til naboplanter om, at rovdyr angriber. Hver planteart udsender en anden VOC-signatur - som et fingeraftryk - som kan ændre sig afhængigt af årstiden, eller hvis planten er under tvang fra, for eksempel, tørke eller oversvømmelse.

"Skovene kan tale til os gennem VOC'er, " sagde Martin. "Oversættelse af disse signaler kan føre til en kvantitativ forståelse af, hvordan skovøkosystemer reagerer på klimastress og klimaændringer."

Men der er store udfordringer ved at indsamle data om VOC'er. Først, Amazonas regnskoven dækker svimlende 550 millioner hektar. Inden for det massive biom er der tusindvis af mindre økosystemer, hver med deres egne biodiversitets- og VOC-signaler.

Fly kan tilbagelægge store afstande, men kan ikke flyve lavt nok til at indsamle VOC-prøver, som når højder på omkring en kilometer eller mindre over baldakinen. Tårne kan sanse i den rigtige højde, men kun for det lokale økosystem.

For at bygge bro over denne canyon af data, Martin og hans team vender sig til droner.

"Det, der gør dronebaserede sensorer så spændende, er, at de giver mulighed for at indsamle data i uudforskede skalaer, " sagde Martin. "Dette kan føre til revolutionerende indsigt i Amazonas økosystemer under klimastress og forventede ændringer i klima og biodiversitet."

Den her sommer, holdet rejste dybt ind i Amazonas for at teste en VOC-prøveudtagningsprototype udviklet af Daniel Wang S.B. '17 for sit seniordesignspeciale. Prototypen, en lille prøvetagningsboks fastgjort direkte til en drone, trækker luft ind fra det omgivende miljø og passerer den gennem prøvetagningsrør, der fanger VOC-molekyler. Under vejledning af rådgivere Martin og Karena McKinney, Associate in Environmental Science &Engineering, Wang brugte lette materialer, der kunne modstå høje jungletemperaturer og luftfugtighed.

Testen var en succes.

"Instrumentet fungerede fejlfrit, " sagde Wang.

Holdet lancerede prototypen fra et tårn placeret i Manaus Botaniske Have (MUSA). Holdet testede dronens rækkevidde og grænser, sende den til bestemte GPS-punkter op til en kilometer væk fra tårnet. Dronen indsamlede prøver i forskellige højder og specifikke punkter undervejs, og vendte hjem hver gang.

"Oplevelsen af ​​at være i junglen, med en enhed, jeg har designet på en bænk tilbage på Harvard, var utroligt, " sagde Wang. "Vi var i stand til at flyve denne teknologi ind i tidligere uudforskede rum og indsamle prøver, der forhåbentlig vil fortælle os mere om junglens kemiske fingeraftryk."

Med støtte fra CCSF, Martin og hans team af brasilianske samarbejdspartnere vil fortsætte med at udvikle sig, teste og flyve VOC-prøvetagningsdroner over Amazonas.

Holdet flyver i øjeblikket med droner over forskellige typer skove, herunder lavtliggende vandlidende regioner og højere terra firma skove, at udvikle en database med VOC-fingeraftryk under normale forhold. Efter det, de samme skove vil blive overvåget i perioder med stress i den våde og tørre sæson for at lære, hvordan VOC-fingeraftrykkene ændrer sig.

Martin og Harvard-teamet besøger Amazonas en halv snes gange om året.

Mens Martin er tilbage på Harvard, hans brasilianske samarbejdspartnere – fire ph.d.-studerende ved UEA – fortsætter med at udvikle dronerne og prøvetagningsteknologien og VOC-analyseteknikkerne.

Dette samarbejde er nøglen til projektets succes.

"Jeg tror på iterativ succes, " sagde Martin. "Enhver kan blive ekspert efter 100 runder med feedback. Gennem UEA og FAPEAM samarbejdet med SEAS, de lokale UEA-ph.d.-studerende kan udføre én flyvning og VOC-analyse hver 24. til 48. time. Så, inden for et halvt år, du har det bedste hold på planeten, der udfører disse flyvninger. Uden det samarbejde det ville tage Harvard-teamet et årti at opbygge den ekspertise. Så, dette samarbejde er fantastisk ikke kun for videnskab, der er relevant for menneskeheden, men også for det kombinerede hold af studerende, postdocs, og fakultet i UEA-FAPEAM-SEAS-samarbejdet."