Agreement between Sentinel-1 C-band backscatter change and Sentinel-2 burn severity indices across land-cover types in a low-biomass transitional eco-region

Gli incendi boschivi non sono più solo una minaccia estiva confinata alle fitte foreste di pini. Con il riscaldamento del clima, le stagioni degli incendi si stanno allungando e diffondendo in nuovi territori, incluse le pianure ondulate e le zone di macchia del sud degli Stati Uniti. In questi paesaggi di transizione, dove l'erba si mescola a alberi e arbusti sparsi, misurare i danni dopo un incendio è sorprendentemente difficile. I metodi tradizionali si affidano ai satelliti ottici che scattano immagini del terreno in luce visibile e infrarossa. Queste immagini funzionano bene nelle foreste perché possono distinguere tra foglie verdi sane e foglie nere e morte. Tuttavia, nelle aree aperte e a bassa vegetazione, il suolo stesso è spesso luminoso e riflettente, e l'erba può ricrescere così velocemente che il satellite vede di nuovo il verde entro poche settimane, nascondendo la reale entità della distruzione. Per risolvere questo problema, gli scienziati si stanno rivolgendo a un tipo diverso di occhio: il radar. A differenza delle fotocamere che attendono la luce solare, i satelliti radar inviano i propri segnali microonde che rimbalzano sul terreno e sulla vegetazione, permettendo loro di vedere attraverso il fumo e le nuvole e di rilevare i cambiamenti nella struttura fisica del terreno, anche quando le piante sono ancora verdi.

Nel marzo 2022, un enorme complesso di incendi ha attraversato il centro del Texas, bruciando oltre 62.000 acri di terreno che comprendeva quattro incendi distinti: i fuochi Kidd, Wheatfield, Ramsey e Oak Mott. Questo evento ha fornito un'opportunità perfetta per testare se il radar potesse vedere ciò che le telecamere ottiche avevano mancato. Un ricercatore della University of Texas a Dallas si è proposto di confrontare due tipi di dati satellitari per questo specifico incendio: le mappe di combustione ottiche standard e una nuova analisi utilizzando segnali radar. L'obiettivo era capire quanto bene il radar potesse tracciare la perdita di struttura e di umidità della vegetazione in un paesaggio dominato da arbusti e graminacee, piuttosto che da alberi alti. Lo studio si è concentrato su una regione dove la vegetazione è bassa e il suolo è spesso visibile, un contesto in cui le mappe tradizionali dei danni da incendio sono storicamente faticate nell'essere accurate.

I ricercatori hanno iniziato mappando il perimetro dell'incendio e poi hanno esaminato i dati provenienti da due diversi sistemi satellitari. Un sistema, Sentinel-2, cattura immagini in lunghezze d'onda luminose che sono sensibili alla salute delle piante. L'altro, Sentinel-1, utilizza il radar per misurare quanta energia rimbalza dalla superficie. Quando la vegetazione brucia, perde la sua struttura e il suo contenuto d'acqua. In una foresta, questo significa solitamente che il segnale radar diminuisce perché gli alberi che disperdevano il segnale sono scomparsi. Ma nella macchia texana aperta, la storia è più complice. L'analisi ha rivelato che il segnale radar si comportava diversamente a seconda del tipo di pianta. Nelle aree con arbusti più alti e legnosi, il segnale radar è diminuito significativamente, indicando una perdita di struttura. Tuttavia, nelle aree erbose, il segnale a volte è aumentato. Ciò è accaduto perché l'incendio ha rimosso l'erba che smorzava le onde radar, esponendo il suolo sottostante più ruvido e asciutto, che rifletteva più energia verso il satellite.

Quando i ricercatori hanno confrontato i cambiamenti del radar con le mappe ottiche di combustione, hanno trovato una chiara discrepanza nel modo in cui i due sensori vedevano l'incendio. Le mappe ottiche, che si basano sulla differenza tra la salute delle piante prima e dopo l'incendio, mostravano che gran parte del perimetro dell'incendio era o non bruciato o solo leggermente bruciato. In realtà, l'incendio aveva saltato molti tratti di terreno, lasciando un modello frammentato di aree bruciate e non bruciate. Le mappe ottiche faticavano a distinguere tra le aree realmente danneggiate e quelle che stavano solo recuperando rapidamente. I dati radar, tuttavia, fornivano un'immagine più nitida dei cambiamenti fisici. Mostravano che il segnale radar a polarizzazione incrociata, particolarmente sensibile alla struttura tridimensionale delle piante, era un indicatore molto migliore della perdita di struttura rispetto alle mappe ottiche standard. Il radar poteva rilevare la rimozione degli arbusti legnosi e l'essiccazione del suolo anche quando i sensori ottici erano confusi dal rapido ritorno dell'erba verde.

Un risultato chiave dello studio è stato che il modo in cui gli scienziati calcolano la severità dell'incendio conta immensamente in questi paesaggi a bassa biomassa. Il metodo standard per le mappe ottiche spesso regola il punteggio di severità in base a quanta vegetazione era presente prima dell'incendio. I ricercatori hanno scoperto che questo aggiustamento rendeva i dati peggiori nelle zone di macchia del Texas. Poiché la vegetazione pre-incendio era già scarsa, l'aggiustamento amplificava il rumore casuale invece di chiarire il danno. Invece, una misura più semplice del cambiamento assoluto nei dati ottici funzionava meglio se accoppiata al radar. Lo studio ha confermato che il segnale radar e la misura del semplice cambiamento ottico erano collegati, ma solo nelle aree con abbastanza struttura legnosa da disperdere le onde radar. Nelle praterie, la connessione era debole, suggerendo che, sebbene il radar sia potente, non può sostituire completamente i dati ottici in ogni situazione.

Lo studio ha anche esaminato cosa guidasse l'intensità dell'incendio. Hanno esaminato se la pendenza del terreno o il tipo di vegetazione giocassero un ruolo maggiore nel determinare quanto fosse grave l'incendio. I risultati hanno mostrato che la pendenza del terreno aveva quasi nessun effetto sulla severità dell'incendio. Al contrario, il tipo di combustibile era il fattore decisivo. Le aree coperte da arbusti e piante legnose bruciavano con una severità significativamente maggiore rispetto alle praterie aperte. Questo supporta l'idea che l'avanzata di piante legnose come il mesquite e il ginepro nelle praterie stia cambiando il regime degli incendi, rendendoli più intensi e dannosi. I dati radar sono stati in grado di evidenziare queste differenze nella perdita strutturale, mostrando che le aree legnose hanno subito un cambiamento più profondo rispetto a quelle erbose.

Forse la scoperta più pratica è stata la capacità del radar di creare una mappa della perdita di umidità. Combinando i segnali radar, i ricercatori hanno generato un indice che mostrava dove il terreno si fosse maggiormente seccato dopo l'incendio. Questa mappa si allineava bene con le aree in cui l'incendio aveva bruciato, anche in luoghi in cui le mappe ottiche erano ambigue. Ciò è fondamentale perché il radar può vedere attraverso il fumo e le nuvole che spesso bloccano i satelliti ottici immediatamente dopo un incendio. Inoltre, vede l'essiccazione fisica del suolo e delle piante prima che l'erba verde abbia la possibilità di ricrescere e nascondere il danno. Ciò significa che i responsabili delle emergenze potrebbero utilizzare il radar per ottenere un quadro affidabile dell'impatto dell'incendio e del conseguente deficit idrico nel suolo molto prima di quanto possano fare con i metodi tradizionali.

I ricercatori hanno osservato che le loro scoperte sono specifiche per questo tipo di ambiente di transizione a bassa biomassa e non dovrebbero essere assunte come applicabili a foreste dense o altri ecosistemi senza ulteriori test. Hanno inoltre sottolineato che, sebbene i dati radar siano promettenti, devono ancora essere validati con misurazioni a terra per creare una scala perfetta per misurare la severità dell'incendio. Per ora, lo studio dimostra che combinare i dati radar e ottici offre una visione più completa dei danni da incendio nelle Grandi Pianure meridionali. Rivela che in questi paesaggi semi-aridi, dove il suolo è visibile e le piante crescono velocemente, la struttura fisica della vegetazione racconta una storia diversa dal colore delle foglie. Ascoltando l'eco del radar, gli scienziati possono finalmente vedere la vera forma della cicatrice dell'incendio, anche quando la terra sembra di nuovo verde.