NASA’s sleutel tot het voorspellen van plotselinge droogte

Een ongebruikelijke toename van de plantproductiviteit kan wijzen op een dreigend ernstig grondwaterverlies. NASA Satellieten volgen deze subtiele gloed en geven vroegtijdige waarschuwingen voor mogelijke droogtes in het gevarieerde landschap.

De droogte die snel en zonder waarschuwing woedde en die in de zomer van 2012 een groot deel van de Verenigde Staten overspoelde, was een van de meest wijdverbreide droogtes die het land had meegemaakt sinds de jarenlange Dust Bowl van de jaren dertig. De ‘plotselinge droogte’, aangewakkerd door extreme hitte die vocht uit de bodem en planten verbrandde, leidde tot wijdverbreide mislukte oogsten en economische verliezen die meer dan 30 miljard dollar kostten.

Terwijl typische droogtes zich in de loop van de seizoenen kunnen ontwikkelen, worden plotselinge droogtes gekenmerkt door snelle uitdroging. Het kan binnen enkele weken aanhouden en is moeilijk te voorspellen. in Recent onderzoekEen team onder leiding van wetenschappers van het Jet Propulsion Laboratory van NASA in Zuid-Californië kon drie maanden voordat deze begon tekenen van een plotselinge droogte detecteren. In de toekomst zou deze voorafgaande kennisgeving kunnen helpen bij mitigatie-inspanningen.

Hoe deden ze het? Door de gloed te volgen.

In een veld in het westen van Kentucky bedekt een veldspuit gewassen ter voorbereiding op het plantseizoen. NASA-wetenschappers kijken naar ruimtegebaseerde instrumenten om snelle, subtiele droogtes te helpen voorspellen die de afgelopen jaren verantwoordelijk zijn voor enorme landbouwverliezen. Bron: USDA/Justin Beus

Een signaal gezien vanuit de ruimte

tijdens FotosyntheseWanneer een plant zonlicht absorbeert om kooldioxide en water in voedsel om te zetten, zal chlorofyl enkele ongebruikte fotonen “lekken”. Deze zwakke gloed wordt door zonne-energie geïnduceerde fluorescentie of SIF genoemd. Hoe sterker de fluorescentie, hoe meer koolstofdioxide de plant uit de atmosfeer opneemt om de groei te ondersteunen.

Hoewel de gloed onzichtbaar is voor het blote oog, kan deze worden gedetecteerd door instrumenten aan boord van satellieten zoals NASA’s Orbiting Carbon Observatory 2 (OCO-2). OCO-2 werd in 2014 gelanceerd om het Amerikaanse Midwesten te monitoren Gloeiend tijdens het groeiseizoen.

Groeiende planten zenden een vorm van licht uit die kan worden gedetecteerd door NASA-satellieten die honderden kilometers boven de aarde cirkelen. Delen van Noord-Amerika lijken te schitteren in deze visualisatie, die een gemiddeld jaar weergeeft. Grijze kleur geeft gebieden aan met weinig of geen fluorescentie; Rood, roze en wit duiden op hoge fluorescentie. Bron: NASA Scientific Visualization Studio

De onderzoekers vergeleken jaren aan luminescentiegegevens met een lijst van plotselinge droogtes die de Verenigde Staten tussen mei en juli van 2015 tot 2020 troffen. Ze ontdekten een domino-effect: in de weken en maanden voorafgaand aan de plotselinge droogte bloeiden planten aanvankelijk onder de omstandigheden. veranderd. Warm en droog. De bloeiende planten gaven voor deze tijd van het jaar een ongewoon sterk fluorescentiesignaal af.

Maar door de watervoorziening van de bodem geleidelijk te verminderen, hebben de planten een gevaar gecreëerd. Toen er extreme temperaturen aanbraken, daalde de toch al lage luchtvochtigheid en binnen enkele dagen trad er plotselinge droogte op.

Het team koppelde de fluorescentiemetingen aan vochtigheidsgegevens van NASA’s SMAP-satelliet. SMAP, een afkorting van Soil Moisture Active Passive, volgt veranderingen in het grondwater door de intensiteit van de natuurlijke microgolfemissies van het aardoppervlak te meten.

De wetenschappers ontdekten dat het ongebruikelijke fluorescentiepatroon zeer goed correleert met bodemvochtverlies gedurende de periode van zes tot twaalf weken vóór een plotselinge droogte. Er ontstond een consistent patroon in diverse landschappen, van de gematigde bossen in het oosten van de Verenigde Staten tot de Great Plains en struikgewas in het Westen.

Om deze reden is plantenfluorescentie “veelbelovend als een betrouwbare waarschuwingsindicator voor plotselinge droogte, met voldoende aanlooptijd om actie te ondernemen”, zegt Nicholas Barrazo, een aardwetenschapper aan de Universiteit van Californië. Laboratorium voor straalaandrijving Hij is de hoofdauteur van de nieuwste studie.

Jordan Gerth, een wetenschapper bij het monitoringbureau van de National Weather Service die niet bij het onderzoek betrokken was, zei dat hij blij is dat er actie wordt ondernomen tegen plotselinge droogtes, gezien ons veranderende klimaat. Hij merkte op dat de landbouw waar mogelijk gebaat is bij voorspelbaarheid.

Hoewel vroege waarschuwing de gevolgen van plotselinge droogte niet kan wegnemen, kunnen boeren en veeboeren met geavanceerde operaties water beter gebruiken voor irrigatie om de gevolgen voor gewassen te verminderen, gewassen te vermijden die waarschijnlijk zullen mislukken, of een ander soort gewas planten. .” Om een ​​optimaal rendement te behalen als ze weken tot maanden doorlooptijd hebben.

Houd de CO2-uitstoot bij

Naast het proberen om plotselinge droogtes te voorspellen, wilden wetenschappers begrijpen hoe deze de koolstofuitstoot beïnvloeden.

Door kooldioxide tijdens fotosynthese om te zetten in voedsel, fungeren planten en bomen als koolstofputten, waarbij ze meer kooldioxide uit de atmosfeer absorberen dan ze vrijgeven. Veel soorten ecosystemen, waaronder landbouwgronden, spelen een rol bij… Koolstof cyclus – De voortdurende uitwisseling van koolstofatomen tussen de aarde, de atmosfeer en de oceanen.

Wetenschappers gebruikten koolstofdioxidemetingen van de OCO-2-satelliet, samen met geavanceerde computermodellen, om de koolstofopname door planten voor en na plotselinge droogtes te volgen. Planten die worden blootgesteld aan hittestress nemen minder koolstofdioxide uit de atmosfeer op, dus de onderzoekers verwachtten meer vrije koolstof te vinden. Wat ze in plaats daarvan ontdekten, was een evenwichtsoefening.

Warme temperaturen vóór het begin van plotselinge droogte verleiden planten ertoe hun koolstofopname te verhogen in vergelijking met normale omstandigheden. Deze abnormale opname was gemiddeld voldoende om de afname van de koolstofopname als gevolg van de daaropvolgende warme omstandigheden volledig te compenseren. Deze verrassende ontdekking zou de voorspellingen van het koolstofcyclusmodel kunnen helpen verbeteren.

De OCO-2-satelliet viert deze zomer zijn 10e jaar in een baan om de aarde en brengt natuurlijke en door de mens gemaakte objecten in kaart. Kooldioxideconcentraties En planten Optisch Met behulp van drie camera-achtige spectrofotometers die zijn afgestemd om de unieke optische signatuur van koolstofdioxide te detecteren. Ze meten het gas indirect door bij te houden hoeveel gereflecteerd zonlicht het absorbeert in een bepaalde luchtkolom.