NASA pomaga międzynarodowemu zespołowi w badaniu jednego z najbardziej zróżnicowanych ekosystemów na świecie

Instrumenty kosmiczne i powietrzne NASA pomagają międzynarodowemu zespołowi badać różnorodność biologiczną na lądzie i w wodach wokół Republiki Południowej Afryki.

Międzynarodowy zespół naukowców spędził październik i listopad 2023 r. w terenie, badając jeden z najbardziej zróżnicowanych biologicznie regionów na świecie – region kwiatowy Great Cape w Republice Południowej Afryki. W ramach tych wysiłków badacze wykorzystali instrumenty powietrzne i kosmiczne NASA do gromadzenia uzupełniających danych, aby lepiej zrozumieć unikalne ekosystemy wodne i lądowe w tym regionie. Ich odkrycia posłużą do określenia możliwości przyszłych misji kosmicznych mających na celu badanie roślin i zwierząt.

„Żywność, którą jemy, czysta woda, którą pijemy i powietrze, którym oddychamy, pochodzą z różnorodności życia na Ziemi” – powiedziała Erin Hester z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Merced, główna badaczka kampanii ds. organizmów wodnych. „W miarę utraty gatunków prawdopodobnie utracimy zdolność Ziemi do utrzymywania zdrowych społeczności ludzkich oraz zapewniania wszystkim zdrowej żywności i czystej wody”.

Przedsięwzięcie, znane jako Cape Biodiversity Survey (BioScape), to efekt szeroko zakrojonej współpracy prowadzonej przez NASA w Stanach Zjednoczonych, Uniwersytet w Buffalo w Nowym Jorku i Uniwersytet Kalifornijski w Merced. W Afryce Południowej projektem kieruje Uniwersytet w Kapsztadzie i Południowoafrykańska Sieć Obserwacji Środowiska.

Region kwiatowy Great Cape obejmuje około 2,5 miliona akrów (1 milion hektarów) na południowo-zachodnim krańcu Republiki Południowej Afryki. To siedlisko różnorodności biologicznej, będące domem dla wielu gatunków roślin i zwierząt, niespotykanych nigdzie indziej na Ziemi, zostało wpisane na Listę Światowego Dziedzictwa Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Oświaty, Nauki i Kultury (UNESCO). W regionie znajduje się także kilka Rezerwatów Biosfery UNESCO chroniących unikalne środowiska lądowe i wodne.

Zespół BioScape testuje, jak dobrze teledetekcja powietrzna i satelitarna może scharakteryzować różnorodność biologiczną regionu na lądzie, wodzie słodkiej i morzu. Przyrządy kosmiczne i samoloty mogą pokrywać większy obszar – i robić to szybciej i częściej – niż załogi w terenie. Ma to szeroki zakres praktycznych zastosowań, od mapowania obecności roślin inwazyjnych po lepsze zrozumienie czynników powodujących szkodliwe zakwity glonów.

Trudny obszar

„Afryka Południowa jest miejscem bardzo zróżnicowanym biologicznie, ale bardzo trudnym środowiskiem do prowadzenia badań teledetekcyjnych” – powiedziała Annabelle Cardoso, dyrektor zespołu naukowego BioScape na uniwersytetach w Buffalo i Uniwersytecie w Cape Town. „Przy tak dużej liczbie gatunków roślin i zwierząt skupionych na stosunkowo niewielkim obszarze, użycie narzędzi teledetekcji do rozróżnienia gatunków żyjących blisko siebie może być trudne”.

Trzy czujniki lotnicze BioScape to spektroradiometry obrazujące, które monitorują różne długości fal światła widzialnego i podczerwonego odbitego lub emitowanego przez różne materiały na powierzchni Ziemi i w atmosferze. Każda substancja ma swój własny widmowy odcisk palca, dzięki któremu badacze wiedzą, co obserwują.

Na przykład dominującą roślinnością na obszarze kwiatowym Greater Cape jest rodzaj krzewu zwanego fynbos, który obejmuje tysiące gatunków roślin. „Chcemy wiedzieć, czy sygnatury widmowe blisko spokrewnionych odmian fynbo różnią się na tyle, abyśmy mogli je rozróżnić w danych” – powiedziała Kerry Koss-Nicholson, naukowiec w Jet Propulsion Laboratory NASA w południowej Kalifornii.

„Charakterystyka różnorodności biologicznej fitoplanktonu w wodach przybrzeżnych i śródlądowych za pomocą danych ze spektrometru obrazowego przyczyni się do postępu w nauce w zakresie dynamiki ekosystemów wodnych” – powiedziała Leanne Guild, naukowiec w Centrum Badawczym Ames NASA w Dolinie Krzemowej w Kalifornii. Dokona tego poprzez zapewnienie nowego wglądu w interakcje ląd-woda, w tym smugi rzeczne, spływy, sedymentację i zakwity glonów w wodach przybrzeżnych i śródlądowych, które mogą mieć wpływ na bezpieczeństwo żywnościowe.

Tego typu możliwości teledetekcji będą niezbędne dla przyszłych satelitów, takich jak misja zajmująca się biologią i geologią powierzchni planowana dla Obserwatorium Systemu Ziemi NASA.

Pełniejszy obraz

Załogi BioScape zebrały dane na lądzie i w wodzie, a działania obejmowały prowadzenie badań roślin i zwierząt oraz pobieranie próbek DNA środowiska. Ich odkrycia poszerzą i pomogą potwierdzić informacje o gatunkach zebrane przez cztery pokładowe instrumenty NASA i dwa instrumenty kosmiczne tej agencji.

Lotniczym spektrometrem do obrazowania w świetle widzialnym/podczerwonym nowej generacji, hiperspektralnym spektrometrem emisji termicznej i mobilnym spektrometrem do zdalnego obrazowania montowanym na samolocie zarządza JPL. Ich wykrywanie sygnatur widmowych obejmuje zakres od ultrafioletowej części widma do części widzialnej i podczerwonej. Łącznie zebrane dane dostarczają informacji ułatwiających między innymi rozróżnienie gatunków i badanie jakości wody w zbiornikach wodnych.

Czwartym instrumentem pokładowym, obsługiwanym przez Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda w Maryland, jest czujnik lądu, roślinności i lodu, który wykorzystuje technologię laserową zwaną lidarem do tworzenia trójwymiarowej reprezentacji powierzchni Ziemi i roślinności. Dane te mogą dostarczyć informacji na temat struktury roślinności – w tym wysokości drzew, roślin i warstw wnętrza lasu – a także topografii terenu pod zadrzewieniem. Dane te pomogą również w kalibracji i informowaniu obecnych i przyszłych lidarów kosmicznych, na przykład w badaniach globalnej dynamiki ekosystemów działających obecnie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej oraz potencjalnej misji polegającej na badaniu topografii powierzchni i roślinności.

Ponadto zespół BioSCape wykorzystuje obserwacje z dwóch instrumentów obsługiwanych przez JPL na stacji kosmicznej. Przeprowadzony przez NASA eksperyment radiometryczny z ekosystemem termicznym na stacji kosmicznej mierzy temperaturę powierzchni Ziemi i można go wykorzystać do oceny stresu roślin spowodowanego temperaturą lub dostępnością wody. Spektrometr obrazowy EMIT, skrót od Earth Surface Mineral Dust Source Investigation, gromadzi między innymi dane na temat minerałów powierzchniowych, zapewniając wgląd w geologię regionu kwiatowego Greater Cape.

„Jedną z naprawdę ekscytujących rzeczy jest to, że łącząc spektroskopię ze strukturą 3D, możemy uzyskać szczegółowy biochemiczny i strukturalny obraz ekosystemu” – powiedział Adam Wilson z Uniwersytetu w Buffalo i jeden z głównych badaczy wyprawy. Może to pomóc w określeniu, jakie rodzaje roślin żyją w różnych środowiskach, obecność roślin inwazyjnych i sposób, w jaki rośliny regenerują się po pożarach.

Dane zebrane przez BioScape mają potencjał do szeroko zakrojonych badań i zastosowań, szczególnie dla mieszkańców Republiki Południowej Afryki. Projekt został opracowany we współpracy z kilkoma instytucjami z Afryki Południowej, a także z krajowymi i regionalnymi systemami parków, które planują zintegrować dane i analizy z BioScape z zarządzaniem zasobami naturalnymi.