Millorar els models climàtics és possible gràcies a uns nous mapes d'usos i cobertes del sòl d'alta resolució

Quants quilòmetres quadrats de boscos, cultius o construccions hi ha a la superfície de la Terra? Saber-ho és indispensable per calcular els gasos d'efecte hivernacle que s'emeten a l'atmosfera i pronosticar com canviarà el clima del planeta durant les properes dècades. No obstant això, la resolució espacial dels mapes que contenen aquesta informació sol ser massa baixa, cosa que no permet seguir amb precisió la desforestació o el creixement agrícola i urbà a petita escala i dóna lloc a errors significatius. Un projecte impulsat per l'Agència Espacial Europea (ESA) en què han participat els investigadors del CREAF Lluís Pesquer i Cristina Domingo, ha publicat nous mapes d'usos i cobertes del sòl amb una resolució deu vegades superior als fins ara existents. Se n'espera que millorin la precisió de les prediccions climàtiques.

Els nous mapes d'usos i cobertes del terra tenen una resolució deu vegades superior als mapes anteriors.

El projecte s'ha centrat en tres territoris especialment rellevants per predir com canvia el clima, com són la selva tropical de l'Amazones, les terres àrides del Sahel i la zona de transició entre la taiga i la tundra a Sibèria, relacionats respectivament amb la desforestació, la desertificació i el desgel. Els nous mapes passen dels 300 als 30 metres de resolució espacial i mostren els canvis a les cobertes del sòl d'aquestes zones cada 5 anys, des del 1990 fins al 2019. A més, s'ha generat una cartografia estàtica del 2019 amb una resolució de 10 metres en una àrea més àmplia dels 3 territoris. Aquest detall permet classificar en categories molt precises els tipus de cobertes del sòl en parcel·les de fins a 100 metres quadrats, identificant carreteres, construccions, rierols i zones desforestades fins ara indetectables pels mapes de 300 metres. Basant-se en els resultats d'aquestes zones i les necessitats dels modelitzadors climàtics, s'estan avaluant noves possibles zones d'estudi a Àsia, les Filipines o Malàisia.

Mapa interactiu que mostra les tres zones cartografiades sobre la superfície de la Terra. Font: ESA Climate

Aquests mapes classifiquen de manera automàtica si una superfície està coberta per arbres, matolls, cultius o edificis i, el que és més important, permeten quantificar aquestes àrees. A més, permeten analitzar els canvis històrics a una mateixa zona i comparar la situació actual amb la de fa 5, 10 o 20 anys per establir tendències.

Els mapes de cobertes de sòl d'alta resolució són un dels productes de la Iniciativa del Canvi Climàtic de l'ESA, que elabora registres de dades globals sobre les 26 Variables Climàtiques Essencials. Aquestes variables són els factors físics, químics o biològics que són imprescindibles per caracteritzar el clima de la Terra, com ara la temperatura superficial, l'ozó o el nivell del mar. Cadascuna és un ingredient necessari per fer pronòstics sobre el clima a gran escala i informar la comunitat internacional.

Mapes de 3 territoris que més afecten el clima

A l'Amazones la desforestació està provocant que la superfície dedicada a cultius i pastures augmenti considerablement en substitució del bosc, amb conseqüències a l'erosió del sòl, la disminució de la fotosíntesi i la reducció dels estocs de carboni. Gràcies a aquests nous mapes d'alta resolució és possible, per exemple, distingir la presència de noves carreteres i observar com els anys posteriors a la seva construcció el bosc desapareix a favor dels cultius.

“El que passa a l'Amazones no només afecta els qui hi viuen, que ja seria prou important, sinó que acaba influint tot el planeta. És una zona clau per predir els canvis del clima a través de models de circulació atmosfèrica."

LLUÍS PESQUER, investigador del CREAF en el grup de GRUMETS, especialitzat en teledetecció.

El cas del Sahel, un territori de transició entre el desert del Sàhara i la sabana, és especialment rellevant per als models climàtics, ja que afecta les dinàmiques dels Monsons. Es pot observar com les sequeres recurrents estan desplaçant la vegetació amb poca capacitat d'adaptar-se, convertint els escassos boscos dispersos en matollars. Així mateix, algunes àrees de vegetació dispersa s'acaben destinant a cultius i finalment urbanitzant-se. “És un peix que es mossega la cua, ja que el principal desencadenant dels canvis a les cobertes del sòl són les condicions climàtiques cada vegada més extremes i, al seu torn, aquests canvis tornen a impactar al clima”, explica Lluís Pesquer, a qui aquest procés recorda el problema de desertificació que podem trobar al sud d'Espanya.

A Sibèria, en canvi, és clau detectar com l'augment de les temperatures associades al canvi climàtic provoca la pèrdua del permafrost, el gel permanent que, en desaparèixer, allibera grans quantitats de carboni a l'atmosfera i contribueix molt negativament a l'efecte hivernacle i al canvi climàtic. El desplaçament cap al nord d'aquest gel ve acompanyat del moviment de bosc i garrigues en la mateixa direcció. "Aquesta zona és especialment problemàtica a causa de la manca d'imatges òptiques de satèl·lits deguda a l'alta coberta ennuvolada i poques hores de llum durant la meitat de l'any, que intentem compensar amb imatges de radar", destaca Cristina Domingo, també investigadora del CREAF i del grup GRUMETS.

Els núvols, el gran enemic

La gran millora en la resolució és a costa d'una gran dificultat de computació i un cost econòmic elevat. Per generar aquests mapes es parteix d'un immens banc d’imatges de teledetecció que es classifiquen utilitzant intel·ligència artificial. “Cal entrenar el sistema indicant quines zones són cultius, arbres o edificis de manera manual, perquè al final el classificador acabi prenent una decisió de manera autònoma. Com més informació li donis, millor.”, aclareix Domingo. No tenir prou imatges fa que la IA no tingui la informació que necessita i que la classificació sigui menys precisa. Obtenir mapes anteriors al 2015 comporta molts problemes que augmenten com més es vol retrocedir en el temps, a causa de les limitacions de la tecnologia de l'època. Tot i així saber com era la situació, per exemple, el 1990 és molt essencial per estudiar el canvi global.

“Cal entrenar el sistema indicant quines zones són cultius, arbres o edificis de manera manual, perquè al final el classificador acabi prenent una decisió de manera autònoma. Com més informació li donis, millor.”

CRISTINA DOMINGO, investigadora del CREAF en el grup GRUMETS.

De vegades els núvols bloquegen la mirada dels satèl·lits òptics dificultant la tasca dels investigadors.

Per si no n'hi hagués prou, els núvols són el gran enemic que dificulta la tasca dels investigadors. Els satèl·lits òptics giren al voltant de la Terra per sobre els núvols i moltes vegades en tapen la vista. Si fos possible tenir una imatge al dia, seria senzill trobar dies clars, però els satèl·lits actuals de la flota Sentinel, que tenen una resolució espacial suficient, adquireixen imatges cada 4 dies i només des del 2016, quan es van posar en òrbita. “Un sensor que pren imatges cada dia, encara que hi hagi núvols, acaba trobant una petita finestra temporal per mirar. Si tens una fotografia cada quinze dies, com passa abans del 2016, i just aquell dia està ennuvolat, et quedes sense res fins a la propera oportunitat. Potser hi ha períodes de més de mig any sense imatges”, explica Pesquer.

Comparativa del canvi de resolució entre els antics mapes d'usos i cobertes del terra (dreta, 300 metres) i els nous (esquerra, 10 metres). Imatges adaptades de l'ESA.

Per solucionar el problema dels núvols, se solen complementar les imatges d'aquests satèl·lits òptics amb mesures de satèl·lits de radar. Aquests poden travessar els núvols, però no generen una imatge sinó un mapa de textures, que encara que no és suficient per si mateix. Tot i així, sí que ajuda a diferenciar entre un bosc o una plantació, per exemple. Per altra banda, en períodes temporals anteriors s'intenten aprofitar les imatges d'altres satèl·lits òptics per poder construir els mapes d'alta resolució.

Simular els canvis al clima

L'objectiu dels investigadors és fer ressò dels resultats d'aquesta primera fase del projecte i rebre feedback de modelitzadors del clima. En el propi projecte es fan simulacions mitjançant un model anomenat ORCHIDEE, que està començant a demostrar que utilitzant aquests nous mapes com a ingredient, per exemple, els càlculs de balanç d'aigua i energia són més precisos. A partir de les necessitats d'aquests modalitzadors, es continuarà amb el mapejat d'alta resolució d'altres parts de la Terra.