Klucz NASA do przewidywania gwałtownej suszy

Naukowcy z NASA odkryli, że śledzona satelitarnie fluorescencja roślin może przewidywać gwałtowne susze z wielomiesięcznym wyprzedzeniem, pomagając złagodzić i zrozumieć wpływ obiegu węgla podczas susz. Źródło: Studio Wizualizacji Naukowej NASA

Niezwykły wzrost produktywności roślin może wskazywać na zbliżającą się poważną utratę wody w glebie. NASA Satelity śledzą tę subtelną poświatę, zapewniając wczesne ostrzeżenia o potencjalnych suszach w zróżnicowanym krajobrazie.

Susza, która szalała szybko i bez ostrzeżenia i która latem 2012 roku nawiedziła większość Stanów Zjednoczonych, była jedną z najpowszechniejszych, jakie widziały w tym kraju od lat trzydziestych XX wieku, kiedy to trwała akcja Dust Bowl. „Nagła susza” wywołana ekstremalnymi upałami, które wypaliły wilgoć z gleby i roślin, doprowadziła do powszechnych nieurodzajów i strat gospodarczych kosztujących ponad 30 miliardów dolarów.

Podczas gdy typowe susze mogą rozwijać się w trakcie pór roku, susze gwałtowne charakteryzują się szybkim suszeniem. Może to nastąpić w ciągu kilku tygodni i jest trudne do przewidzenia. W Ostatnie badaniaZespół kierowany przez naukowców z Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA w południowej Kalifornii był w stanie wykryć oznaki nagłej suszy na trzy miesiące przed jej rozpoczęciem. W przyszłości to powiadomienie z wyprzedzeniem może pomóc w działaniach łagodzących.

Jak oni to zrobili? Podążając za blaskiem.

Na polu w zachodnim Kentucky opryskiwacz opryskuje uprawy w ramach przygotowań do sezonu sadzenia. Naukowcy z NASA poszukują instrumentów kosmicznych, które pomogą przewidzieć gwałtowne, subtelne susze odpowiedzialne za ogromne straty w rolnictwie w ostatnich latach. Źródło: USDA/Justin Beus

Sygnał widziany z kosmosu

podczas FotosyntezaKiedy roślina pochłania światło słoneczne, aby przekształcić dwutlenek węgla i wodę w pożywienie, chlorofil „wycieknie” część niewykorzystanych fotonów. Ta słaba poświata nazywana jest fluorescencją indukowaną energią słoneczną (SIF). Im silniejsza fluorescencja, tym więcej dwutlenku węgla roślina pobiera z atmosfery, aby wesprzeć swój wzrost.

Chociaż poświata jest niewidoczna gołym okiem, można ją wykryć za pomocą instrumentów znajdujących się na pokładach satelitów, takich jak należące do NASA Orbiting Carbon Observatory 2 (OCO-2). OCO-2 został wystrzelony w 2014 roku w celu monitorowania amerykańskiego Środkowego Zachodu Świeci w okresie wegetacyjnym.

Rosnące rośliny emitują światło w postaci światła, które mogą być wykryte przez satelity NASA krążące setki mil nad Ziemią. Na tej wizualizacji, która przedstawia przeciętny rok, wydają się błyszczeć części Ameryki Północnej. Kolor szary wskazuje obszary o małej fluorescencji lub bez niej; Czerwony, różowy i biały wskazują na wysoką fluorescencję. Źródło: Studio Wizualizacji Naukowej NASA

Naukowcy porównali dane dotyczące luminescencji z lat z listą gwałtownych susz, które nawiedziły Stany Zjednoczone w okresie od maja do lipca 2015 r.–2020 r. Zaobserwowali efekt domina: w tygodniach i miesiącach poprzedzających gwałtowną suszę rośliny początkowo kwitły, gdy warunki zmieniony. Ciepły i suchy. Kwitnące rośliny wydzielały niezwykle silny sygnał fluorescencyjny jak na tę porę roku.

Jednak stopniowo ograniczając zaopatrzenie gleby w wodę, rośliny stworzyły zagrożenie. Kiedy nadeszły ekstremalne temperatury, już niski poziom wilgotności spadł i w ciągu kilku dni nadeszła nagła susza.

Zespół powiązał pomiary fluorescencji z danymi dotyczącymi wilgotności z satelity SMAP należącego do NASA. Skrót od Soil Moisture Active Passive, SMAP śledzi zmiany w wodzie glebowej, mierząc intensywność naturalnych emisji mikrofal z powierzchni Ziemi.

Naukowcy odkryli, że niezwykły wzór fluorescencji bardzo dobrze koreluje z utratą wilgoci w glebie w okresie od sześciu do 12 tygodni poprzedzających nagłą suszę. Spójny wzór pojawił się w różnorodnych krajobrazach, od lasów strefy umiarkowanej we wschodnich Stanach Zjednoczonych po Wielkie Równiny i zarośla na Zachodzie.

Z tego powodu fluorescencja roślin „okazuje się obiecująca jako niezawodny wskaźnik wczesnego ostrzegania przed nagłą suszą, dający wystarczająco dużo czasu na podjęcie działań” – powiedział Nicholas Barrazo, naukowiec zajmujący się Ziemią na Uniwersytecie Kalifornijskim. Laboratorium Napędów Odrzutowych Jest głównym autorem najnowszego badania.

Jordan Gerth, naukowiec z biura monitorującego National Weather Service, który nie był zaangażowany w badanie, powiedział, że cieszy się, że można podjąć działania w związku z gwałtownymi suszami, biorąc pod uwagę zmieniający się klimat. Zauważył, że rolnictwo korzysta z przewidywalności, gdy tylko jest to możliwe.

Chociaż wczesne ostrzeganie nie może wyeliminować skutków nagłej suszy, Gerth powiedział, „rolnicy i hodowcy prowadzący zaawansowaną działalność mogą lepiej wykorzystywać wodę do nawadniania, aby zmniejszyć wpływ upraw, unikać sadzenia roślin, które mogą się nie powieść, lub sadzić inny rodzaj upraw . Aby osiągnąć optymalny zwrot, jeśli mają tygodnie lub miesiące czasu realizacji.

Śledź emisję dwutlenku węgla

Oprócz prób przewidzenia nagłych susz, naukowcy chcieli zrozumieć, jak wpływają one na emisję dwutlenku węgla.

Przekształcając dwutlenek węgla w żywność podczas fotosyntezy, rośliny i drzewa działają jak „pochłaniacze” węgla, pochłaniając więcej dwutlenku węgla z atmosfery, niż uwalniają. Wiele typów ekosystemów, w tym grunty rolne, odgrywa rolę w… Obieg węgla – Ciągła wymiana atomów węgla pomiędzy Ziemią, atmosferą i oceanami.

Naukowcy wykorzystali pomiary dwutlenku węgla z satelity OCO-2 wraz z zaawansowanymi modelami komputerowymi, aby śledzić pobieranie węgla przez rośliny przed nagłymi suszami i po nich. Rośliny poddane stresowi cieplnemu pochłaniają mniej dwutlenku węgla z atmosfery, dlatego naukowcy spodziewali się znaleźć więcej wolnego węgla. Zamiast tego znaleźli balansowanie.

Wysokie temperatury przed nadejściem nagłej suszy kuszą rośliny do zwiększenia absorpcji węgla w porównaniu z normalnymi warunkami. Ten nietypowy pobór był średnio wystarczający, aby w pełni zrekompensować spadek poboru węgla spowodowany wynikającymi z tego ciepłymi warunkami. To zaskakujące odkrycie może pomóc w ulepszeniu przewidywań modeli obiegu węgla.

Satelita OCO-2 będzie tego lata obchodzić 10. rocznicę swojego pobytu na orbicie, tworząc mapy obiektów naturalnych i stworzonych przez człowieka. Stężenia dwutlenku węgla I rośliny Optyczny Wykorzystanie trzech spektrofotometrów przypominających kamerę dostrojonych do wykrywania unikalnej sygnatury optycznej dwutlenku węgla. Dokonują pomiaru gazu pośrednio, śledząc, ile odbitego światła słonecznego pochłania on w danej kolumnie powietrza.