NASAs OCO-3 måler, hvordan planter vokser - og gløder

Når planter optager for meget energi, de bliver ikke fede — de letter. De absorberer mere sollys, end de behøver for at drive fotosyntesen, og de slipper af med den overskydende solenergi ved at udsende den som et meget svagt skær. Lyset er alt for svagt til, at vi kan mærke det under normale omstændigheder, men det kan måles med et spektrometer. Kaldes solar-induceret fluorescens (SIF), det er det mest nøjagtige signal om fotosyntese, der kan observeres fra rummet.

Det er vigtigt, fordi efterhånden som jordens klima ændrer sig, vækstsæsoner verden over ændrer sig også i både timing og længde. Disse ændringer kan påvirke verdens fødevareproduktion og tempoet i drivhusopvarmningen. Det er ikke muligt at måle fotosyntese globalt fra jordoverfladen, og laboratorieeksperimenter kan ikke nemt kopiere alle de miljømæssige faktorer, der påvirker plantevækst, såsom vandtilgængelighed, skovbrande og konkurrence fra andre planter - faktorer, der også ændrer sig med klimaet.

The Orbiting Carbon Observatory 3 (OCO-3), skal opsendes til den internationale rumstation senere på måneden, slutter sig til sin ældre søskende, OCO-2, ved at måle SIF sammen med dets primære mål for kuldioxidkoncentrationer rundt om i verden. De to satellitter vil være i forskellige kredsløb:OCO-2 cirkler Jorden fra pol til pol, der henviser til, at OCO-3 vil blive monteret på ydersiden af ​​rumstationen, som kredser mellem 52 grader nord og 52 grader sydlig bredde.

Udsigten fra rumstationen vil gøre det muligt for OCO-3 at indsamle et tættere datasæt end OCO-2 gør over de dele af Jorden, hvor der udsendes og lagres mest kulstof. Rumstationens kredsløb vil også bringe instrumentet hen over en given jordplacering på et andet tidspunkt på hver bane, tillader de første daggry-til-skumring observationer af, hvordan SIF varierer i løbet af en dag.

Nicholas Parazoo fra NASA's Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, er den ledende SIF-forsker for OCO-3, og han ser frem til det kombinerede datasæt for at få indsigt i fjerntliggende regioner, som er relativt lidt undersøgt. "De to kulstoffattige, meget usikre områder på Jorden er Arktis, hvor der er meget kulstof i jorden, og troperne, hvor der er meget kulstof i planterne, " sagde Parazoo. "Med OCO-2 og OCO-3 kombineret, vi kommer til at observere disse regioner i hidtil uset detaljer."

Parazoo og hans kolleger vil bruge tidligere udviklede algoritmer til at udtrække SIF-signalet fra det fulde sæt af data indsamlet af OCO-3. Instrumentet består af tre spektrometre, hver observerer forskellige bånd af bølgelængder i det elektromagnetiske spektrum. Alle slags gasmolekyler i atmosfæren - ilt, kuldioxid og de andre - absorberer sollys i et unikt sæt bølgelængder. Et spektrometer, der ser på de rigtige bølgelængder, vil se denne absorption som en karakteristisk række af mørke linjer, ligesom den spektrale stregkode for en bestemt gas.

OCO-3's tre spektrometre er indstillet til to bølgelængdebånd, der dækker forskellige dele af kuldioxidens stregkode og et bånd med en iltstregkode. Som det sker, iltspektrometeret registrerer ikke kun bølgelængder absorberet af ilt, men også nærliggende bølgelængder, hvor SIF lyser særligt stærkt. "Så SIF-målingen var ikke designmæssigt, men en yderst heldig bonus, " sagde Parazoo.

Siden NASA-forskeren Joanna Joiner og kollegerne producerede de første rumbårne SIF-målinger i 2010 - før OCO-2 blev opsendt - er SIF-data blevet genereret fra tidligere europæiske og japanske satellitter. Imidlertid, OCO-2 har et meget finere synsfelt, eller fodaftryk, end nogen foregående satellit, hvor hvert billede dækker et område på omkring en kvadratkilometer (mindre end tre kvadratkilometer).

OCO-3 vil tilføje til den fordel noget OCO-2 ikke kan:Når OCO-3 kredser, den vil dreje sin sensor hurtigt for at pege på instrumenterede tårne ​​på jorden under rumfartøjet. Disse tårne ​​måler SIF og fotosyntese samtidigt, med samme opløsning som OCO-3. Validering af dataene på denne måde giver kritisk information om OCO-3's ydeevne og kan øge den videnskabelige indsigt i den underliggende SIF-mekanik.

Data beregnet i gennemsnit over et stort område tyder på, at der er et ligetil forhold mellem solenergi, der kommer ind, og fotosyntese, der finder sted. Med OCO-2's finskaladata, Parazoo sagde, "Vi oplever, at forholdet mellem SIF, absorberet solenergi og fotosyntese er mere kompliceret, end vi troede. Vi prøver at forstå det." Han håber, at OCO-3 vil være i stand til at kaste lys over årsagerne til denne kompleksitet.

Byer er et andet område, hvor SIF-målingen er af interesse. De er varmere end omgivende naturlige områder på grund af deres mange varmekilder og varmeabsorberende overflader, som fortovet. En sammenligning af, hvordan de samme plantearter vokser og trives i både en by og dens naturlige omgivelser, giver en slags snigpremiere på, hvordan disse planter vil reagere på et varmere klima.

OCO-2 opsamler en enkelt, smal udsnit af data, der skærer gennem et par byer på hver bane, men OCO-3 vil målrette og optage SIF ved næsten alle større mellembredder og tropiske byer. Målingerne kan vise sig at være nyttige for byplanlæggere med at bruge deres vandressourcer klogt, samt til biologer i at forstå virkningerne af varmestress på planter.

Med så mange lovende studieveje fra SIF, OCO-3's plantelysmålinger vil belyse nye fund i de kommende år.