By Data från satellitsensorer visar att under norra halvklotets växtsäsong, Mellanvästern regionen i USA ståtar med mer fotosyntetisk aktivitet än någon annan plats på jorden, enligt NASA och universitetsforskare.
Friska växter omvandlar ljus till energi via fotosyntes, men klorofyll avger också en bråkdel av absorberat ljus som fluorescerande glöd som är osynlig för blotta ögat. Glödens storlek är en utmärkt indikator på mängden fotosyntes, eller bruttoproduktivitet, av växter i en given region.
Forskning under 2013 ledd av Joanna Joiner, från NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., visade att fluorescens från växter kunde retas ut av data från befintliga satelliter, som konstruerades och byggdes för andra ändamål. Den nya forskningen ledd av Luis Guanter från Freie Universität Berlin, använde data för första gången för att uppskatta fotosyntesen från jordbruket. Resultaten publicerades 25 mars i Proceedings of National Academy of Sciences.
Enligt medförfattaren Christian Frankenberg från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. ”Papperet visar att fluorescens är en mycket bättre proxy för jordbruksproduktivitet än något vi har haft tidigare. Detta kan gå långt när det gäller att övervaka — och kanske till och med förutsäga — regionala skördar.”
Guanter, Joiner och Frankenberg inledde sitt samarbete vid en workshop 2012, värd för Keck Institute for Space Studies vid California Institute of Technology i Pasadena, för att utforska mätningar av fotosyntes från rymden. Teamet märkte att troperna på årsbasis är de mest produktiva. Men under norra halvklotets växtsäsong, den amerikanska majsbältet ”verkligen sticker ut”, sade Frankenberg. ”Områden över hela världen är inte lika produktiva som detta område.”
Forskarna ville beskriva det fenomen som observerats genom att noggrant tolka data från Global Ozone Monitoring Experiment 2 (GOME-2) på Metop-A, en europeisk meteorologisk satellit. Data visade att fluorescens från Corn Belt, som sträcker sig från Ohio till Nebraska och Kansas, toppar i juli på nivåer 40 procent större än de som observerats i Amazonas.
Jämförelse med markbaserade mätningar från kolflödestorn och avkastningsstatistik bekräftade resultaten.
Matchen mellan markbaserade mätningar och satellitmätningar var en ”trevlig överraskning”, sade Joiner, medförfattare på papperet. Markbaserade mätningar har en upplösning på ca 0,4 kvadratkilometer (1 kvadratkilometer), medan satellitmätningarna för närvarande har en upplösning på mer än 1 158 kvadratkilometer (3 000 kvadratkilometer). Studien bekräftar att även med grov upplösning kan satellitmetoden uppskatta den fotosyntetiska aktiviteten som förekommer inuti växter på molekylär nivå för områden med relativt homogen vegetation som majsbältet.
Utmaningarna kvarstår när det gäller att uppskatta produktiviteten i fragmenterade jordbruksområden, som inte tas ut ordentligt med hjälp av nuvarande rymdburna instrument. Det är där uppdrag med bättre upplösning kan hjälpa, till exempel NASA:s omloppsbana Carbon Observatory-2 — ett uppdrag som planeras lanseras i juli 2014 som också kommer att mäta solinducerad fluorescens.
Forskningen kan också hjälpa forskare att förbättra datormodeller som simulerar jordens kolcykel, som Guanter fann en stark underskattning av gröda fotosyntes i modeller. Analysen visade att kolcykelmodeller — som forskare använder för att förstå hur kol cykler genom hav, mark och atmosfär över tid — underskattar produktiviteten hos Corn Belt med 40 till 60 procent.
Till skillnad från de flesta vegetation lyckades livsmedelsgrödor maximera produktiviteten. De har vanligtvis tillgång till rikliga näringsämnen och bevattnas. Corn Belt tar till exempel emot vatten från Mississippifloden. Redovisning av bevattning är för närvarande en utmaning för modeller, vilket är en anledning till att de underskattar jordbruksproduktiviteten.
”Om vi inte tar hänsyn till bevattning och andra mänskliga influenser i jordbruksområdena, vi kommer inte att korrekt uppskatta mängden kol tas upp av vegetation, särskilt majs,” Joiner sagt. ”Majsväxter är mycket produktiva när det gäller att assimilera koldioxid från atmosfären. Detta måste beaktas för att man ska kunna förutse hur mycket av den atmosfäriska koldioxiden som kommer att tas upp av grödor i ett föränderligt klimat.”
Enligt Frankenberg, fjärranslutningsbasenDe tekniker som nu finns tillgängliga kan vara ett kraftfullt övervakningsverktyg för livsmedelssäkerhet, särskilt data från OCO-2 och i kombination med data från andra kommande satelliter, såsom NASA:s Soil Moisture Active Passive, planerad att lanseras senare i år.
NASA övervakar jordens vitala tecken från land, luft och rymden med en flotta av satelliter och ambitiösa luftburna och markbaserade observationskampanjer. NASA utvecklar nya sätt att observera och studera jordens sammankopplade naturliga system med långsiktiga dataregister och datoranalysverktyg för att bättre se hur vår planet förändras. Byrån delar denna unika kunskap med det globala samhället och arbetar med institutioner i USA och runt om i världen som bidrar till att förstå och skydda vår hemplanet.
