Forskere måler fotosyntese fra rummet

Som de fleste af os lærte i skolen, planter bruger sollys til at syntetisere kuldioxid (CO ₂ ) og vand til kulhydrater i en proces kaldet fotosyntese. Men naturens "fabrikker" giver os ikke bare mad-de genererer også indsigt i, hvordan økosystemer vil reagere på et skiftende klima og kulstoffyldt atmosfære.

På grund af deres evne til at lave værdifulde produkter fra organiske forbindelser som CO ₂ , planter er kendt som "primære producenter." Brutto primærproduktion (GPP), som kvantificerer CO -hastigheden ₂ fiksering i planter gennem fotosyntese, er en vigtig metrik for at spore sundhed og ydeevne for ethvert plantebaseret økosystem.

Et forskerhold med US Department of Energy's Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) ved University of Illinois Urbana-Champaign udviklede et produkt til nøjagtigt at måle GPP:SatelLite Only Photosynthesis Estimation Gross Primary Production (SLOPE GPP) produkt på en dagligt tidstrin og rumlig opløsning i feltskala.

Teamet udnyttede Blue Waters -supercomputeren, der ligger i U of I National Center for Supercomputing Applications (NCSA), i deres forskning. Deres papir blev offentliggjort i Jordsystemvidenskabelige data i februar 2021.

"Kvantificering af den hastighed, hvormed planter i et givet område behandler CO ₂ er afgørende for en global forståelse af kulstofcykling, forvaltning af landjord, og vand og jords sundhed - især i betragtning af de uregelmæssige forhold på en opvarmende planet, "sagde Kaiyu Guan, projektleder og NCSA Blue Waters Professor.

"Måling af fotosyntese er især relevant for landbrugsøkosystemer, hvor plantens produktivitet og biomasse er direkte knyttet til afgrødeudbyttet og dermed fødevaresikkerheden. Vores forskning gælder direkte ikke kun for økosystemtjenester, men også samfundets trivsel, "sagde Chongya Jiang, en forsker om projektet.

Af særlig intriger er relevansen af ​​GPP -overvågning for bioenergi landbrugsøkosystemer, hvor afgrødernes "fabrikker" er specielt designet til at producere vedvarende biobrændstoffer. Kvantificering af CO ₂ fiksering i disse miljøer er med til at optimere feltydelse og bidrage til den globale bioøkonomi. CABBI -forskere, såsom Bæredygtighedstema -forsker Andy VanLoocke, foreslå, at disse kritiske nye data kan bruges til at begrænse modelsimuleringer for bioenergi afgrødepotentialer.

Den teknologi, der blev brugt i dette eksperiment, er banebrydende. Som navnet antyder, det er udelukkende afledt af satellitdata, og derfor helt observationsbaseret i modsætning til at stole på komplekse, usikre modelleringsmetoder.

Et eksempel på en observationsbaseret teknologi er solinduceret klorofylfluorescens (SIF), et svagt lyssignal udsendt af planter, der har været brugt som en ny proxy for GPP. Inspireret af deres årelange observationer af jorden af ​​SIF, Guans gruppe udviklede en endnu mere avanceret metode til at forbedre GPP-estimering:integrering af et nyt vegetationsindeks kaldet "jordjusteret nær-infrarød reflektion af vegetation" (SANIRv) med fotosyntetisk aktiv stråling (PAR).

SLOPE er bygget på denne nye integration. SANIRv repræsenterer effektiviteten af ​​solstråling, der bruges af vegetation, og PAR repræsenterer den solstråling, som planter faktisk kan bruge til fotosyntese. Begge målinger stammer fra satellitobservationer.

Gennem en analyse af 49 AmeriFlux -websteder, forskere fandt ud af, at PAR og SANIRv kan udnyttes til nøjagtigt at estimere GPP. Faktisk, SLOPE GPP -produktet kan forklare 85% af rumlige og tidsmæssige variationer i GPP erhvervet fra de analyserede websteder - et vellykket resultat, og den bedste ydeevne, der nogensinde er opnået, benchmarket på disse guldstandarddata. Da både SANIRv og PAR kun er "satellit, "Dette er en præstation, som forskere længe har søgt, men lige nu er ved at blive implementeret i et operationelt GPP -produkt.

Eksisterende processer til at kvantificere GPP er ineffektive af tre hovedårsager:rumlig (billedbaseret) præcision, tidsmæssig (tidsbaseret) præcision, og latens (forsinkelse i datatilgængelighed). SLOPE GPP-produktet, der er skabt af Guans team, bruger satellitbilleder dobbelt så skarpe som de fleste store undersøgelser (måler 250 meter i forhold til det typiske> 500 meter) og henter data om en daglig cyklus, otte gange finere end normen. Vigtigere, dette nye produkt har mellem en og tre dages forsinkelse, der henviser til, at eksisterende datasæt halter bagud med måneder eller endda år. Endelig, størstedelen af ​​GPP-produkter, der anvendes i dag, er analyse- snarere end observationsbaserede- de metrics, de bruger til at beregne GPP (f.eks. jordfugtighed, temperatur, osv.) er afledt af algoritmer snarere end virkelige forhold hentet fra satellitobservationer.

"Fotosyntese, eller GPP, er grundlaget for at kvantificere kulstofbudgettet på feltniveau. Uden præcise GPP -oplysninger, kvantificering af andre carbon-relaterede variabler, såsom årlig jordkulstofændring, er meget mindre pålidelig, "Guan sagde." Blue Waters-supercomputeren gjorde vores peta-bytes-computing mulig. Vi vil bruge disse nye GPP -data til betydeligt at fremme vores evne til at kvantificere landbrugets kulstofbudgetregnskab, og det vil tjene som et primært input til at begrænse modelleringen af ​​jordens organiske kulstofændring for hvert felt, der kræver jordkulstofkvantificering. Ud over SLOPE GPP -data, lignende metoder giver os mulighed for at generere GPP-data ved 10-meter og daglig opløsning for endda at muliggøre præcision landbrugsstyring i underområdet. "