«Сяючі» рослини можуть допомогти вченим передбачити різку посуху

Незвичайне підвищення продуктивності рослин може передвіщати серйозну втрату вологи в ґрунті, і супутники NASA стежать за підказками. Посуха, яка спалахнула швидко й без попередження, охопила більшу частину Сполучених Штатів влітку 2012 року, була однією з наймасштабніших у країні з часів багаторічної «Пилової чаші» 1930-х років. «Раптомна посуха», викликана сильною спекою, яка випікала вологу з ґрунту та рослин, призвела до масового неврожаю та економічних втрат у понад 30 мільярдів доларів.

Хоча типові посухи можуть розвиватися протягом сезонів, раптові посухи відзначаються швидким висиханням. Вони можуть закріпитися протягом кількох тижнів, і їх важко передбачити. У недавньому дослідженні, опублікованому в Geophysical Research Letters , команда під керівництвом вчених з Лабораторії реактивного руху NASA в Південній Каліфорнії змогла виявити ознаки раптової посухи за три місяці до початку. У майбутньому таке завчасне сповіщення може допомогти в роботі з пом’якшення наслідків.

Як команда це зробила? Дотримуючись світіння.

Сигнал, який видно з космосу

Під час фотосинтезу, коли рослина поглинає сонячне світло, щоб перетворити вуглекислий газ і воду в їжу, її хлорофіл «пропускає» деякі невикористані фотони. Це слабке світіння називається сонячною флуоресценцією або SIF. Чим сильніше флуоресценція, тим більше вуглекислого газу рослина забирає з атмосфери для свого росту.

Хоча світіння невидиме неозброєним оком, його можна виявити за допомогою приладів на борту супутників, таких як Орбітальна вуглецева обсерваторія-2 (OCO-2) НАСА. Запущений у 2014 році OCO-2 спостерігав за світінням Середнього Заходу США протягом вегетаційного періоду.грати

Дослідники порівняли багаторічні дані флуоресценції з переліком раптових посух, які вразили США в період з травня по липень з 2015 по 2020 рік. Вони виявили ефект доміно: за тижні та місяці до раптової посухи рослинність спочатку процвітала, коли змінилися умови. тепла і суха. Квітучі рослини випромінювали надзвичайно сильний сигнал флуоресценції для пори року.

Але, поступово зменшуючи запас води в ґрунті, рослини створювали ризик. Коли настали екстремальні температури, і без того низький рівень вологи різко впав, і за кілька днів почалася раптова посуха.

Команда співвіднесла вимірювання флуоресценції з даними про вологість із супутника NASA SMAP. Скорочено від Soil Moisture Active Passive, SMAP відстежує зміни води в ґрунті, вимірюючи інтенсивність природних мікрохвильових випромінювань від поверхні Землі.

Вчені виявили, що незвичайна картина флуоресценції дуже добре корелювала з втратою вологи ґрунтом за 6-12 тижнів до раптової посухи. Послідовна картина виникла в різноманітних ландшафтах, від помірних лісів на сході США до Великих рівнин і західних чагарників.

З цієї причини флуоресценція рослин «обіцяє як надійний індикатор раннього попередження про раптову посуху з достатнім часом, щоб вжити заходів», — сказав Ніколас Паразу, науковець із Землі з JPL і провідний автор останнього дослідження.

Джордан Ґерт, науковець із Національної метеорологічної служби спостережень, який не брав участі в дослідженні, сказав, що він радий бачити роботу над раптовими посухами, враховуючи зміни клімату. Він зазначив, що сільське господарство виграє від передбачуваності, коли це можливо.

Незважаючи на те, що раннє попередження не може усунути наслідки раптових посух, Герт сказав: «Фермери та власники ранчо з передовими методами роботи можуть краще використовувати воду для зрошення, щоб зменшити вплив на врожай, уникнути посадки культур, які, ймовірно, не вдасться, або посадити інший тип культури. для досягнення найідеальнішої врожайності, якщо у них є від тижнів до місяців.»

Відстеження викидів вуглецю

На додаток до спроб передбачити раптові посухи, вчені хотіли зрозуміти, як вони впливають на викиди вуглецю. Перетворюючи вуглекислий газ на їжу під час фотосинтезу, рослини та дерева є «поглиначами» вуглецю, поглинаючи більше CO₂ з атмосфери, ніж вивільняючи. Багато видів екосистем, у тому числі сільськогосподарські угіддя, відіграють певну роль у вуглецевому циклі — постійному обміні атомів вуглецю між сушею, атмосферою та океаном.

Вчені використовували вимірювання вуглекислого газу з супутника OCO-2 разом із передовими комп’ютерними моделями, щоб відстежувати поглинання вуглецю рослинністю до та після раптових посух. Рослини, які страждають від теплового стресу, поглинають менше CO2 _з атмосфери, тому дослідники очікували знайти більше вільного вуглецю. Натомість вони виявили балансування.

Високі температури перед початком раптової посухи спокусили рослини збільшити поглинання вуглецю порівняно зі звичайними умовами. Цього аномального поглинання було в середньому достатньо, щоб повністю компенсувати зниження поглинання вуглецю через спекотні умови, які наступили. Дивовижне відкриття може допомогти покращити прогнози моделі вуглецевого циклу.

Відзначаючи 10-ту річницю свого перебування на орбіті цього літа, супутник OCO-2 картографує природні та створені людиною концентрації вуглекислого газу та флуоресценцію рослинності за допомогою трьох камероподібних спектрометрів, налаштованих на виявлення унікальної світлової сигнатури CO₂. Вони вимірюють газ опосередковано, відстежуючи, скільки відбитого сонячного світла він поглинає в даному стовпі повітря.