Gli scienziati portano le foreste nell’Internet delle cose

Le foreste hanno una relazione complessa con il cambiamento climatico. Da un lato, assorbono il carbonio atmosferico, proliferando anche in presenza di cambiamenti climatici. D’altra parte, possono soffrire di un maggiore stress termico, degradando la loro capacità di assorbimento del carbonio e la resistenza alla siccità. Con un finanziamento di circa 10,5 milioni di dollari dalla Fondazione tedesca per la ricerca, gli scienziati in Europa stanno ora strumentando le foreste con nuovi sensori per capire meglio come i boschi sono influenzati dal cambiamento climatico.

Mescolando la scienza forestale con la tecnologia Internet of Things (IoT), i droni e altri dispositivi, EcoSense cercherà di far luce sugli effetti del cambiamento climatico sulle interazioni tra piante, suolo e atmosfera. Queste interazioni variano a seconda della specie, della posizione e del popolamento forestale, che si riferisce a raccolte di alberi in una foresta che sono abbastanza uniformi per età, dimensioni, distribuzione e altri fattori. L’iniziativa EcoSense porterà nuove tecnologie al monitoraggio delle foreste a seguito di sforzi come la foresta cablata dell’Università di Harvard.

“Non capiamo quando e perché estremi climatici come ondate di caldo o siccità spingano singoli alberi o macchie di foresta oltre i loro punti critici”.

In particolare, il progetto studierà i processi abiotici e biotici del carbonio forestale e lo scambio di acqua, come l’ecosistema risponde ai fattori di stress ambientali, consentendo la previsione dei cambiamenti basati sui processi nella funzione e nella sostenibilità dell’ecosistema, secondo uno schema del progetto. I dati della rete di sensori in tempo reale saranno trasferiti a un database per l’analisi e modelli di simulazione di deep learning per generare previsioni a breve e medio termine.

“Il cambiamento climatico ha già un enorme impatto sugli ecosistemi forestali. Assistiamo a un aumento della mortalità degli alberi in tutto il mondo”, ha affermato Christiane Werner, professoressa di fisiologia dell’ecosistema presso l’Istituto di scienze della terra e dell’ambiente dell’Università di Friburgo, sottolineando gli effetti della siccità europea del 2018 sugli alberi. “Attualmente, disponiamo di modelli consolidati per prevedere il funzionamento complessivo dell’ecosistema in condizioni non stressate, ma non capiamo quando e perché estremi climatici come ondate di calore o siccità spingano singoli alberi o macchie di foresta oltre i loro punti critici”.

Internet delle cose legnose

Il gruppo di ricerca strumenterà diversi ettari collinari della Foresta Nera nel sud-ovest della Germania, coprendo boschi di faggio puro, abete rosso puro e alberi misti. I cambiamenti climatici nella foresta possono avere ripercussioni più ampie; il bosco è di importanza economica e turistica per la Germania, famosa per le sue fattorie tradizionali, gli orologi a cucù e l’omonimo prosciutto e torta.

Il kit di strumenti EcoSense potrebbe includere anidride carbonica (CO2) sensori, droni dotati di fotocamera e altri dispositivi. Il team inizialmente distribuirà dispositivi disponibili in commercio e poi, dal 2024, li sostituirà con microsensori di nuova concezione, alcuni dei quali saranno energeticamente autonomi, secondo Ulrike Wallrabe, professore presso il Dipartimento di ingegneria dei microsistemi dell’Università di Friburgo.

“Vogliamo misurare i flussi di acqua, la CO2 isotopica discriminata2 e composti organici volatili e marcatori di stress, principalmente efficienza fotosintetica mediante fluorescenza della clorofilla dal suolo fino all’atmosfera”, ha affermato Wallrabe. “La rete di sensori comprenderà sensori nuovi, compatti e, ove possibile, autonomi dal punto di vista energetico che saranno sviluppati nell’ambito del progetto”.

Daniel Kneeshaw, un ricercatore sulle foreste e sui cambiamenti climatici presso l’Università del Quebec a Montreal che non è affiliato con EcoSense, ha affermato che il progetto sta esaminando parametri interessanti che dovrebbero essere utili a un’ampia varietà di ricercatori.

“Come suggeriscono i ricercatori, ciò che accade su scala cellulare quando viene ridimensionato può avere profondi impatti tra le regioni”, ha affermato Kneeshaw, aggiungendo di voler sapere come i dati di EcoSense verranno ridimensionati su e giù. “Una migliore comprensione dei meccanismi ci aiuterà a essere meglio preparati per i cambiamenti futuri. Avere tali reti in tutto il mondo e far parlare gli scienziati delle diverse reti [about them] porterà a risultati e interpretazioni ancora più solidi.”

Il progetto EcoSense mira a iniziare a pubblicare studi nel 2023, ma alcuni gruppi ad esso affiliati hanno già iniziato a pubblicare i risultati. Ad esempio, un gruppo che includeva Werner ha pubblicato un documento su un fluorometro clorofillico autonomo e wireless che misura l’efficienza della fotosintesi nelle piante. Con una portata di 10 chilometri, il nuovo dispositivo può essere fissato ovunque su un albero ed è a bassa potenza e relativamente poco costoso.

Oltre al suo finanziamento iniziale di 4 anni, EcoSense ha un’opzione di due estensioni di 4 anni per ottenere una prospettiva a lungo termine. I ricercatori hanno grandi aspettative di risultati significativi.

“La nostra particolarità è l’allineamento unico della ricerca sugli ecosistemi con la tecnologia dei microsistemi. I principi di rilevamento autonomo distribuiti apriranno una nuova porta per la ricerca sugli ecosistemi”, ha affermato Werner. “Otterremo una copertura trasversale senza precedenti, sia a livello spaziale, dalla foglia alla foresta, sia in una dimensione temporale, da minuti ad anni, dei processi e delle interazioni che guidano i flussi di carbonio e acqua, compresi i marcatori di stress come volatili composti organici e fluorescenza della clorofilla.”

—Tim Hornyak (@robotopia), Scrittore scientifico

Citazione: Hornyak, T. (2022), Gli scienziati portano le foreste nell’Internet delle cose, Eos, 103, https://doi.org/10.1029/2022EO220368. Pubblicato il 1 agosto 2022.
Testo © 2022. Gli autori. CC BY-NC-ND 3.0
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