使用高分辨率的卫星精确测量太阳诱导的叶绿素

图片来源:NASA/JPL-CALTECH

OCO首席研究员、JPL的David Crisp表示,利用卫星绘制此类图谱的能力是等待OCO替代物的漫长时间里的一线希望。“我们甚至不知道自己能采取这样的措施,这将告诉我们应在哪里采取行动。”他说。

现在,一个国际科学家小组向前迈出了重要的一步。他们使用了美国宇航局卫星“oco

必赢手机登录网址,2”(轨道碳观察2)的数据,将所谓的“太阳诱导的叶绿素荧光”(SIF)映射到比其他任何空间仪器都高得多的空间分辨率。弱但可检测的SIF信号自然地出现在阳光照射的叶子上,当叶绿素分子被吸收的光子激发时,是植物光合作用的代理。这些测量将提高对全球碳循环的理解。

必赢手机登录网站,来自oco - 2的SIF测量的主要强度依赖于它们非常高的空间分辨率。“在2014年发射oco - 2卫星任务之前,我们有SIF的全球地图,但在粗略的空间分辨率下,每个像素在最好的情况下都有大约50×50公里的区域,”GFZ的Luis Guanter说。这些新数据经过了实地的独立测量,得到了广泛的验证。“它们允许我们研究SIF和总初级生产(GPP)之间的关系——植物通过光合作用固定的碳量——以前从未探索过。”

必赢手机版登录网址,美国宇航局的这颗卫星于今天7月份发射,其目标是绘制大气层中的碳元素净含量。但这幅荧光图利用其意料之外的辅助功能提供了一种更为直观的碳通量测量方法:植物在进行光合作用或呼吸作用时的释放量。这些发现将帮助科学家解开一些地区如亚马逊雨林的碳吸收和碳排量,那里森林砍伐导致的碳排量和光合作用形成的碳汇量均相当高。

同时,叶绿素荧光科学时代亦宣告到来。2009年,日本航空研究开发机构发射了温室气体观测卫星。GOSAT并不能像OCO-2将要做到的那样,详细地绘制二氧化碳图谱,但是它有相似的光谱分辨率,即梳理反射阳光的能力。利用GOSAT的数据,数个研究小组意识到要在云彩和气溶胶的干扰下测量二氧化碳,他们将无论如何都要鉴定荧光信号。“正如我们说的,一个人的噪音是另一个信号。”该技术的开拓者之一、 NASA戈达德太空飞行中心遥感科学家Joanna Joiner说。

没有光合作用,地球上的生命是不可能的。它提供食物和氧气都更高的生命形式和气候系统中扮演着重要的角色,因为这个过程调节吸收的二氧化碳(CO2)从地球大气´s和生物量的固定。然而,生态系统到全球范围的光合作用量化仍不确定。

《中国科学报》 (2014-12-23 第2版 国际)

叶绿素荧光能被探测到。图片来源:AIRBORNE SENSOR HYPLANT OF THE IBG-2

他们发现,一种单一的线性关系可以被用来在不同植被类型(如作物、森林和草原)上对SIF进行缩放,这与之前获得的低分辨率数据的结果相矛盾。这为进一步的研究提供了一个令人兴奋的话题。“精确测量由oco

2衍生出的太阳诱导的叶绿素荧光,这使得科学家能够量化主要的初级生产和对全球碳循环的贡献,”关特说。

“有了这样完善的卫星数据,我们可以首次将全球的SIF观测与原始的生态系统规模数据结合在一起。”mpi

  • bgc的Martin Jung说:“这有很大的潜力来提高我们的全球数据驱动的光合作用估计,以及与地球系统相关的陆地和大气之间的其他通量。”

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相关应用还将超越气候科学范畴。OCO-2的分辨率大约2000米。在亚千米空间分辨率下,荧光绘图者将评估拼接田地中不同庄稼的生产率。这将产生一个更精确的全球粮食生产地图以及它们如何响应干旱或热浪——这是适应气候变化的有价值信息。欧洲空间局荧光探测任务项目科学家Matthias Drusch 反问道:“在一个变化的气候中,我们是否在正确的地方种下了合适的庄稼?”

这幅地图表明,赤道附近的热带雨林在积极地吸收碳,而美国东部的玉米带在生长季节末期也是一个碳汇。高分辨荧光地图还可以在某一天用来帮助评估庄稼收成以及它们如何适应气候变化带来的干旱和炎热。

NASA受够了:它决定将OCO-2交给德尔塔II火箭。这就强迫OCO-2团队推迟了时间表。在此期间,该研究小组发现一种旋转惯性轮存在问题,这些轮子在2013年让行星猎人开普勒望远镜成了跛子。于是,该研究小组有了充足时间更换这些轮子。

美卫星成功捕捉植物碳汇

耗资4.68亿美元的OCO-2将替代5年前坠入大海的碳观测卫星。实际上,荧光图谱并非OCO-2原始任务的一部分。但其项目团队的很多成员表示,目前荧光图谱已经成为该项目的任务之一。“在我看来,这是该卫星最具创新性和革命性的观测任务。”该任务的项目科学家、美国喷气动力实验室的Mike Gunson说。

本报讯 照射在植物上的光约有1%会再发射出一种微弱的荧光,它可以作为光合作用的一种测量方法。近日,在美国地球物理学会会议上,科学家公布了一幅由极轨碳观测者卫星2号测量的荧光图(如图,来源于今年8月~10月的平均数据)。

光合作用的其他变量(例如绿度和叶片面积)也会出现问题:例如一片常绿林全年常绿,即便冬天吸收的二氧化碳很少。相比之下,一种植物只在光合作用发生时才发出荧光,因此这种光芒直接反映了植物吸收的碳的数量。而精确的荧光地图将能修正全球碳收支的误差,并为评估生态系统在气候变化带来的干旱和热应力下如何行为提供新工具。

用卫星监测植物光芒 科学家欲绘制荧光地图评估全球碳收支状况

GOSAT和OCO-2的相关绘图能力能显示特殊区域二氧化碳的净交换。通过荧光信号,研究人员能够深入探索和获得组成净交换的两个成分:光合作用的碳吸收和呼吸作用的碳排放。而且,他们可以观察这些因素在不同气候条件下随着时间的演变。GOSAT数据已经提供了线索:发表在美国《国家科学院院刊》上的一项研究指出,美国玉米带荧光峰值比世界上其他地方更明亮,气候模型可能低估了该地区碳吸收的50%~75%。

《中国科学报》 (2014-06-25 第3版 国际)

荧光测量还将帮助解决一个长期存在的争论——亚马逊雨林如何响应干旱。一些科学家认为,亚马逊稠密森林的光合作用并非被水限制,而是被光限制,因此干旱期间光照的增强能带来“绿化”。2013年发表于英国《皇家学会学报B》的论文指出,GOSAT数据显示,在旱季,亚马逊雨林的一些地区荧光减少,甚至叶面积指数达到了高点。

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2009年发射数分钟后,运载OCO的金牛座XL火箭的防护罩未能打开,这颗卫星最终坠入太平洋。对于气候学家而言,这次失败带来的打击是毁灭性的,他们希望该卫星能补充参差不一的地面二氧化碳测量结果。OCO计划绘制二氧化碳的源和汇的图谱。一些科学家指出,该卫星还将帮助检测各国是否遵循减排要求。

之后,研究人员一直在为替代卫星争取政治支持。到2010年,JPL批准并拨款建造OCO-2,而且该卫星进行了一些可能的变化。然而,2011年,金牛座XL火箭在运送NASA另一颗卫星时出现了类似失败。

数十年来,植物生理学家已经对叶绿素荧光有了一定了解。但直至近几年,科学家才开始能在太空中描绘这种微弱信号。现在,科学家正打算利用美国宇航局将于7月1日发射的轨道碳观测卫星更清晰地观察叶绿素荧光。

Crisp知道要完成这些任务多么困难。他表示自己从2001年首次向NASA提交OCO计划后,每周要工作80小时。尽管他对未来卫星发射心怀担忧,他仍计划在范登堡空军基地发射场守望它。“我们做了能做的所有事情。”他说,“我希望我们做对了。我确实希望它能升空。”

这是小学的一堂课:阳光洒在叶片上,催化二氧化碳,大气中的二氧化碳会被吸收并被固定在糖分子中。但是还有一个令人惊讶的额外描述:叶片会重新放射出1%的阳光,发射出红色光晕。

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