Al igual que los seres humanos inhalamos y exhalamos, los ecosistemas absorben y liberan gases. Hay un constante intercambio de dióxido de carbono (CO2), vapor de agua (H2O) y otros gases entre los suelos, la vegetación y el aire, que los científicos miden para saber cuánto se libera a la atmósfera, y cuánto absorben las plantas y árboles a través de la fotosíntesis.

Este intercambio de gases se mide por medio de un sistema llamado covarianza o correlación de remolinos (eddy covariance en inglés).

Un remolino (eddy) es aire que se mueve circularmente a causa de turbulencia (cambios en velocidad y dirección). En la noche, las temperaturas bajan y el aire es más estable, y durante el día, cuando suben las temperaturas, el aire se mueve más; estas fluctuaciones entre el día y la noche crean el viento que sentimos, y por lo tanto los remolinos o eddies, que se mueven en diferentes direcciones, llevando distintas concentraciones de CO2, H2O y otros gases.

La covarianza (covariance) se refiere a medir simultáneamente la concentración de gases y cambios de dirección de los remolinos, para entender cuánto carbono, vapor de agua y energía se están desplazando y hacia dónde, y cómo cambian de momento a momento (flujos o fluxes). Esto se hace con equipos llamados anemómetros sónicos, que miden la velocidad y dirección del viento, y analizadores infrarrojos de gases CO2/H2O. Son cientos de mediciones por minuto en tiempo real de estos dispositivos que detectan cuántas moléculas de estos gases se mueven a través de un área o volumen definido, y cuántas suben a la atmósfera o son absorbidas por los bosques.

“El sistema Eddy Covariance (EC) es una técnica micro-meteorológica utilizada para monitorear directamente estos intercambios entre los bosques y la atmósfera, ya que estas interacciones son críticas para entender el papel de los bosques dentro del sistema climático global,” explica Matteo Detto, investigador del Departamento de Ecología y Biología Evolutiva de la Universidad de Princeton, quien instaló el sistema EC en la torre AVA en Isla Barro Colorado (BCI) en 2012.

“El carbono puede estar en muchos lugares, en el suelo, en las plantas, en la atmósfera, y simplemente no hay otra forma de rastrearlo, pero este sistema lo logra,” cuenta Joe Wright, científico del Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales (STRI).

En STRI, el técnico de investigación Alfonso Zambrano administra y verifica la recolección de datos del sistema EC.  “El sistema EC de BCI ha estado operando de manera continua durante los últimos diez años,” comenta Zambrano. “Es importante porque es una manera localizada de calcular el intercambio de gases sobre el bosque. Y hay muy pocos de estos sistemas en el trópico.”

La primera torre AVA se construyó en 2012 como parte del programa de monitoreo de clima de la red ForestGEO; Detto, entonces científico asociado de STRI, agregó los sensores del sistema EC, y los administró hasta 2017.

“Establecí el sistema EC en BCI para tener más información de cómo los bosques tropicales absorben carbono y utilizan agua, y cómo estos flujos responden a la variabilidad ambiental,” dice Detto. “Este monitoreo es esencial para entender cómo los bosques tropicales reaccionan ante cambios naturales, como sequías y calentamiento, y cómo mejor conservarlos.”

“El sistema EC capta datos diez veces por segundo, es decir 10 Hz (Hertz). Y gracias a Matteo, tenemos aproximadamente diez años de data,” comenta Wright.

En 2019 se reconstruyó la torre luego de que le cayera un árbol, y se reinstalaron los sensores. Desde entonces la torre forma parte del programa de monitoreo físico de STRI.

Zambrano administra el sistema EC y sus datos localmente. Realiza visitas periódicas a la torre para descargar datos y monitorear el sistema de energía, y para darle mantenimiento preventivo y reemplazar los equipos cuando es necesario; no es una tarea fácil, ya que implica frecuentemente escalar y pasar varias horas al tope de una torre de 45 metros (aproximadamente 147 pies) de altura, más o menos el equivalente a subir un edificio de 12 pisos.

En los trópicos, esta tarea se dificulta aún más debido a las lluvias y tormentas que constantemente afectan los equipos electrónicos.

Por esta razón, Zambrano elaboró una página web del sistema EC, con la ayuda de la Oficina de Tecnología de Información (OIT) de STRI, para monitorear a diario que el sistema esté operativo. Esta página también aloja información y bases de datos del sistema. Cámaras fijas de monitoreo fenológico (estudio de ciclos de las plantas), o Phenocams, instaladas también por Detto y Zambrano, capturan fotos del dosel del bosque desde la torre AVA y la torre de telecomunicaciones de BCI, mostrando cómo cambia a través de las estaciones y condiciones climáticas; el especialista del sistema de información geográfica STRI ArcGIS Milton Solano, creó la página web desde donde se accede a su base de datos.

“Mantener este sistema en el trópico es complicado, por lo cual es aún más importante que pueda continuar generando datos constantemente, sin huecos largos,” explica Zambrano. “Hacemos todo para minimizar esto lo más posible, a pesar de las dificultades de clima, falta de energía, fallos por rayos, y cualquier otro imprevisto que ocurra. Y esto hace que sea tan relevante que exista este sistema en el trópico.”

La valiosa data del sistema EC es de acceso abierto a través de AmeriFlux, una red global de sitios administrados por investigadores ubicados en ecosistemas a lo largo de todo el continente americano, que utilizan eddy covariance para monitorear flujos de energía, agua y carbono sobre muchos tipos diferentes de ecosistemas.

“Hay cientos de estas torres de eddy flux en Norteamérica y Europa, que forman parte de esta red. Muchas han estado trabajando por décadas, pero en los trópicos solo hay alrededor de una docena,” indica Wright. “Por esto la data es sumamente importante.”

Detto y Wright someten estos datos a un proceso de control de calidad antes de publicarla en AmeriFlux; hasta el momento hay cinco años de data disponibles.

“Por los últimos diez años este sistema ha proporcionado una base de datos única, la cual es crítica para comprender el funcionamiento y resiliencia de los bosques tropicales bajo condiciones cambiantes,” indica Detto.

Aplicando lo que sabemos hasta ahora

Zambrano, Wright y Detto también son colaboradores en NGEE-Tropics (Next-Generation Ecosystem Experiments–Tropics), un proyecto multi-institucional que comenzó en 2015, financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos, la Oficina de Ciencia y la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental. El proyecto reúne a investigadores de todas partes del mundo y sitios de investigación en lugares como Borneo, Australia, Brasil, Guyana Francesa, Puerto Rico, Malasia y Panamá.

“En general ese proyecto busca hacer una simulación de lo que pasa en los bosques tropicales de acuerdo aumentan las temperaturas,” indica Zambrano. Otros investigadores de STRI, como los científicos Stuart Davies, Helene Muller-Landau y Martijn Slot, también colaboran con NGEE-Tropics.

“Nosotros contribuimos con la data que colectamos. NGEE-Tropics usa toda esa data para mejorar la representación de los bosques tropicales en modelos dinámicos de vegetación,” explica Wright.

Un modelo dinámico de vegetación (DVM) es un componente de un modelo de sistema terrestre, representando la biósfera, la vida sobre la tierra; incluye los ciclos globales de carbono, de agua, y más, para predecir el futuro del clima, corrientes oceánicas y la atmósfera. Los bosques tropicales cubren menos del 7% de la superficie de la Tierra y, sin embargo, reciclan más carbono, agua y energía que cualquier otro bioma. Estos intercambios entre los bosques y la atmósfera son fundamentales en la regulación del clima de la Tierra.

“Una de las grandes incertidumbres en estos modelos, lo que ha prevenido que podamos predecir el futuro del clima más precisamente,” continúa Wright, “es cómo los bosques tropicales responderán a temperaturas más altas, al aumento global del carbono atmosférico, y a cambios en las precipitaciones regionales. ¿Cómo van a reaccionar? Estamos adivinando. Así que nosotros empleamos tecnología para proporcionar data que ayuda a llenar esos vacíos de información.”

“La data generada por la torre de BCI es crucial para mejorar estos modelos ecosistémicos, como los desarrollados por NGEE-Tropics, para predecir cómo los bosques se comportarán en escenarios climáticos futuros,” explica Detto. “Y dependen de observaciones de campo como las nuestras para calibrar y validar los modelos.”

NGEE-Tropics reúne también otros datos claves meteorológicos y de vegetación, como datos de flujos de savia, de concentraciones de ozono, de temperatura y humedad de suelo. En Panamá, las grúas de dosel de STRI en Parque Natural Metropolitano y Parque Nacional San Lorenzo son sitios esenciales para los estudios de campo sobre el dosel del bosque, como obtener muestras de hojas y ramas para estudios de fotosíntesis.

Las proyecciones de NGEE-Tropics buscan ser cada vez más precisas, para crear modelos más certeros y confiables, a través de una plataforma de modelos climáticos globales llamada E3SM-FATES (Energy Exascale Earth System Model – Functionally Assembled Terrestrial Ecosystem Simulator), para calcular el carbono que emiten o absorben los ecosistemas tropicales forestales, simulando cómo los procesos ecológicos y fisiológicos responden a los cambios ambientales.

Con esta información más exacta, los científicos y tomadores de decisiones están mejor posicionados para formular respuestas a cambios ambientales y evaluar la capacidad de los bosques tropicales de capturar carbono ahora y en un futuro.

“Mirando hacia el futuro, es esencial mantener y ampliar este monitoreo a largo plazo,” dijo Detto. “Las mediciones continuas de flujos son invaluables para detectar tendencias, comprender las respuestas a largo plazo de los bosques tropicales a cambios atmosféricos, y continuar utilizando tecnología de punta para proporcionar los datos necesarios que guíen el conocimiento científico y la conservación del bienestar de ecosistemas tropicales.”