La NASA encourage des moyens innovants de comprendre la biodiversité

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Le coucou à bec jaune a des ailes brunes molles, un ventre blanc, une longue queue avec des taches noires et blanches, et il manque d’endroits où vivre. La population de coucou dans son aire de reproduction d’origine dans l’est des États-Unis a diminué au cours des dernières décennies en raison de l’urbanisation, des vagues de chaleur et d’autres facteurs. Le changement climatique réduira probablement davantage son habitat convenable.

Bien que le coucou ne soit qu’une espèce dans un vaste monde de flore et de faune, son histoire n’est pas unique. Pour étudier et surveiller les changements dans la biodiversité de la Terre, ou l’immense volume d’organismes dans le monde, des scientifiques et des citoyens scientifiques enregistrent leurs observations sur le terrain. Dans le même temps, des capteurs au sol et à bord des satellites et des avions surveillent la flore et la faune à l’échelle régionale à mondiale.

La NASA a financé quatre projets pour créer de nouveaux portails virtuels qui mettent en évidence cette richesse d’informations sur la biodiversité pour aider à informer les scientifiques, les gestionnaires des terres et les décideurs du monde entier sur l’état et la santé des écosystèmes terrestres.

Chacun de ces projets met en évidence un aspect différent de la biodiversité et permet aux utilisateurs de créer des cartes faciles à utiliser et d’autres produits d’information pour suivre les espèces saines et vulnérables alors qu’elles se disputent les ressources, migrent vers des habitats plus sûrs et s’adaptent aux changement climatique.

«Des écosystèmes sains et une riche biodiversité sont essentiels à la vie sur Terre», a déclaré Laura Rogers, chef de projet qui supervise ces efforts au Langley Research Center de la NASA à Hampton, en Virginie. «Ces projets fournissent des informations essentielles aux défenseurs de l’environnement et aux décideurs pour protéger notre planète», a déclaré Rogers.

Où sont les plantes et les animaux?

Si vous avez déjà repéré une grenouille vert vif avec des rayures de tigre et vous êtes demandé, qu’est-ce que c’est et comment puis-je en trouver d’autres, vous avez de la chance. Les grenouilles à feuilles rayées de tigre sont l’une des nombreuses espèces incluses dans la Map of Life , une base de données virtuelle interactive qui suit mammifères, oiseaux, reptiles, amphibiens et certaines espèces de poissons, d’insectes et de plantes à travers le monde. La base de données peut également prévoir où les espèces vivront à l’avenir et vous aider à déterminer si leurs habitats seront protégés par les lois et règlements.

A tiger-striped leaf frog (Phyllomedusa tomopterna) sits on a leaf.
Une grenouille feuille à rayures tigrées (Phyllomedusa tomopterna) est assise sur une feuille. Crédit: Bernard DUPONT / Flickr (CC BY -SA 2.0)

«Alors que le monde qui nous entoure change rapidement, la société, les décideurs, les entreprises et les individus doivent prendre des décisions sur la manière dont nous nous engageons dans l’environnement», a déclaré Walter Jetz, professeur à l’Université de Yale, responsable de la carte de la vie. effort. «Les données augmentent rapidement», a déclaré Jetz.

L’outil Carte de la vie intègre des images satellites, des archives de musée, des résultats de modélisation et des informations sur le sol et l’eau provenant de scientifiques citoyens. Par exemple, la carte de la vie recueille des informations à partir des satellites de la NASA, comme Landsat , qui est géré conjointement avec le US Geological Survey, et des instruments comme le spectroradiomètre d’imagerie à résolution modérée ( MODIS ) à bord des satellites Terra et Aqua. “Ces satellites offrent des données mondiales que nous pouvons utiliser et rassembler avec des données brutes sur les occurrences d’espèces”, a déclaré Jetz.

L’outil vise à aider les agences gouvernementales et non gouvernementales à prendre des décisions éclairées dans leurs efforts pour conserver et protéger les espèces les plus vulnérables de notre planète. Jennifer McGowan, la coordonnatrice technique de la planification spatiale pour The Nature Conservancy, est chargée d’aider son organisation à prioriser les actions de conservation. «Le projet Map of Life fournit des informations au niveau des espèces», a déclaré McGowan, ce qui est utile pour hiérarchiser les mesures de conservation à prendre pour protéger des espèces spécifiques.

«Les cartes de l’aire de répartition des espèces de la carte de la vie, en particulier, sont inestimables» pour aider les efforts qui équilibrent les opportunités de conservation dans les habitats terrestres et océaniques de manière rentable et pragmatique, a déclaré McGowan.

L’équipe a également créé une application mobile de Map of Life qui permet à l’utilisateur d’explorer son environnement et d’enregistrer ses propres observations. Il contient des informations sur 19, 000 dans le monde. Si quelqu’un à Houston, au Texas, voulait découvrir des libellules locales, par exemple, il ouvrirait l’application, rechercherait leur emplacement et voir une photo et une description de Powdered Dancers, ou Argia moesta , insectes de la taille du marbre avec de longs , ailes translucides.

L’application et le portail en ligne révèlent tous les deux comment les changements d’utilisation des terres, comme la culture de la nourriture, la coupe d’arbres et la construction de villes, sont les principaux moteurs du façonnement de la biodiversité, a déclaré Jetz. S’il y a un changement dans l’environnement, comme un nouveau bâtiment sur une zone humide, il y aura probablement un impact sur la biodiversité, comme une diminution des libellules dans une zone particulière.

Comment les communautés d’espèces sont-elles affectées par le changement climatique?

Des chercheurs de l’Université Duke à Durham, en Caroline du Nord, créent également un outil pour aider à identifier les changements de biodiversité en Amérique du Nord. En particulier, l’équipe, dirigée par Jennifer Swenson et Jim Clark, tous deux professeurs à Duke, veut savoir comment une espèce pourrait avoir un impact sur une autre alors qu’elle se déplace et se concurrente pour des habitats appropriés dans un monde en réchauffement. L’équipe a créé un portail Web interactif qui rassemble des informations satellitaires, aériennes et terrestres, ainsi que des projections climatiques et des prévisions écologiques, pour suivre l’impact du changement climatique sur les espèces et les communautés fauniques.

Par exemple, la prévision de la biodiversité avec un modèle d’attribution conjointe généralisé, ou PBGJAM , utilisé les informations recueillies par le Réseau national d’observatoires écologiques (NEON) et NASA Données de la Terre détectées à distance et des données climatiques , entre autres sources, pour révéler où les pics, les souris de poche du désert et les sapins blancs, parmi de nombreuses espèces, pourraient migrer selon les scénarios climatiques futurs.

A yellow-billed cuckoo (Coccyzus americanus) sits on a branch.
Un coucou à bec jaune (Coccyzus americanus) se trouve sur une branche. Crédit: Dominic Sherony / Flickr ( CC BY -SA 2.0)

«Nous devons considérer qui vit avec qui afin de comprendre les impacts plus importants», a déclaré Swenson. Par exemple, si les souris de poche du désert ne survivent pas à une sécheresse, leurs prédateurs trouveront-ils d’autres sources de nourriture, changeront-ils de lieu ou périront-ils également?

Le portail PBGJAM vise à explorer comment une communauté riche en biodiversité réagit au changement climatique dans son ensemble pour prédire plus précisément l’impact sur les espèces individuelles et sur l’ensemble de l’écosystème.

Pour résoudre ce problème, l’équipe PBGJAM s’est appuyée sur son puissant modèle d’attribution conjointe généralisée, ou la dernière partie de l’acronyme, qui peut extraire différents types de données pour plusieurs espèces. Par exemple, la souris de poche du désert et d’autres espèces de souris sont actuellement concentrées dans la région sud-ouest des États-Unis. autre pour les ressources et se précipiter contre les nouveaux et anciens prédateurs.

Le modèle considère combien d’espèces vivent dans une région spécifique et combien d’habitats appropriés existent pour des espèces spécifiques. Le modèle peut également prédire comment tout cela pourrait changer à l’avenir et comment les mouvements d’une espèce pourraient affecter ceux d’une autre à mesure que les communautés changent.

PBGJAM fournit une interface Web qui abaisse la barrière d’entrée pour les décideurs, les scientifiques et toute personne intéressée à s’impliquer. Il leur suffit de choisir un type d’écosystème et ensuite de voir comment il a changé, a déclaré Adam Wilson, professeur à l’Université de Buffalo.

Quand les choses fleuriront-elles?

Alors que PBGJAM adopte une approche large pour étudier les impacts du changement climatique sur les communautés d’espèces, le Système d’information phénologique avancé (APIS) se concentre sur la dynamique saisonnière des espèces végétales. Plus précisément, l’APIS fournit un cadre pour explorer comment le changement climatique et d’autres facteurs peuvent avoir un impact sur la phénologie, ou l’étude des événements saisonniers du cycle de vie tels que le feuillage, la floraison, la reproduction et la migration.

APIS comprend une constellation de logiciels qui s’appuie sur des millions d’observations sur le terrain, des caméras proches de la surface et des données satellitaires pour explorer et synthétiser des observations phénologiques de différentes époques et à différentes échelles spatiales. L’effort a été codirigé par Jeff Morisette, scientifique en chef du National Invasive Species Council et Tom Maiersperger, scientifique du projet pour le Land Process Distributed Active Archive Center . Le centre fait partie du système de données et d’information du système d’observation de la Terre de la NASA et est situé au Centre d’observation et des sciences des ressources de la Terre de l’US Geological Survey à Sioux Falls, dans le Dakota du Sud.

Phenology relates to the timing of periodic plant and animal life cycle events, such as leaves changing color in the fall in Canyon de Chelly National Monument in Arizona.
La phénologie concerne le moment des événements périodiques du cycle de vie des plantes et des animaux, tels que le changement de couleur des feuilles à l’automne dans le Canyon de Chelly National Monument en Arizona. Crédit: National Park Service

APIS comprend des informations de MODIS , PhenoCam (un appareil photo numérique installé à des endroits fixes pour capturer des images time-lapse et dirigé par des chercheurs de la Northern Arizona University), le USA National Phenology Network (USA – NPN ) et NEON . Le projet comprend également Partenaires scientifiques de la conservation qui a dirigé le développement de logiciels pour développer des prévisions phénologiques à court terme.

«Quand vous voyez un arbre lilas fleurir, vous pouvez dire que c’est le printemps pour cet arbre lilas», a déclaré Morisette. Mais qu’est-ce que cela signifie pour le début de saison, tel que détecté par une observation satellite?

«APIS fournit des informations plus complètes sur une zone plus large, sur plusieurs réseaux de surveillance et à différentes échelles», a déclaré Morisette. «Dans le contexte des plantes et des animaux envahissants, il est important de comprendre comment les espèces se font concurrence et comment la dynamique de l’écosystème et le climat ont un impact sur ces espèces», a déclaré Morisette. “Si vous n’observez qu’à des échelles temporelles et spatiales limitées, vous risquez de manquer quelque chose”, a-t-il déclaré

«Notre objectif pour l’APIS était de développer une technologie pour rendre les données plus accessibles et plus faciles à intégrer avec les données d’autres sources d’observation», a déclaré Kathy Gerst, scientifique à l’USA-NPN. Gerst a travaillé avec Morisette et d’autres pour créer APIS. “APIS permet aux gens de rassembler des données de manière transparente”, a déclaré Gerst.

Les écologistes, les gestionnaires des ressources naturelles et les climatologues peuvent utiliser l’APIS pour examiner la relation entre la phénologie et le climat pour voir comment les espèces menacées, en danger et envahissantes réagissent aux changements de température et de précipitations, a déclaré Gerst.

L’APIS peut également aider les chercheurs à créer des cartes pour déterminer si le printemps est au début d’une année donnée et à étudier les tendances à long terme pour voir comment les tendances changent au fil du temps. Par exemple, Gerst et d’autres ont publié un papier qui lie les indices de printemps, ou les modèles qui montrent le début du printemps, à l’activité phénologique réelle, comme la floraison, en 19 Espèces de arbres et arbustes.

Parmi les autres groupes utilisant l’APIS, citons les centres scientifiques d’adaptation au climat du sud-ouest et du centre-nord de l’U.S. Geological Survey. Les deux centres examinent les liens phénologiques avec la sécheresse. Le service des parcs nationaux des États-Unis utilise l’APIS pour mieux comprendre la végétation et les sols dans sa division d’inventaire et de surveillance, et le zoo de Denver et la réserve naturelle d’Ikh Nart en Mongolie utilisent l’APIS pour informer leur stratégie de gestion des parcours.

Que nous disent les couleurs des plantes?

Pour aider à fournir à l’APIS, au PBGJAM et à la carte de la vie des données solides sur les plantes, une équipe dirigée par Phil Townsend a créé le système d’information spectrale écologique ( EcoSIS ). Townsend est professeur à l’Université du Wisconsin-Madison.

Les feuilles fraîches et la cime des arbres luxuriants apparaissent d’un vert éclatant à nos yeux à cause des spectres ou de la façon dont ils reflètent la lumière du soleil. Puisqu’ils absorbent toutes les longueurs d’onde sauf le vert, nous voyons du vert. Lorsqu’elles commencent à passer au jaune et au rouge, les feuilles reflètent les longueurs d’onde de ces couleurs.

Ces signes révélateurs, ou changements de spectre, aident les chercheurs à comprendre la santé de la végétation. Bien qu’il y ait plus de données spectrales que jamais provenant de capteurs aéroportés, satellitaires et au sol, les données ne sont pas toujours faciles à utiliser.

La base de données EcoSIS est un portail unique pour ajouter, découvrir et utiliser des données spectrales. «Les informations spectrales sont un indicateur de la biodiversité», a déclaré Natasha Stavros, ingénieur travaillant avec Townsend au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Les données spectrales peuvent nous aider à comprendre la diversité génétique, a déclaré Stavros.

Maintenant qu’EcoSIS est opérationnel, l’équipe développe l’environnement de traitement de la spectroscopie géospatiale sur le cloud (GEOSpec), qui est un prototype de système de données axé sur l’utilisateur qui facilite l’accès et l’utilisation informations spectrales. Au fur et à mesure que nous envoyons plus d’instruments dans l’espace et collectons des données à partir d’aéronefs et de capteurs au sol, nous nous retrouvons avec une énorme quantité de données.

Pour rendre ces données accessibles, GEOSpec fonctionne dans un environnement cloud afin que les chercheurs puissent accéder, travailler et jouer avec les données sans avoir à surcharger les capacités matérielles de leurs ordinateurs. «GEOSpec ne consiste pas à accéder aux données; il s’agit d’autoriser l’accès aux informations », a déclaré Stavros.

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S’appuyant sur les données de plusieurs missions satellitaires (pas toutes collectées en même temps), une équipe de scientifiques et de graphistes de la NASA a créé des couches de données mondiales pour tout, de la surface terrestre à la glace de mer polaire, en passant par la lumière réfléchie par la chlorophylle dans les milliards de plantes microscopiques qui poussent dans l’océan. Crédit: NASA / Goddard Space Flight Center / Reto Stöckli

Prochaines étapes

Alors que GEOSpec s’appuie sur EcoSIS, l’équipe PBGJAM prévoit de créer des outils qui intègrent des images de télédétection pour révéler la structure, la composition et la fonction tridimensionnelles de la canopée. De nombreux oiseaux, mammifères et insectes s’installent dans le couvert végétal. L’équipe de Map of Life prévoit de créer une base de données en ligne qui comprend des produits d’analyse et des visualisations à partir de données de biodiversité détectées à distance. Ces les outils continueront de réduire la barrière à l’entrée des utilisateurs pour interagir avec les données sur la biodiversité

Les projets ont tous été financés dans le cadre de la technologie avancée des systèmes d’information de la NASA ( AIST ) programme, qui fait partie du Bureau des technologies des sciences de la Terre au siège de la NASA. Le programme AIST finance des projets évolutifs et perturbateurs qui répondent aux objectifs de la NASA pour surveiller et comprendre efficacement notre planète. Le programme vise à accroître l’accès aux données scientifiques et à permettre de nouvelles mesures d’observation et de nouveaux produits d’information.

«Les projets AIST sont définis et guidés par la science», a déclaré Jacqueline LeMoigne, responsable du programme AIST. Et en retour, LeMoigne se tourne vers les projets pour aider à définir de nouveaux objectifs et exigences scientifiques pour collecter les futures mesures scientifiques depuis l’espace.

«À mesure que le climat change, les espèces et les communautés d’espèces doivent s’adapter ou migrer vers des zones aux conditions plus favorables», a déclaré Rogers. Ces projets AIST permettent de prévoir et de suivre ces adaptations et migrations. «À long terme, le programme vise également à permettre de futures missions scientifiques de la Terre de la NASA en découvrant et en développant des technologies informatiques, logicielles et informatiques révolutionnaires», a déclaré LeMoigne.