Muschio antartico utilizzando droni, MossCam, sensori intelligenti e intelligenza artificiale

Nov 20, 2023

Johan Barthélemy, Università di Wollongong; Barbara Bollard, Università di Tecnologia di Auckland; Juan Sandino, Queensland University of Technology e Krystal Randall, Università di Wollongong

Il continente antartico evoca visioni di ghiaccio bianco e cielo azzurro. Ma non lontano dalla stazione australiana di Casey, 3.880 km a sud di Perth, i letti di muschio emergono rigogliosi e verdi.

Purtroppo, la salute di questi letti di muschio sta peggiorando a causa dei cambiamenti delle condizioni climatiche, della riduzione dell’ozono e delle ondate di caldo. Tuttavia la nostra comprensione del problema è limitata. Condurre ricerche in Antartide è difficile. I periodi di raccolta dei dati sono brevi e possono trascorrere anni tra ogni opportunità di ricerca. Fortunatamente, la nuova tecnologia offre soluzioni.

Nel dicembre 2022 ci siamo recati alla stazione di Casey. Abbiamo trascorso due mesi sul campo, combinando le nostre competenze in biologia, volo di droni, programmazione e intelligenza artificiale, per saperne di più sul muschio e trovare modi migliori per monitorare a distanza i cambiamenti biologici.

Abbiamo mappato grandi letti di muschio e sperimentato un nuovo sistema di sensori in grado di fornire dati continui sul muschio per tutto l’anno. Mentre questa ricerca è in corso, siamo entusiasti di condividere con voi i primi risultati qui.

Le piante hanno bisogno di luce solare, calore e acqua liquida. Le piante antartiche affrontano mesi di oscurità, temperature gelide e siccità dovuta all'acqua ghiacciata, ma il muschio si è adattato a questo ambiente ostile.

Il muschio è la pianta dominante in Antartide. Fornisce l'habitat per invertebrati, microbi e funghi, che costituiscono oltre il 99% della biodiversità terrestre dell'Antartide. I letti di muschio ricordano foreste in miniatura, piene di vita.

Il muschio antartico crea il proprio microclima caldo, utilizzando i pigmenti per assorbire la luce solare. Questo calore aiuta la fotosintesi e aiuta i muschi a sciogliere la neve per ottenere acqua liquida. Le minuscole colline e valli attraverso i letti di muschio determinano la quantità di luce che i muschi ricevono e creano differenze nei loro microclimi e nella loro salute.

Una volta raggiunto il muschio, ci tenevamo in equilibrio con attenzione sulle rocce per prelevare campioni e posizionare i registratori di dati. Questi consistevano in quattro sensori che misuravano la temperatura della chioma in diverse posizioni nel letto di muschio. Abbiamo anche misurato la fotosintesi e raccolto campioni di muschio per l’analisi dei pigmenti, che indicano i livelli di salute e di stress.

La foto qui sotto raffigura un letto di muschio con la nostra attrezzatura attaccata. Si vede la complessa micro-topografia e un mosaico di muschi sani e stressati. Il muschio sano è verde e vellutato. I muschi stressati sono rossi e col tempo diventano grigi.

I muschi che crescono a pochi centimetri di distanza possono sperimentare microclimi molto diversi. Nella foto sotto, alcuni muschi si erano riscaldati fino a 19℃ (vicino al contrassegno rosso), mentre a soli circa 30 cm di distanza il muschio era a 0,6℃ (vicino al contrassegno bianco).

La raccolta di questi dati ci consente di esplorare le connessioni tra la struttura fisica dei letti di muschio, i microclimi e gli indicatori della salute del muschio.

Mentre eravamo in Antartide, abbiamo anche testato il primo prototipo di una piattaforma di rilevamento intelligente, autonoma e a lungo termine. Offre agli scienziati più informazioni rispetto ai precedenti dispositivi di raccolta dati in quanto può raccogliere e trasmettere dati per un periodo prolungato al di fuori delle regolari campagne estive sul campo, compreso l'orario invernale.

Il prototipo ha monitorato il letto di muschio vicino alla stazione di Casey per un mese e mezzo. I suoi sensori hanno catturato l’intensità della luce, la temperatura e l’umidità dell’aria ambiente, la temperatura della copertura del muschio e, infine, l’energia scambiata tra suolo e aria. Una webcam, affettuosamente soprannominata MossCam, ha catturato immagini regolari del letto di muschio.

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Abbiamo inoltre installato la prima antenna in Antartide per la rete wireless LoRaWAN. Questa rete è a basso consumo, a lungo raggio e gratuita. Ciò ci ha consentito di inviare i dati in Australia quasi in tempo reale e di visualizzarli sulla dashboard di un sito Web visibile solo agli australiani.

Dopo alcune prime correzioni di bug, la piattaforma ha funzionato meglio del previsto. L'abbiamo portato a casa alla fine della stagione per un ulteriore perfezionamento e implementazione nella prossima stagione. https://www.youtube.com/embed/ctiW3TZvF5I?wmode=transparent&start=0 Un time-lapse di 24 ore catturato da MossCam. Johan Barthelemy.