Измерение высоты мировых лесов

Знание высоты мировых лесов позволяет оценить количество углерода, который они запасают. Это улучшит понимание взаимодействия лесов с атмосферой и их роли в смягчении изменения климата. Для проведения таких измерений консорциум, включающий эколога из Университета Брауна Джима Келлнера, разместит в 2019 году на борту Международной космической станции (МКС) усовершенствованный лазерный сканер.

NASA недавно объявило, что МКС примет два новых инструмента для экологических измерений. Джим Келлнер является участником одного из них — проекта Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI). Начиная с 2019 года, лазерный сканер в течение номинального срока миссии (один год) будет измерять высоту лесов по всему миру. Это поможет ученым определить, сколько углерода запасается в лесах и как этот показатель меняется со временем, что является ключевой информацией для понимания изменения климата.

Почему этот проект важен?

Проект важен в контексте глобального углеродного цикла и роли лесов в смягчении изменения климата. Леса глобально запасают огромное количество углерода в древесине и других растительных тканях. Баланс между поглощением и выделением CO₂ определяет, является ли лес чистым поглотителем или источником углерода.

Умеренные леса — стабильный поглотитель углерода. Статус тропических лесов менее определен: данные из разных источников противоречивы. Исследования атмосферы в Южной Америке показывают, что статус лесов Амазонии меняется со временем и зависит от колебаний климата. Однако измерения на наземных площадках указывают на увеличение запасов углерода в тропических лесах Южной Америки и Африки.

Активная область исследований — выяснить, репрезентативны ли данные с локальных площадок для обширных территорий. Единственный способ ответить на этот вопрос — наблюдать за лесными регионами на огромных площадях. Например, штормы, называемые конвективными взрывами, могут выровнять огромные территории в северо-западной Амазонии площадью более 10 квадратных миль за одно событие. Единственный способ учесть такую неоднородность — использовать дистанционное зондирование LiDAR, для чего и предназначен GEDI.

Еще один важный вклад проекта — помощь в идентификации локаций значительных поглотителей углерода в мировых лесах, что позволит понять механизмы, ответственные за эти поглотители.

Как измерения высоты позволяют понять глобальный углеродный баланс?

GEDI позволит «масштабировать» данные до уровня ландшафтов и целых континентов. Измеряя диаметр и высоту деревьев на нескольких наземных площадках, можно рассчитать их массу и суммурный запас углерода на данной площади. Затем, измерив высоту этого же участка с помощью LiDAR, можно создать калибровочное уравнение, связывающее оценку массы с высотой. Поскольку LiDAR может измерять высоту на обширных территориях, измерения высоты от GEDI в местах без полевых данных затем можно использовать для прогнозирования запасов углерода.

Как работает GEDI?

LiDAR измеряет время, за которое лазерный импульс достигает объекта и отражается обратно к датчику. Зная скорость света и точное положение датчика (определяемое орбитальной геометрией МКС), можно рассчитать расстояние до объекта и его местоположение. В случае GEDI отражающими объектами будут в основном лесные пологи и растительность.

Однако LiDAR не может «видеть» сквозь облака. Частично по этой причине инструмент оснащен 14 управляемыми лазерными лучами, что позволяет нацеливаться на конкретные локации, что будет полезно в persistently cloudy areas, например, на северо-западе Южной Америки.

Какова роль Джима Келлнера в коллаборации?

Его роль заключается в работе над проблемами калибровки и валидации, которые необходимо решить до того, как GEDI сможет предоставлять значимую информацию, а также в помощи с фокусировкой научных вопросов. Предстоит огромный объем полевых работ с использованием авиационного дистанционного зондирования для эмуляции измерений GEDI, разработки алгоритмов и вычислительных структур для интерпретации данных. В этом усилии будут возможности для участия студентов Университета Брауна.