Daten zum „Schwitzen“ von Pflanzen könnten helfen, die Schwere der Waldbrände vorherzusagen

Eine neue Studie verwendet Daten des ECOSTRESS-Instruments an Bord der Raumstation, um besser zu verstehen, warum einige Teile eines Lauffeuers intensiver brennen als andere.

Selbst im von der Dürre heimgesuchten Kalifornien sind nicht alle Gebiete gleich stark von Waldbränden bedroht. Eine kürzlich durchgeführte Studie mit Daten der ECOSTRESS-Mission der NASA fand Zusammenhänge zwischen der Intensität eines Lauffeuers und dem Wasserstress in Pflanzen, der in den Monaten vor dem Brand gemessen wurde. Die Korrelationen bestanden nicht nur darin, dass trockene Pflanzen mehr brannten als hydrierte; Einige Bereiche, in denen die Vegetation ausreichend Wasser hatte, brannten stärker, möglicherweise weil Brände mehr Brennstoff zu verbrauchen hatten.

Die von Wissenschaftlern des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien geleitete Forschung stützt sich auf Daten zur Wassernutzung von Pflanzen, die von ECOSTRESS, kurz für ECOsystem and Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station, gesammelt wurden. Das Instrument misst die Temperatur von Pflanzen, wenn sie sich erwärmen, wenn ihnen das Wasser ausgeht. Für diese Studie konzentrierten sich die Forscher auf Daten, die in Teilen des Jahres 2019 und Anfang 2020 in sechs Gebieten – drei in den südkalifornischen Bergen und drei in der Sierra Nevada – gesammelt wurden, die anschließend von Waldbränden versengt wurden.

Andere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Waldbrandsaison im Westen der USA früher im Jahr beginnt und an Länge und Heftigkeit zunimmt. In Kalifornien – einem Bundesstaat mit 13 Millionen Hektar Wald, von dem ein Großteil von Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden verwaltet wird – könnten detaillierte Einblicke in die Beziehung zwischen Waldbränden und der Verfügbarkeit von Wasser für die Vegetation den Brandschutzbehörden helfen Stellen Sie nicht nur fest, ob ein Bereich wahrscheinlich Feuer fangen wird, sondern auch, wie schwerwiegend der Schaden sein wird, wenn dies der Fall ist.

„Wir befinden uns in einer intensiven Megadürre – der schlimmsten seit 1.200 Jahren – und sie schafft Bedingungen für weitere katastrophale Brände“, sagte Christine Lee, Co-Autorin der Studie am JPL. „Datensätze wie die von ECOSTRESS werden für den Fortschritt der Wissenschaft von entscheidender Bedeutung sein und können Informationen liefern, um diejenigen zu unterstützen, die auf Krisen des Klimawandels reagieren.“

Beim Vergleich der ECOSTRESS-Daten mit separaten Satellitenbildern nach einem Brand stellten die Forscher fest, dass die Rate, mit der Pflanzen Wasser durch „Schwitzen“ freisetzen – ein Prozess, der als Evapotranspiration bekannt ist – und wie effizient sie Wasser für die Photosynthese nutzen, helfen kann, vorherzusagen, ob es zu weiteren Waldbränden kommt oder weniger intensiv. Beide Maße zeigen an, ob eine Pflanzengemeinschaft genug Wasser bekommt oder durch Wassermangel gestresst ist.

„Wir haben versucht zu verstehen, was zu den Unterschieden führt, warum einige Gebiete schwere Verbrennungen aufweisen und andere nicht“, sagte Madeleine Pascolini-Campbell, Wasser- und Ökosystemwissenschaftlerin am JPL und Hauptautorin des Papiers. „Die Ergebnisse zeigen, wie entscheidend Wasserstress für die Vorhersage ist, welche Gebiete am meisten brennen, und warum es wichtig ist, die Vegetation in diesen Regionen zu überwachen.“

Pflanzenstress verfolgen

Wie Menschen haben auch Pflanzen Mühe, zu funktionieren, wenn es ihnen zu heiß ist. Und ähnlich wie das Schwitzen dem Menschen hilft, kühl zu bleiben, sind Pflanzen auf die Verdunstung angewiesen, um ihre Temperatur zu regulieren. Evapotranspiration kombiniert die Geschwindigkeit, mit der Pflanzen Wasser verlieren, wenn es aus dem Boden verdunstet, und durch Transpiration, bei der sie Wasser durch Öffnungen in ihren Blättern, den sogenannten Spaltöffnungen, freisetzen. Um nicht zu viel Wasser zu verlieren, beginnen Pflanzen, ihre Stomata zu schließen, wenn sie zu trocken werden.

„Infolgedessen beginnen sie sich zu erhitzen, weil sie nicht mehr den Vorteil haben, zu ‚schwitzen‘“, sagte Lee. „Mit ECOSTRESS können wir diese wirklich feinen Temperaturänderungen beobachten, die verwendet werden, um Änderungen in der Evapotranspiration und der Wassernutzungseffizienz zu verstehen.“

Im Allgemeinen signalisieren eine langsamere Evapotranspiration und eine geringere Effizienz, dass Pflanzen Wasserstress haben. Höhere Werte zeigen an, dass die Pflanzen genug Wasser bekommen.

ECOSTRESS verfolgt die Evapotranspiration über ein hochauflösendes thermisches Radiometer, das die Temperatur von Flecken der Erdoberfläche messen kann, die so klein sind wie 130 mal 230 Fuß (40 mal 70 Meter).

Hoher versus niedriger Stress

In der Zeitung, erschienen in Globale Ökologie und Biogeographiefanden Forscher heraus, dass Variablen im Zusammenhang mit Wasserstress zusammen mit der Höhe dominante Prädiktoren für die Schwere der Verbrennungen in Gebieten waren, die 2020 von drei Waldbränden in Südkalifornien heimgesucht wurden: dem Bobcat-Feuer im Angeles National Forest sowie den Bränden Apple und El Dorado in der San-Bernardino-Nationalforst.

Ob höherer oder niedrigerer Stress eine stärkere Verbrennung vorhersagte, hing von der primären Vegetationsart in einem Gebiet ab, sagte Pascolini-Campbell. Beispielsweise neigten gestresste Kiefernwälder dazu, stärker zu brennen, was darauf hindeutet, dass trockenere Bedingungen Bäume leichter entflammbar machten. Unterdessen korrelierte in Grasland geringerer Stress tendenziell mit mehr Brandschäden, ein möglicher Hinweis darauf, dass robustes Vegetationswachstum mehr Brennstoff produzierte, was zu intensiveren Flammen führte. Und in den Regionen der Sierra Nevada, die durch das Creek Fire, das Sequoia Complex Fire und das North Complex Fire verbrannt wurden, zeigten die Ergebnisse schwächere Beziehungen zwischen dem Stress vor dem Brand und der Schwere der Verbrennung. Die Autoren der Studie stellen die Hypothese auf, dass Variablen, die nicht in der Analyse erfasst wurden – Wind oder andere Wetterbedingungen – in diesen Brandgebieten einen größeren Einfluss hatten.

Entscheidungsträger unterstützen

Die Studie kommt, während die NASA ihre Bemühungen verstärkt, ihre Technologie, ihr Fachwissen und ihre Ressourcen zu mobilisieren, um Waldbrände zu untersuchen. Die Agentur kündigte im Mai die Gründung von NASA Wildland FireSense an, einer Initiative, die darauf abzielt, Experten aus verschiedenen Disziplinen zusammen mit fortschrittlicher Technologie und Analysewerkzeugen zusammenzubringen, um Ansätze zu entwickeln, die Entscheidungsträger für das Brandmanagement informieren und anleiten können.

Die Bedeutung von Tools wie ECOSTRESS, das bis September 2023 betrieben werden soll, werde zunehmen, da der Klimawandel das Risiko von Waldbränden im Westen der USA erhöht, sagte Pascolini-Campbell. „Es ist eine Region mit hoher Priorität, diese Art von Studien zu verwenden, um zu sehen, welche Gebiete am anfälligsten sind“, fügte sie hinzu.