美国宇航局正在利用太空激光测量地球上的树木

研究森林的方法有几种。科学家可以在地面上、在大自然中工作，详细研究树木的大小和形状。最近，他们还可以将研究外包给太空，使用距离地球 250 英里、速度超过 17,000 英里/小时的激光成像系统来计算单棵树的大小和形状。后一种方法提供了高度精确的测量结果，而且——对科学家来说最好的是——没有蚊子。

实地工作可能非常艰苦。“第一个夏天，安大略省北部热浪肆虐，蚊子也非常多，”马里兰大学地理科学助理教授劳拉·邓肯森回忆起自己本科时在实地工作的早期时光时笑着说道。“我们测量了数吨多刺的小云杉树的树干直径，我身上到处都是昆虫叮咬、汗水和抓痕。”

如今，她和该大学地理科学教授拉尔夫·杜巴亚以及美国宇航局的科学家正在利用国际空间站上安装的先进新技术，帮助研究人员绘制世界温带和热带森林的第一张三维地图。全球生态系统动态调查（GEDI，发音为“Jedi”）将提供森林的 3D 图像。

森林吸收了化石燃料燃烧释放到大气中的导致地球变暖的二氧化碳。如果不加以处理，森林可以吸收大量的二氧化碳。但是，当人们为了耕种或其他项目清理土地而烧树时，这一过程又将大量的二氧化碳排放回空气中。目前还不清楚森林中储存了多少碳，因此很难判断保护或重新种植森林的效果。GEDI 旨在填补这一空白。

“如果你要设计机器人来帮助对抗气候变化，我能想到的最好的机器人就是从大气中吸收二氧化碳并将其储存在某个地方，从而减少化石燃料二氧化碳排放的影响，”邓肯森说。“我希望这些机器人的生产和维护成本低，并且能够在地球上的任何地方大量生长很长时间。树木已经比我们为此设计的任何机器人都要好。它们已经进化到在当地气候条件下最佳生长和积累碳。它们免费繁殖。它们几乎存在于地球上的任何地方。如果你长时间不去管你的后院，它很可能会变成一片森林。因此，这些令人难以置信的天然碳吸收机器已经在帮助我们缓解气候变化，但我们并没有充分遏制森林砍伐。”

GEDI 于 12 月被派往国际空间站执行补给任务，但由于臭名昭著的“鼠食”事件，补给任务推迟了一天。“他们发现老鼠实验的食物发霉了，”任务首席研究员杜巴亚说。即使在 NASA 处理完鼠食后，任务似乎仍可能无法启动。

“发射当天风很大，”杜巴亚说。“发射前几分钟，我们仍然不清楚是否能发射。然后，我们开始倒计时，每个人都尖叫着‘零’——但什么也没发生。”紧张的几秒钟后，火箭终于点火了。“看到自己花了二十多年时间打造的东西终于升空……真是太棒了，”他说。

杜巴亚解释了 GEDI 将如何帮助科学家研究森林。一种精密的仪器将把激光脉冲向下发送到地球，然后进入空间站轨道下的森林。光束会从它们击中的第一个物体上反弹回来——茂密树冠上的一片叶子、一根伸出的树枝或森林生长的地面。返回空间站 GEDI 望远镜的光束提供了森林的精细 3D 地图。激光可以测量树的高度，并可以显示树叶和树枝的密度。

高大、宽阔的树木比矮小的树木储存更多的碳。树木干燥后，大约有一半的碳，如果树木被砍伐和焚烧，这些碳就会被释放回大气中。虽然成熟的森林在树干中储存碳方面发挥着重要作用，但年轻、快速生长的树木可以以更高的速度吸收大气中的碳。

因此，测量森林碳“与树木的高度、树围大小、树枝数量、树叶数量和树根大小有关，”美国宇航局戈达德太空飞行中心 GEDI 仪器科学家兼副首席研究员 Bryan Blair 表示。最重要的是，数据要保持一致。

“如果我们能以一致的方式测量地球上的每一棵树，我们就不需要 GEDI，”邓肯森说。“但显然我们做不到。”并非每个国家都投入相同的资源来测量森林的碳储量，而且测量结果通常使用不同的方法，难以比较。邓肯森说，有了 GEDI，“地球上每种森林类型的数据都会有，因此每个人都可以利用这些公共数据研究他们感兴趣的领域。”

苏黎世联邦理工学院环境科学家、克劳瑟实验室负责人托马斯·克劳瑟表示，GEDI 代表了森林研究领域的重大突破。“我们正处于新数据革命的边缘。这些新信息将彻底改变我们对陆地生态系统结构的理解，”他说。“通过将其与地面测量相结合，我们现在可以完善对陆地碳储存的理解，以及它在本世纪剩余时间内可能如何变化。”

尽管如此，GEDI 也有其局限性。它不会像许多光学或雷达卫星那样收集全面数据，也无法穿透浓密的云层，“因此在长期多云的地区，我们获得的数据会更少，”邓肯森说。“话虽如此，我们将获得比以往多几个数量级的 3D 森林结构数据——我们预计 [相当于] 100 亿次无云观测。”此外，GEDI 只能看到南北 50 度之间的森林，这相当于空间站覆盖范围的极限。因此，它将错过北方森林，不过 9 月发射的另一个激光测量系统将有助于测量北美和欧洲密度较低的森林。

GEDI 收集的所有数据都将公开，因此各个学科的科学家都可以利用这些数据。“我个人的兴趣在于森林碳储量和碳通量测绘，以及从生态角度了解森林的结构多样性，但我们团队中的其他人则在研究生物多样性测绘、生态系统建模等，”邓肯森说。“我正在开展一个项目，研究加州森林的碳损失，另一个项目研究莫桑比克木炭生产的碳损失。应用范围相当广泛。”

它还可用于地形测绘，定位和了解地球上最高森林的生态环境，“并揭开生态系统结构与功能和恢复力之间关系的谜团，”她补充道。“我相信人们会将 GEDI 数据用于我们从未想过的事情。”

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合通讯社。