Dettagliate immagini dallo spazio offrono una visione più chiara degli effetti della siccità sulle piante.

Dettagliate immagini dallo spazio mostrano gli effetti della siccità sulle piante in modo più chiaro.

I ricercatori di J-WAFS stanno utilizzando osservazioni di teledetenzione per costruire sistemi ad alta risoluzione per monitorare la siccità.

“Il MIT è un luogo dove i sogni diventano realtà”, dice César Terrer, professore assistente nel Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale. Qui al MIT, Terrer afferma di avere le risorse necessarie per esplorare le idee che trova più interessanti, e in cima alla sua lista c’è la scienza del clima. In particolare, è interessato alle interazioni tra piante e suolo e a come le due possano mitigare gli impatti del cambiamento climatico. Nel 2022, Terrer ha ricevuto il finanziamento di un grant dal Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) per produrre sistemi di monitoraggio della siccità per gli agricoltori. Il progetto si avvale di una nuova generazione di dispositivi di rilevamento remoto per fornire una valutazione della stress idrico delle piante ad alta risoluzione a livello regionale e globale.

Cresciuto a Granada, in Spagna, Terrer ha sempre avuto un’attitudine e una passione per la scienza. Ha studiato scienze ambientali presso l’Università di Murcia, dove ha fatto uno stage presso il Dipartimento di Ecologia. Utilizzando strumenti di analisi computazionale, ha lavorato sulla modellizzazione della distribuzione delle specie in risposta allo sviluppo umano. Fin dall’inizio della sua esperienza universitaria, Terrer considerava i suoi professori come “supereroi” con una sorta di sapere accademico. Sapeva che voleva seguirne le orme lavorando un giorno come docente universitario. Naturalmente, ci sarebbero stati molti passi da compiere prima di realizzare quel sogno.

• Sistema di iniezione batterica fornisce proteine in topi e cellule umane.
• Accelerare la scoperta di nuovi farmaci con modelli generativi di diffusione.
• Un sistema robotico a quattro zampe per giocare a calcio su vari terreni.

Dopo aver completato gli studi universitari, Terrer ha puntato su ruoli di ricerca entusiasmanti e avventurosi. Pensava di condurre lavori sul campo in Amazzonia, interagendo con le comunità native. Ma quando è stata offerta l’opportunità di lavorare in Australia su un esperimento sul cambiamento climatico all’avanguardia che simula i futuri livelli di anidride carbonica, si è spostato verso sud per studiare come le piante reagiscono alla CO2 in un bioma di alberi di eucalipto australiani nativi. È stata durante questa esperienza che Terrer ha cominciato a interessarsi al ciclo del carbonio e alla capacità degli ecosistemi di tamponare l’aumento dei livelli di CO2 causati dall’attività umana.

Circa nel 2014, ha iniziato a approfondire il ciclo del carbonio mentre iniziava il suo dottorato di ricerca all’Imperial College London. La domanda principale che Terrer cercava di rispondere durante il suo dottorato era “le piante saranno in grado di assorbire i futuri livelli previsti di CO2 nell’atmosfera?” Per rispondere alla domanda, Terrer è diventato un precoce utilizzatore di intelligenza artificiale, apprendimento automatico e rilevamento remoto per analizzare i dati degli esperimenti sul cambiamento climatico globale della vita reale. I suoi risultati da questi valori e osservazioni “a terra” hanno portato alla pubblicazione di un articolo nella rivista Science. In esso, ha affermato che i modelli climatici probabilmente sovrastimavano di tre volte la quantità di carbonio che le piante saranno in grado di assorbire entro la fine del secolo.

Dopo i postdottorati presso la Stanford University e la Universitat Autonoma de Barcelona, seguiti da una prestigiosa Lawrence Fellowship, Terrer afferma di avere “troppi progetti e non abbastanza tempo per realizzarli tutti”. Sa che è giunto il momento di guidare il proprio gruppo. Poco dopo aver fatto domanda per posizioni accademiche, è arrivato al MIT.

Nuovi modi per monitorare la siccità

Terrer sta utilizzando metodi simili a quelli che ha usato durante il suo dottorato di ricerca per analizzare i dati provenienti da tutto il mondo per il suo progetto J-WAFS. Lui e il postdoc Wenzhe Jiao raccolgono dati da satelliti di rilevamento remoto e da esperimenti sul campo e utilizzano l’apprendimento automatico per trovare nuovi modi per monitorare la siccità. Terrer dice che Jiao è un “maghetto del rilevamento remoto”, che fonde i dati di diversi prodotti satellitari per comprendere il ciclo dell’acqua. Con l’esperienza di idrologia di Jiao e la conoscenza di Terrer sulle piante, il suolo e il ciclo del carbonio, il duo è una squadra formidabile per affrontare questo progetto.

Secondo l’Organizzazione meteorologica mondiale delle Nazioni Unite, il numero e la durata delle siccità sono aumentati del 29% dal 2000, rispetto ai due decenni precedenti. Dall’Africa orientale all’ovest degli Stati Uniti, la siccità sta devastando la vegetazione e stressando gravemente le risorse idriche, compromettendo la produzione di cibo e aumentando l’insicurezza alimentare. Il monitoraggio della siccità può offrire informazioni fondamentali sulla posizione, la frequenza e la gravità della siccità, ma valutare l’impatto della siccità sulla vegetazione è estremamente complesso. Questo perché la sensibilità delle piante ai deficit idrici varia tra le specie e gli ecosistemi.

Terrer e Jiao sono in grado di ottenere una visione più chiara di come la siccità sta influenzando le piante utilizzando l’ultima generazione di osservazioni di rilevamento remoto, che offrono immagini del pianeta con una risoluzione spaziale e temporale incredibile. Prodotti satellitari come Sentinel, Landsat e Planet possono fornire immagini giornaliere dallo spazio con una risoluzione così alta che è possibile distinguere singoli alberi. Oltre alle immagini e ai dataset provenienti dai satelliti, il team sta utilizzando osservazioni sul campo dai dati meteorologici. Sta anche utilizzando il MIT SuperCloud presso il MIT Lincoln Laboratory per elaborare e analizzare tutti i dataset. Il progetto J-WAFS è uno dei primi a sfruttare dati ad alta risoluzione per misurare quantitativamente gli impatti della siccità sulle piante negli Stati Uniti, con la speranza di estendere il progetto a una valutazione globale in futuro.

Aiutare gli agricoltori e i gestori di risorse

Ogni settimana, il Monitor della siccità degli Stati Uniti fornisce una mappa delle condizioni di siccità negli Stati Uniti. La mappa ha una risoluzione zero ed è più una riepilogo o un riassunto della siccità, incapace di prevedere scenari di siccità futuri. La mancanza di una valutazione spazio-temporale completa degli impatti storici e futuri della siccità sulla produttività vegetale globale è dannosa per gli agricoltori sia negli Stati Uniti che in tutto il mondo.

Terrer e Jiao prevedono di generare metriche per lo stress idrico delle piante con una risoluzione senza precedenti di 10-30 metri. Ciò significa che saranno in grado di fornire mappe di monitoraggio della siccità alla scala di una tipica fattoria degli Stati Uniti, fornendo ai produttori dati più precisi ed utili ogni uno o due giorni. Il team utilizzerà le informazioni dei satelliti per monitorare la crescita delle piante e l’umidità del suolo, oltre al ritardo temporale della risposta della crescita delle piante all’umidità del suolo. In questo modo, Terrer e Jiao dicono che alla fine saranno in grado di creare una sorta di “previsione dello stress idrico delle piante” che potrebbe essere in grado di prevedere gli impatti avversi della siccità quattro settimane in anticipo. “In base all’attuale umidità del suolo e al tempo di risposta ritardato, speriamo di prevedere lo stress idrico delle piante in futuro”, dice Jiao.

I risultati attesi di questo progetto forniranno ai produttori, ai gestori di risorse terrestri e idriche e ai decisori politici dati più accurati a livello specifico per le aziende agricole, consentendo una migliore preparazione, mitigazione e adattamento alla siccità. “Ci aspettiamo di rendere i nostri dati a libero accesso online, dopo aver completato il progetto, in modo che gli agricoltori e altri stakeholder possano utilizzare le mappe come strumenti”, afferma Jiao. Terrer aggiunge che il progetto “ha il potenziale per aiutarci a comprendere meglio i futuri stati dei sistemi climatici, nonché identificare i punti critici regionali più suscettibili a crisi idriche a livello di governo nazionale, statale, locale e tribale”. Si aspetta anche che il progetto migliori la nostra comprensione delle risposte dei cicli idrico-carbonio-energia globali alla siccità, con applicazioni per determinare gli impatti dei cambiamenti climatici sugli ecosistemi naturali nel loro insieme.