Et præcist kemisk fingeraftryk af Amazonas

I 2017 Skotte Martin, Gordon McKay professor i miljøvidenskab og teknik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), forestillede sig et nyt dronebaseret kemisk overvågningssystem til at spore Amazonas sundhed i lyset af globale klimaændringer og menneskeskabt skovrydning og afbrænding.

Projektet vil overvåge kemiske signaler udsendt af planter kendt som flygtige organiske forbindelser (VOC'er), som hjælper planter med at interagere med organismer omkring dem. 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. Overvågning og oversættelse af disse signaler kan afsløre, hvordan skovøkosystemer reagerer på stress forårsaget af klimaændringer.

Traditionelt, denne form for overvågning er blevet udført fra store platformstårne, der rejser sig over skovens baldakin.

"Amazonas indeholder tusindvis af små økosystemer, hver med deres egne biodiversitets- og VOC-signaler, " sagde Jianhuai Ye, en postdoktor ved SEAS. "Endnu, der er mindre end 10 af disse tårne ​​i hele skoven, og de er alle bygget i lignende økosystemer, hvor jorden kan understøtte store strukturer. Som du kan forestille dig, dette fører til en masse skævhed i dataene."

Martin, Dig og resten af ​​holdet, som omfatter samarbejdspartnere fra Amazonas State University (UEA) og Amazonas State Research Support Foundation (FAPEAM), troede, at droner kunne give mere nøjagtige data om skoven.

Deres første mission viste, hvor ret de havde.

I sommeren 2018, efter år med prototyping, forskerne brugte deres specialdesignede droner til at kortlægge det kemiske fingeraftryk for to forskellige økosystemer i det centrale Amazonia. Det, de fandt, væltede de fleste nutidige biosfære-emissionsmodeller, som antog, at nærliggende økosystemer havde samme emissioner.

Forskningen er publiceret i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Planter og insekter kommunikerer ofte via kemisk signalering, snarere end visuel eller vokal signalering mere almindelig blandt dyr, " sagde Martin. "Med vores kemiske sensorer, vi kan bedre forstå skovens nuværende funktion, og hvordan den ændrer sig med skiftende regionsklima, herunder en hyppigere forekomst af brande i de senere år i den centrale del af Amazonas."

I det centrale Amazonas, skrånende bakker giver anledning til plateauer og vandfyldte dale, dissekeres af vandløb og floder. Hvert af disse økosystemer - skovene på bjergskråningerne, skovene på plateauerne og i dalene, og vegetationen langs vandkanterne - har et andet kemisk fingeraftryk.

Forskergruppen fløj droner over platoskove og skråninger. De fandt ud af, at koncentrationerne af en VOC kaldet isopren var mere end 50 procent højere i plateauskoven end i skråningsskoven. Ved at bruge disse data, de udviklede en model, der antydede, at isoprenemissioner fordoblet til tredoblet blandt disse forskellige skovundertyper. I mangel af målinger, tidligere emissionsmodeller antog ingen forskel.

"Denne forskning fremhæver, hvor lidt vi forstod skovens heterogenitet, " sagde Martin. "Men drone-assisterede teknologier kan hjælpe os med at forstå og kvantificere VOC-emissioner i forskellige, nærliggende økosystemer for bedre at repræsentere dem i klima- og luftkvalitetsmodelsimuleringer."

Forskerne planlægger at tage prøver af økosystemer i vandfyldte dale og langs floderne i efteråret 2019 ved at bruge en båd midt i floden som platform til at opsende og hente dronerne. De planlægger også at teste en tre-drone flåde, der opereres i forening.