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

Os incêndios florestais já não são apenas uma ameaça de verão confinada a densas florestas de pinheiros. À medida que o clima aquece, as temporadas de fogo estão a prolongar-se e a espalhar-se por novos territórios, incluindo as planícies onduladas e as zonas de matagal do sul dos Estados Unidos. Nestas paisagens de transição, onde os capim se misturam com arbustos e árvores de carvalho dispersas, medir os danos após um incêndio é surpreendentemente difícil. Os métodos tradicionais dependem de satélites óticos que tiram fotografias da terra em luz visível e infravermelha. Estas imagens funcionam bem em florestas porque conseguem distinguir entre as folhas verdes saudáveis e as pretas e mortas. No entanto, em áreas abertas e de baixa vegetação, o próprio solo é frequentemente brilhante e reflexivo, e o capim pode crescer de volta tão rapidamente que o satélite vê o verde novamente em poucas semanas, escondendo a verdadeira extensão da destruição. Para resolver isto, os cientistas estão a recorrer a um tipo diferente de olho: o radar. Ao contrário das câmaras que esperam pela luz solar, os satélites de radar enviam os seus próprios sinais de micro-ondas que ricocheteiam no solo e na vegetação, permitindo-lhes ver através da fumaça e das nuvens e detetar mudanças na estrutura física da terra, mesmo quando as plantas ainda estão verdes.

Em março de 2022, um enorme complexo de incêndios varreu o centro do Texas, queimando mais de 62.000 acres de terra que incluiu quatro incêndios distintos: os incêndios Kidd, Wheatfield, Ramsey e Oak Mott. Este evento proporcionou uma oportunidade perfeita para testar se o radar conseguiria ver o que as câmaras óticas perderam. Um investigador da Universidade do Texas em Dallas estabeleceu o objetivo de comparar dois tipos de dados de satélite para este incêndio específico: os mapas de queima óticos padrão e uma nova análise utilizando sinais de radar. O objetivo era compreender quão bem o radar conseguiria rastrear a perda de estrutura e humidade da vegetação num cenário dominado por arbustos e capim, em vez de árvores altas. O estudo focou-se numa região onde a vegetação é baixa e o solo é frequentemente visível, um cenário onde os mapas de danos por incêndio tradicionais têm historicamente tido dificuldade em ser precisos.

Os investigadores começaram por mapear o perímetro do incêndio e depois analisaram os dados de dois sistemas de satélite diferentes. Um sistema, o Sentinel-2, captura imagens em comprimentos de onda de luz que são sensíveis à saúde das plantas. O outro, o Sentinel-1, utiliza o radar para medir quanta energia ricocheteia na superfície. Quando a vegetação arde, perde a sua estrutura e o seu conteúdo de água. Numa floresta, isto significa geralmente que o sinal de radar diminui porque as árvores que dispersavam o sinal desapareceram. Mas no matagal aberto do Texas, a história é mais complexa. A análise revelou que o sinal de radar se comportou de forma diferente dependendo do tipo de planta. Em áreas com arbustos lenhosos mais altos, o sinal de radar diminuiu significativamente, indicando uma perda de estrutura. No entanto, em áreas de capim, o sinal por vezes aumentou. Isto aconteceu porque o fogo removeu o capim que estava a amortecer as ondas de radar, expondo o solo mais rugoso e seco por baixo, que refletiu mais energia de volta para o satélite.

Quando os investigadores compararam as mudanças de radar com os mapas de queima óticos, encontraram uma clara discrepância na forma como os dois sensores viram o incêndio. Os mapas óticos, que dependem da diferença na saúde das plantas antes e depois do incêndio, mostraram que grande parte do perímetro do incêndio estava ou não queimado ou apenas levemente queimado. Na realidade, o fogo saltou sobre muitas parcelas de terra, deixando um padrão fragmentado de áreas queimadas e não queimadas. Os mapas óticos tiveram dificuldade em distinguir entre as áreas que estavam verdadeiramente danificadas e aquelas que estavam apenas a recuperar rapidamente. Os dados de radar, contudo, forneceram uma imagem mais nítida das mudanças físicas. Mostraram que o sinal de radar de polarização cruzada, que é particularmente sensível à estrutura tridimensional das plantas, era um indicador muito melhor da perda estrutural do que os mapas óticos padrão. O radar conseguiu detetar a remoção de arbustos lenhosos e a secagem do solo, mesmo quando os sensores óticos eram confundidos pelo rápido regresso do capim verde.

Uma descoberta fundamental do estudo foi que a forma como os cientistas calculam a severidade da queima importa imenso nestas paisagens de baixa biomassa. O método padrão para mapas óticos frequentemente ajusta a pontuação de severidade com base em quanta vegetação existia antes do incêndio. Os investigadores descobriram que este ajuste tornou os dados piores nas zonas de matagal do Texas. Como a vegetação pré-incêndio já era escassa, o ajuste amplificou o ruído aleatório em vez de clarificar o dano. Em vez disso, uma medida mais simples de mudança absoluta nos dados óticos funcionou melhor quando combinada com o radar. O estudo confirmou que o sinal de radar e a medida de mudança ótica simples estavam ligados, mas apenas em áreas com estrutura lenhosa suficiente para dispersar as ondas de radar. Nas áreas de pastagem, a ligação era fraca, sugerindo que, embora o radar seja poderoso, não pode substituir totalmente os dados óticos em todas as situações.

O estudo também analisou o que impulsionou a intensidade do incêndio. Examinaram se a inclinação do terreno ou o tipo de vegetação desempenhavam um papel maior na gravidade do incêndio. Os resultados mostraram que a inclinação do terreno quase não teve efeito na severidade do incêndio. Em vez disso, o tipo de combustível foi o fator decisivo. Áreas cobertas por arbustos e plantas lenhosas arderam com uma severidade significativamente maior do que as pastagens abertas. Isto apoia a ideia de que a incursão de plantas lenhosas, como a mesquite e o zimbro, nas pastagens está a mudar o regime de incêndios, tornando os fogos mais intensos e danosos. Os dados de radar foram capazes de destacar estas diferenças na perda estrutural, mostrando que as áreas lenhosas sofreram uma mudança mais profunda do que as áreas de capim.

Talvez a descoberta mais prática tenha sido a capacidade do radar de criar um mapa de perda de humidade. Ao combinar os sinais de radar, os investigadores geraram um índice que mostrou onde a terra tinha secado mais após o incêndio. Este mapa alinhava-se bem com as áreas onde o fogo tinha passado, mesmo em locais onde os mapas óticos eram ambíguos. Isto é crucial porque o radar consegue ver através da fumaça e das nuvens que frequentemente bloqueiam os satélites óticos imediatamente após um incêndio. Também vê a secagem física do solo e das plantas antes que o capim verde tenha a oportunidade de crescer e esconder o dano. Isto significa que os gestores de emergência podem usar o radar para obter uma imagem fiável do impacto do incêndio e do resultante défice de água no solo muito mais cedo do que poderiam com os métodos tradicionais.

Os investigadores notaram que as suas descobertas são específicas para este tipo de ambiente de transição e baixa biomassa e não devem ser assumidas como aplicáveis a florestas densas ou outros ecossistemas sem testes adicionais. Também apontaram que, embora os dados de radar sejam promissores, ainda precisam de ser validados com medições ao nível do solo para criar uma escala perfeita para medir a severidade do incêndio. Por agora, o estudo demonstra que a combinação de dados de radar e óticos oferece uma visão mais completa do dano por incêndio nas Grandes Planícies do Sul. Revela que, nestas paisagens semiáridas, onde o solo é visível e as plantas crescem rapidamente, a estrutura física da vegetação conta uma história diferente da cor das folhas. Ao ouvir o eco do radar, os cientistas podem finalmente ver a verdadeira forma da cicatriz de queima, mesmo quando a terra parece estar verde novamente.