Ny NASA-indsigt i planters hemmelige liv

Fra regnskove til dyrkede arealer, boreale skove til mangrover, NASA vil tage et nyt kig på terrestrisk vegetation på tværs af vores levende planet i løbet af de næste to år med flere unikke instrumenter i rummet. Missionerne vil hjælpe forskere med at undersøge planternes rolle i Jordens globale kulstof- og vandkredsløb.

Siden 1970'erne, NASA har studeret livet fra rummet med satellitter som Landsat, Terra, Aqua og NASA/NOAA's Suomi National Polar-Orbiting Partnership. Forskere har brugt disse data sammen med observationer fra internationale rumfartøjer til at udføre en bred vifte af forskning, fra at opdage udvidelse af skovene i Arktis mod nord til at overvåge, hvordan brændte områder kommer sig efter skovbrande.

Generelt, de instrumenter, der i øjeblikket er i kredsløb, udfører deres arbejde ved at detektere sollys, der reflekteres fra Jordens overflade, som et kamera gør. Men de nye instrumenter, der lanceres i løbet af de næste to år, vil tage en ny, mere aktiv tilgang til at undersøge nye spørgsmål om vegetation, og hvordan den ændrer sig. To af disse NASA-missioner vil bruge laserinstrumenter, der vil måle højden af ​​træer, mens en tredjedel vil overvåge temperaturen for at give indsigt i plantesundhed.

Lasermålinger af træer

Mens den globale udbredelse af disse økosystemer er blevet kortlagt ud fra satellitbilleder, eksisterende kort kan ikke bestemme, hvor høje disse træer er, eller strukturen af ​​deres baldakiner – dvs. den tredje dimension.

To missioner vil bruge rumbårne lasere til at måle træhøjden:et instrument monteret på den internationale rumstation, kaldet Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI); og en satellit kaldet isen, Sky- og landhøjdesatellit-2 (ICESat-2), der vil fokusere på at måle sne og is, men vil også måle planetens skove. Med data, der strømmer ind fra begge instrumenter, videnskabsmænd planlægger at udvikle et tredimensionelt kort over jordens vegetation.

Ved at kende omfanget af skove fra eksisterende kort, samt højderne af baldakinen fra de nye instrumenter, forskere vil så være i stand til at vurdere, hvor meget plantestof - og dermed hvor meget kulstof - der er til stede. Når træerne vokser, de absorberer kulstof fra atmosfæren, gør skovene til en nøglespiller i det globale kulstofkredsløb. Over tid, disse missioner kan hjælpe med at give videnskabsmænd fingerpeg om, hvor meget kulstof der absorberes af voksende skove, og hvordan det bliver frigivet til atmosfæren gennem skovbrande og skovrydning.

Ved at kombinere ICESat-2 med GEDI, vi får et nyt syn på biosfærens tilstand på vores planet, sagde Tom Neumann, stedfortrædende projektforsker for ICESat-2-projektet ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

For Ralph Dubayah, GEDIs hovedefterforsker fra University of Maryland, GEDI-missionen vil besvare spørgsmål om biomassen af ​​træer i en given region, og virkningen af ​​skovrydning og genplantning på mængden af ​​kuldioxid i atmosfæren. GEDI vil også kvantificere, hvordan det vertikale arrangement af blade og grene i en skov påvirker habitatkvalitet og biodiversitet.

Mens begge missioner bruger lysdetektion og rækkevidde (LIDAR) teknologi - som er ligesom radar, men med laserlys i stedet for radiobølger - GEDI-instrumentet vil bruge en nær-infrarød bølgelængde. Dette bølgelængdeområde er optimalt til at måle vegetation, fordi det reflekteres fra blade, og en del af dette reflekterede lys går tilbage til sensoren. De impulser, der udsendes fra nær-infrarøde lasere, kan også bedre trænge gennem trækroner for at reflektere fra jorden, hvilket er et nødvendigt mål for at bestemme træernes højde.

GEDIs team har arbejdet på at optimere systemets pulsbredde, bølgelængde, prøveudtagningsmønster og fodaftryksstørrelse for at dække så mange skovområder som muligt. GEDIs tre lasere vil pulsere 242 gange i sekundet, prøvetagning af 10 laserspor spredt ud over et 3,7-mile (6-kilometer) skår på Jordens overflade. Fordi GEDI vil flyve på den internationale rumstation, dens bane vil fokusere på Jordens mellembreddegrad og tropiske områder, hvor langt størstedelen af ​​skovens kulstof er lagret.

ICESat-2, kredser pol-til-pol, vil indsamle data om Jordens iskapper, havis og gletsjere med sin næsten globale dækning. I stedet for at bruge nær-infrarødt lys, ICESat-2's Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS) instrument vil bruge grøn, synligt lys. ATLAS har to lasere, hvoraf kun én fungerer ad gangen. Den ikke-operative laser er en indbygget reserve. Den operationelle laser vil pulsere 10, 000 gange i sekundet og generere seks spor. Når den bevæger sig over de mellemste breddegrader, videnskabsmænd vil bruge ATLAS til at måle specifikke vegeterede områder, at supplere GEDI-målingerne og skabe et mere komplet tredimensionelt kort over Jordens vegetation.

Fotonerne, eller partikler af lys, fra ICESat-2's grønne lasere vil reflektere fra, hvad der er under dem, inklusive toppen af ​​træer, grene og blade, og - hvis der er åben plads i baldakinen - fra jorden.

"Hvis du kan adskille de to - fotonerne reflekteret fra jorden, fra de fotoner, der reflekteres fra toppen af ​​træerne – du kan måle træhøjden, hvilket er rigtig fedt, sagde Neumann. Men det er ikke altid muligt at adskille trætoppene fra skovbunden, især med en synlig bølgelængde.

"Hvis trækronen er for tæt, vi kan ikke se jorden, så du kan ikke måle træhøjden, " sagde Neumann. "Hvis trækronen er for sparsom, vi kan ikke se træerne, fordi det er ét træ midt på en mark, og dine chancer for at ramme det enkelte træ er ikke så gode."

Fordi GEDIs lasere fungerer i nær-infrarød, og har tilstrækkelig kraft til at trænge ind i tætte skove med hvert skud, instrumentet kan mere nøjagtigt måle skovstruktur selv i områder, der har en tæt overdækning.

GEDIs vegetationsmålinger vil hjælpe med at lukke et kritisk hul i vores nuværende forståelse af, hvordan kulstof lagres og udsendes over tid af skove og andre økosystemer. Processen spiller en stor rolle, ultimativt, i hvor meget kuldioxid der ophobes i atmosfæren.

"Det centrale videnskabelige mål for GEDI er at levere de data, hvormed vi præcist kan løse dette spørgsmål, " sagde Dubayah. "GEDI er den første lidar nogensinde til at flyve, der er blevet optimeret til vegetationsmålinger."

Bevæbnet med disse oplysninger, videnskabsmænd vil være i stand til at gøre et meget bedre stykke arbejde med at forudsige atmosfæriske kuldioxidkoncentrationer i fremtiden, han sagde, og i forståelsen af ​​menneskelige aktiviteters rolle på kulstofkredsløbet.

Skyer er en anden hindring for både ICESat-2 og GEDI-missionerne. På en given dag, Jorden er omkring 50 procent dækket af skyer. Så, i stedet for at måle toppen af ​​træer, disse lidar-baserede systemer vil måle toppen af ​​skyerne, som reflekterer laserpulsen. At have to systemer til at måle vegetation vil hjælpe med at udfylde disse uklare datahuller. Ved at kombinere data, videnskabsmænd vil få et bedre billede af status for Jordens vegetation.

Selvom de to missioner er optimeret til forskellige videnskabelige mål, de vil arbejde sammen om at skabe et mere præcist højdekort over Jordens vegetation – et datasæt, der kan hjælpe med at besvare Dubayahs spørgsmål.

Tager temperaturen på planter

At vide, hvor meget vegetation der er til stede på Jorden, indikerer ikke, om den vegetation er sund eller ej. Hvordan vegetationen ændrer sig på grund af stress forårsaget af vandtilgængelighed er det centrale videnskabelige spørgsmål, der skal behandles af ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station (ECOSTRESS).

Når planter optager kuldioxid til fotosyntese, de frigiver vand gennem evapotranspiration fra deres bladporer, som hjælper dem med at køle ned i den varme sol, ligesom menneskelig sved køler os ned. Og ligesom mennesker, hvis planterne ikke får nok vand, de kan overophedes.

Plantens porer åbner og lukker som reaktion på varmestress og vandtilgængelighed. Når de er åbne, planter optager kuldioxid og mister vand. Når de er lukket, planter holder op med at optage kuldioxid (dvs. vokser), men holder også op med at tabe vand. Hvis vi ved, at planter taber vand, vi ved, at de optager kuldioxid, og omvendt. ECOSTRESS-data vil hjælpe forskerne med at forstå planters samlede kuldioxidoptagelse i løbet af en typisk dag. For eksempel, hvis det er en varm og tør eftermiddag, nogle planter kan lukke ned for deres vandforbrug og kuldioxidoptagelse om eftermiddagen. ECOSTRESS vil være i stand til at opdage disse typer af svar. Aktuelle polære satellitter i kredsløb kan kun give et enkelt øjebliksbillede af kuldioxidoptagelse og vandfrigivelse hver dag, på samme tidspunkt af dagen, så videnskabsmænd er nødt til at vurdere, hvordan det engangs-øjebliksbillede oversættes i løbet af hele dagen.

ECOSTRESS vil måle plantetemperaturer fra rummet for at detektere den kølende natur af vand fordampet af planter, eller mangel på samme. Den vil fortælle os, hvor meget vand forskellige planter bruger og har brug for, og hvordan de reagerer på miljøbelastninger fra vandmangel. Ud over sine kulstof- og vandkredsløbsvidenskabelige mål, den vil også studere, hvordan Jordens terrestriske biosfære reagerer på ændringer i vandtilgængeligheden.

Fra sin unikke orbitale aborre, ECOSTRESS vil observere det samme sted på Jorden med få dages mellemrum på forskellige tidspunkter af dagen i mindst et år, gør det muligt for forskere at spore ændringer i plante-vand-dynamikken i løbet af en typisk dag.

"ECOSTRESS vil muliggøre en detaljeret undersøgelse af brugen af ​​plantevand i løbet af dagen, " sagde Josh Fisher, missionens videnskabelige leder ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien. "Desuden, vi vil være i stand til bedre at forstå, hvordan visse regioner bliver påvirket af tørke. Dette kan have vigtige konsekvenser for forvaltning af skove eller landbrugssystemer."

ECOSTRESS vil også give nøgleindsigt i sammenhænge mellem Jordens vand og kulstofkredsløb ved at identificere, hvilke områder af vores planet der kræver mere eller mindre vand for den mængde kuldioxid, de optager.

ECOSTRESS Hovedefterforsker Simon Hook fra JPL begyndte at udvikle det termiske infrarøde radiometer til ECOSTRESS for flere år siden. ECOSTRESS vil spore den energi, der bruges til at fordampe vand i kombination med andre faktorer, der påvirker fordampningen, såsom temperatur og luftfugtighed.

ECOTRESS data vil blive brugt af økologer, hydrologer, meteorologer og andre videnskabsfolk samt landbrugs- og vandforvaltningssamfundene. Faktisk, ECOSTRESS videnskabsteam omfatter forskere fra det amerikanske landbrugsministerium. Det vil indsamle data ved pixels, der måler lidt mere end 200 fod (70 meter) på en side, på størrelse med en stor baghave, lille gård eller del af en stor gård. Denne skala af information kan også være nyttig til anvendelsesforskning om virkningerne af tørke på naturlig vegetation; for eksempel, for at identificere, hvilke typer træer der er mest sårbare over for at dø først.

NASA og dets partnere planlægger endnu flere fremtidige missioner i løbet af de næste år for at fremme det, vi ved om Jordens økosystemer. For eksempel, agenturet samarbejder med den indiske rumforskningsorganisation om at udvikle NASA ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) mission, der rutinemæssigt vil give systematiske observationer af Jordens land og isdækkede overflader mindst to gange hver 12. dag, muliggør større videnskabelig forståelse af de dynamiske processer, der driver jordsystemet og naturlige farer, samt yde handlingsvenlig støtte til katastrofeberedskab og genopretning.

NISAR vil supplere GEDI, ICESat-2 og ECOSTRESS. Med sin evne til at se gennem skyer, det vil være i stand til at hjælpe med at måle mængden af ​​kulstof lagret i skove, tab af skove på grund af forstyrrelser, og omfanget af landbrugsområder og vådområder over hele kloden.