De skiftende farver på vores levende planet

NASA -satellitter kan se vores levende jord trække vejret.

På den nordlige halvkugle, økosystemer vågner om foråret, optager kuldioxid og udånder ilt, når de spirer blade-og en flåde af jordobserverende satellitter sporer spredningen af ​​den nygrønne vegetation.

I mellemtiden, i havene, mikroskopiske planter driver gennem det solbelyste overfladevand og blomstrer ind i milliarder af kuldioxid-absorberende organismer-og lysdetekterende instrumenter på satellitter kortlægger hvirvlerne i deres farve.

Dette efterår markerer 20 år siden NASA løbende har observeret ikke kun de fysiske egenskaber på vores planet, men den eneste ting, der gør Jorden unik blandt de tusinder af andre verdener, vi har opdaget:Livet.

Satellitter målte liv i land og hav fra rummet allerede i 1970'erne. Men det var først ved lanceringen af ​​Sea-view Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) i 1997, at rumfartsorganisationen begyndte det, der nu er en kontinuerlig, globalt syn på både land- og havlivet. En ny animation fanger hele denne 20-årige rekord, muliggjort af flere satellitter, komprimere et årtiers langt syn på livet på Jorden til et fængslende par minutter.

"Dette er utroligt stemningsfulde visualiseringer af vores levende planet, "sagde Gene Carl Feldman, en oceanograf ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Det er Jorden, det er den vejrtrækning hver eneste dag, ændrer sig med årstiderne, reagerer på solen, til de skiftende vinde, havstrømme og temperaturer. "

Det rumbaserede livssyn giver forskere mulighed for at overvåge afgrøder, skov- og fiskerisundhed over hele kloden. Men rumorganisationens forskere har også opdaget langsigtede ændringer på tværs af kontinenter og havbassiner. Da NASA begynder sit tredje årti med globale hav- og landmålinger, disse opdagelser peger på vigtige spørgsmål om, hvordan økosystemer vil reagere på et ændret klima og omfattende ændringer i menneskelig interaktion med landet.

Satellitter har målt, at Arktis bliver grønnere, som buske udvider deres rækkevidde og trives i varmere temperaturer. Observationer fra rummet hjælper med at bestemme landbrugsproduktionen globalt, og bruges til påvisning af tidlig varsling af hungersnød. Når havvandet varmes op, satellitter har registreret et skift i fytoplanktonpopulationer på tværs af planetens fem store havbassiner - udvidelsen af ​​"biologiske ørkener", hvor lidt liv trives. Og da koncentrationer af kuldioxid i atmosfæren fortsat stiger og opvarmer klimaet, NASAs globale forståelse af planteliv vil spille en afgørende rolle i overvågningen af ​​kulstof, når det bevæger sig gennem jordsystemet.

Livet på jorden, fra rummet

For 60 år siden, mennesker var ikke sikre på, at Jordens overflade kunne ses klart fra rummet. Mange troede, at støvpartiklerne og andre aerosoler i atmosfæren ville sprede lyset, maskere oceaner og kontinenter, sagde Jeffrey Masek, chef for Biospheric Sciences Laboratory på NASA Goddard.

Tvillingerne og Apollo -programmerne viste noget andet. Astronauter brugte specialiserede kameraer til at tage billeder af Jorden, der viser skønheden og kompleksiteten af ​​vores levende planet, og hjalp med at kickstarte æraen inden for jordvidenskabelig forskning fra rummet. I 1972, den første Landsat-mission begyndte sin 45-årige rekord over vegetation og landdække.

"Efterhånden som satellitarkivet udvides, du ser mere og mere dynamik komme frem, "Masek sagde." Vi er nu i stand til at se på langsigtede tendenser. "

Græsarealerne i Senegal, for eksempel, gennemgå drastiske sæsonændringer. Græs og buske blomstrer i regntiden fra juni til november, tør derefter op, når regnen stopper. Med satellitdata fra tidligt vejr i 1970'erne og 80'erne, NASA Goddard-videnskabsmanden Compton Tucker var i stand til at se den grønne og dø tilbage fra rummet, måling af klorofyl i nedenstående planter. Han udviklede en måde at sammenligne satellitdata fra to bølgelængder, som giver en kvantitativ måling af denne grønhed kaldet det normaliserede forskelsvegetationsindeks.

"Vi var forbløffede, da vi så de første billeder. De var fantastiske, fordi de viste, hvordan vegetationen ændrede sig årligt, år efter år, "Tucker sagde, bemærkede, at andre også var overraskede, da undersøgelsen udkom i 1985. "Da vi lavede dette papir, folk beskyldte os for at 'male med tal, 'eller fudging data. Men for første gang, du kunne studere vegetation fra rummet baseret på deres fotosyntetiske kapacitet. "

Når temperaturen er den rigtige, og vand og sollys er til rådighed, planter fotosyntetiserer og producerer vegetativt materiale. Blade absorberer kraftigt blåt og rødt lys, men reflekterer nær-infrarødt lys tilbage i rummet. Ved at sammenligne forholdet mellem rødt og nær-infrarødt lys, Tucker og hans kolleger kunne kvantificere den vegetation, der dækker jorden.

Udvidelse af disse observationer til resten af ​​kloden, forskerne kunne spore indvirkningen på planter i regnfulde og tørre årstider andre steder i Afrika, se forårsblomstringen i Nordamerika, og eftervirkninger af naturbrande i skove verden over.

Men jord er kun en del af historien. I bunden af ​​havets fødevæv er fytoplankton - små organismer, der, som jordplanter, gør vand og kuldioxid til sukker og ilt, hjulpet af den rigtige kombination af næringsstoffer og sollys.

Satellitter, der kan overvåge de subtile ændringer i havets farve, har hjulpet forskere med at spore ændringer i planteplanktonpopulationer over hele kloden. Det første syn på havfarve kom fra Coastal Zone Color Scanner, et proof-of-concept-instrument, der blev lanceret i 1979. Kontinuerlige observationer af havfarve begyndte med lanceringen af ​​SeaWIFS i slutningen af ​​1997. Satellitten var lige i tide til at fange overgangen fra El Niño til La Niña-forholdene i 1998-afslører, hvor hurtigt og Fytoplankton reagerer dramatisk på skiftende havforhold.

"Hele det østlige Stillehav, fra Sydamerikas kyst helt til datalinjen, overgik fra det, der svarede til en biologisk ørken til en blomstrende regnskov. Og vi så det ske i realtid, "Sagde Feldman." For mig, det var den første demonstration af kraften i denne form for observation, at se, hvordan havet reagerer på en af ​​de mest betydelige miljøforstyrrelser, det kan opleve, i løbet af bare et par uger. Det viste også, at havet og alt liv i det er forbløffende modstandsdygtigt - hvis det får en halv chance. "

Sporingsændring fra satellitter

Med 20 års satellitdata, der sporer havplanteliv på global skala, forskere undersøger, hvordan levesteder og økosystemer reagerer på ændrede miljøforhold.

Nylige undersøgelser af havlivet har vist, at en langsigtet tendens til stigende havoverfladetemperaturer får havområder kendt som "biologiske ørkener" til at ekspandere. Disse områder med lav fytoplanktonvækst forekommer i midten af ​​store, langsomtgående strømme kaldet gyres.

"Når overfladevandene varmes op, det skaber en stærkere grænse mellem det dybe, kold, næringsrig vand og sollys, generelt næringsfattigt overfladevand, "Sagde Feldman. Dette forhindrer næringsstoffer i at nå planteplankton ved overfladen, og kan få betydelige konsekvenser for fiskeri og det marine økosystem.

I Det Arktiske Ocean, en eksplosion af planteplankton indikerer ændringer. Som sæsonbetonet havis smelter, opvarmning af vand og mere sollys vil udløse en pludselig massiv planteplanktonblomstring, der fodrer fugle, søløver og nyudklækkede fisk. Men med varmere atmosfæriske temperaturer, at blomstring sker nu flere uger tidligt - før dyrene er på plads for at drage fordel af det.

"Det er ikke kun mængden af ​​mad, det er placeringen og timingen, der er lige så kritiske, "Sagde Feldman." Forårets blomstring kommer tidligere, og det kommer til at påvirke økosystemet på måder, vi endnu ikke forstår. "

Klimaet opvarmes hurtigst i de arktiske områder, og påvirkningerne på land er også synlige fra rummet. Tundraen i det vestlige Alaska, Quebec og andre steder bliver grønnere, da buske udvider deres rækkevidde mod nord.

De nærliggende nordlige skove ændrer sig også. Massive brande i 2004 og 2015 udslettede millioner af hektar skove i Alaska, herunder granskove, bemærkede Chris Potter, en forsker ved NASA's Ames Research Center i Californiens Silicon Valley.

"Disse brande var fantastiske i mængden af ​​skovareal, de brændte, og hvor varme de brændte, "Sagde Potter." Når lufttemperaturen rammer 90 grader Fahrenheit i slutningen af ​​maj deroppe, og alle disse lynnedslag fandt sted, skoven brændte meget - tæt på floder, tæt på landsbyer - og intet kunne stoppe det. "

Satellitter hjælper forskere med rutinemæssigt at kortlægge brande, skovrydning og andre ændringer, og for at analysere deres indvirkning på kulstofcyklussen, Sagde Potter. Kæmpe brande frigiver mange tons kuldioxid i atmosfæren, både fra de forkullede træer og mos, men også, især på de nordlige breddegrader, fra jordbunden. Potter og kolleger tog til de brændte områder i Central Alaska i år for at måle den underliggende permafrost - det tykke mosede lag var brændt af, afsløre de tidligere frosne jordarter.

"Det er som at tage det isolerende lag af en køler, "sagde han." Isen smelter nedenunder, og det bliver et sløvt rod. "

Skovtyper kan også ændre sig, om det er efter naturbrande, insektangreb eller anden forstyrrelse. Alaskanske granskove bliver udskiftet med birk. Potter og hans kolleger holder også øje med Californiens skove, der er brændt i de seneste brande, hvor bekymringen er, at fyrretræer vil blive erstattet af egetræer.

"Når tørken accentueres med disse rekordhøje temperaturer, der synes ikke at komme noget godt ud af det for den eksisterende skovtype, "sagde han." Jeg tror, ​​vi ser virkelig tydelige tegn på, at klimaet forårsager ændringer i jorddækket. "

Hold øje med afgrøder

Ændrede temperaturer og nedbørsmønstre påvirker også afgrøder, om de dyrkes i Californien eller Afrika. Den "grønhed" -måling, som forskere bruger til at måle skove og græsarealer, kan også bruges til landbrug, at overvåge felternes sundhed i hele vækstsæsonen.

Forskere og beslutningstagere indså dette potentiale tidligt. En af de første anvendelser af Landsat -data i 1970'erne var at forudsige kornudbytter i Rusland og bedre forstå råvaremarkeder. I 1985, fødevaresikkerhedsanalytikere fra USAID henvendte sig til NASA for at indarbejde satellitbilleder i deres Hunger Early Warning Systems Network, at identificere regioner, hvor fødevareproduktionen har været begrænset af tørke. Det partnerskab fortsætter i dag. Med skøn over nedbør, vegetationsmålinger, samt den seneste tilføjelse af jordfugtighedsinformation, NASA -forskere kan hjælpe organisationer som USAID med direkte nødhjælp.

Med forbedrede data fra Landsat, MODIS -instrumenterne på NASA's Terra- og Aqua -rumfartøjer og andre satellitter, og ved at kombinere data fra flere sensorer, forskere er nu i stand til at spore væksten af ​​afgrøder på individuelle marker, Sagde Tucker.

"Dette flytter tingene ned til feltstørrelserne for sandsynligvis 80 procent af felterne globalt - dette er et stort fremskridt, "Sagde Tucker.

Udsigten fra rummet hjælper ikke kun med at overvåge afgrøder, men kan også hjælpe med at forbedre landbrugspraksis. En vingård i Californien, for eksempel, bruger individuelle pixels af Landsat -data til at bestemme, hvornår der skal vandes, og hvor meget vand der skal bruges.

Det næste trin for NASA -forskere ser faktisk på processen med fotosyntese fra rummet. Når planterne gennemgår den kemiske proces, noget af den absorberede energi fluorescerer svagt tilbage, bemærker Joanna Joiner, en NASA Goddard forsker. Med satellitter, der registrerer signaler i de meget specifikke bølgelængder af denne fluorescens, og en finjusteret analyseteknik, der blokerer baggrundsignaler, Snedker og hendes kolleger kan se, hvor og hvornår planter begynder at omdanne sollys til sukker.

"Det var en slags åbenbaring, at ja, du kan måle det, "Joiner sagde. En tidlig undersøgelse kiggede på det amerikanske majsbælte og fandt det fluorescerer" som vanvittigt, "sagde hun." Disse planter har nogle af de højeste fluorescenshastigheder på Jorden på deres højeste. "

Joiner og Tucker bruger både fluorescensdata og vegetationsindeks for at få mest muligt information om plantevækst på regional og global skala:"Et af de store spørgsmål, der stadig er tilbage, er, hvor meget kulstof planterne optager, hvorfor varierer det fra år til år og hvilke områder der bidrager til denne variation, "Sagde snedker

Uanset om det er afgrøder, skove eller fytoplanktonblomstrer, NASA -forskere sporer livet på Jorden. Ligesom satellitter hjælper forskere med at studere atmosfæren, nedbør og andre fysiske egenskaber ved planeten, den stadig bedre udsigt ovenfra vil give dem mulighed for at studere planetens sammenkoblede liv, Sagde Feldman.

"Dette er den evne, der giver os mulighed for at forstå, hvordan Jordens biologi reagerer på en planet i forandring, " han sagde.