Occhi sull’Artico: Il Nostro Viaggio Spettrale tra Alaska e Canada con ABoVE (2017-2023)

Ragazzi, preparatevi a fare un viaggio incredibile con me, sorvolando le terre sconfinate e selvagge dell’Artico e delle regioni boreali! Parliamo di un’avventura scientifica pazzesca, quella del progetto ABoVE (Arctic Boreal Vulnerability Experiment) della NASA. Dal 2015, ci siamo tuffati a capofitto per capire come il cambiamento climatico, quel fenomeno che chiamiamo “amplificazione artica” (l’Artico si scalda quasi quattro volte più velocemente del resto del mondo!), stia mettendo alla prova la resilienza degli ecosistemi lassù, in Alaska e nel Canada nord-occidentale.

Un Cielo Pieno di Dati: Le Campagne Aeree ABoVE

Immaginate di volare su aerei equipaggiati con strumenti fantascientifici. Tra il 2017 e il 2023 (con una pausa nel mezzo, ma siamo tornati più carichi di prima!), abbiamo usato due gioiellini tecnologici: l’AVIRIS-NG (Next Generation Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer) e, nel 2023, il suo successore, l’AVIRIS-3. Cosa fanno? Beh, non sono semplici macchine fotografiche. Sono spettrometri per immagini super avanzati. In pratica, catturano la “firma luminosa” riflessa dalla superficie terrestre in centinaia di colori diversi, molti dei quali invisibili all’occhio umano (dal visibile all’infrarosso a onde corte, per la precisione 425 bande!).

Questo ci permette di “vedere” la composizione chimica e fisica di ciò che sorvoliamo con un dettaglio senza precedenti. Pensate: abbiamo raccolto dati su circa 120.000 km², con una risoluzione nominale di 5 metri per 5 metri! È come avere una mappa iper-dettagliata di tundra, taiga (la foresta boreale), torbiere e zone umide. Abbiamo seguito lunghi corridoi (chiamati “transects”) per studiare i passaggi cruciali, come quello tra tundra e foresta, e abbiamo creato mappe enormi, fino a 10.000 km², di aree chiave come il delta del fiume Mackenzie. Un lavoro immenso!

Perché Tutta Questa Fatica? L’Importanza dei Dati AVIRIS

Vi chiederete: “Ma perché sorvolare così tanto l’Artico?”. La risposta è semplice e cruciale: capire il presente per prevedere il futuro. Questi dati sono una vera e propria miniera d’oro.

• Benchmark per i Satelliti: Sono fondamentali per calibrare e validare i dati che arrivano (o arriveranno) da satelliti come PACE, PRISMA (dell’Agenzia Spaziale Italiana, un orgoglio!), EnMAP (tedesco), e i futuri SBG (NASA) e CHIME (ESA). Pensate che l’orbita della Stazione Spaziale Internazionale non permette di acquisire dati così a nord con strumenti simili (come EMIT), quindi i nostri voli sono ancora più preziosi!
• Scienza dell’Ecosistema: Ci permettono di studiare una marea di cose diverse. Come cambia la vegetazione? Come si accumula il materiale infiammabile nelle foreste? Dove sono le “sorgenti calde” di emissioni di metano dalle zone umide o dallo scongelamento del permafrost? Come influiscono gli incendi o persino l’attività dei castori sull’ambiente?
• Serie Temporali: Ripetendo i voli negli anni (2017, 2018, 2019, 2022, 2023), iniziamo a costruire una serie storica per vedere i cambiamenti nel tempo. Stiamo assistendo alla “borealizzazione” della tundra (le foreste avanzano verso nord) e alla trasformazione rapida degli ecosistemi legati al permafrost.
• Sinergia tra Sensori: I voli AVIRIS sono stati pianificati in coordinamento con altri strumenti aerei di ABoVE, come radar (PolInSAR), lidar (LVIS) e sensori per misurare l’altezza dell’acqua (AirSWOT) o i gas serra (Arctic-CAP). Mettere insieme tutti questi dati ci dà una visione ancora più completa, un po’ come combinare vista, udito e tatto per capire il mondo.

Dalla Radianza alla Riflettanza: Rendere i Dati Utilizzabili

Raccogliere i dati è solo il primo passo. Quello che lo strumento misura è la radianza, cioè la luce che arriva al sensore. Ma per studiare davvero la superficie, ci serve la riflettanza, cioè quanta luce viene riflessa dal suolo, dalla vegetazione, dall’acqua. Per passare dalla radianza (dati L1B) alla riflettanza (dati L2A), dobbiamo fare un’operazione complessa chiamata correzione atmosferica.

L’atmosfera, con i suoi gas e aerosol (particelle sospese), interferisce con la luce. Dobbiamo “pulire” il segnale da questi disturbi. Usiamo algoritmi sofisticati, basati su modelli fisici e tecniche di machine learning (come il codice open-source ISOFIT, sviluppato anche grazie all’esperienza con la missione EMIT sulla ISS), per stimare le condizioni atmosferiche (vapore acqueo, aerosol) e calcolare la riflettanza più probabile per ogni pixel. È un processo che richiede grande cura e continui controlli di qualità, sfruttando anche dati raccolti durante il volo stesso per calibrare al meglio gli strumenti.

Cosa Ci Raccontano le Immagini Spettrali? Esempi Concreti

Questi dati hanno già aperto le porte a scoperte affascinanti! Ad esempio:

• Abbiamo valutato il carico di combustibile per gli incendi nelle foreste boreali, informazione vitale in un’era di incendi sempre più frequenti e intensi.
• Abbiamo identificato hotspot di emissioni di metano, un potente gas serra, provenienti da zone umide, laghi termocarsici (formatisi dallo scongelamento del permafrost) e persino da infrastrutture industriali.
• Abbiamo mappato le aree bruciate dagli incendi nella tundra e studiato l’impatto dell’ingegneria idraulica dei castori, che stanno espandendo il loro areale verso nord.
• Abbiamo osservato il fenomeno del “greening”, l’inverdimento di alcune aree dovuto a temperature più miti, ma anche il “browning”, l’imbrunimento legato ad altri stress.
• Abbiamo confrontato i dati aerei con quelli ottenuti da droni (UAV) a risoluzione centimetrica e con misurazioni a terra (spettri fogliari, composizione vegetale) per validare i nostri risultati e sviluppare algoritmi per stimare le caratteristiche funzionali delle piante (come il contenuto di clorofilla, acqua, azoto) direttamente dalle immagini aeree.

Un Tesoro Accessibile a Tutti

La cosa forse più bella è che questo enorme patrimonio di dati, uno dei più grandi archivi di spettroscopia per immagini aeree mai raccolti, è pubblicamente accessibile! Grazie all’Oak Ridge National Laboratory Distributed Active Archive Center (ORNL DAAC), chiunque sia interessato – ricercatori, studenti, appassionati – può scaricare e analizzare questi dati. Sono forniti in formati standard (ENVI) con tutte le informazioni necessarie (metadati, file di geolocalizzazione, ecc.). Ci sono anche strumenti e librerie software open-source (come quelle sviluppate per EMIT o EnMAP Box) che possono aiutare nell’analisi.

Questo dataset ABoVE AVIRIS (che trovate cercando i DOI 10.3334/ORNLDAAC/2362 per AVIRIS-NG 2017-2022 e 10.3334/ORNLDAAC/2356 per AVIRIS-3 2023) rappresenta una risorsa incredibile. È una finestra dettagliata su un mondo che sta cambiando sotto i nostri occhi a una velocità impressionante. Studiarlo è fondamentale non solo per la scienza, ma per il futuro di tutti noi. Spero che questo viaggio vi abbia affascinato almeno quanto ha affascinato me farne parte!

Fonte: Springer