作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2014-6-25 10:34:43
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用卫星监测植物光芒
科学家欲绘制荧光地图评估全球碳收支状况

叶绿素荧光能被探测到。图片来源:AIRBORNE SENSOR HYPLANT OF THE IBG-2

这是小学的一堂课:阳光洒在叶片上,催化二氧化碳,大气中的二氧化碳会被吸收并被固定在糖分子中。但是还有一个令人惊讶的额外描述:叶片会重新放射出1%的阳光,发射出红色光晕。

数十年来,植物生理学家已经对叶绿素荧光有了一定了解。但直至近几年,科学家才开始能在太空中描绘这种微弱信号。现在,科学家正打算利用美国宇航局(NASA)将于7月1日发射的轨道碳观测卫星(OCO-2)更清晰地观察叶绿素荧光。

耗资4.68亿美元的OCO-2将替代5年前坠入大海的碳观测卫星。实际上,荧光图谱并非OCO-2原始任务的一部分。但其项目团队的很多成员表示,目前荧光图谱已经成为该项目的任务之一。“在我看来,这是该卫星最具创新性和革命性的观测任务。”该任务的项目科学家、美国喷气动力实验室(JPL)的Mike Gunson说。

光合作用的其他变量(例如绿度和叶片面积)也会出现问题:例如一片常绿林全年常绿,即便冬天吸收的二氧化碳很少。相比之下,一种植物只在光合作用发生时才发出荧光,因此这种光芒直接反映了植物吸收的碳的数量。而精确的荧光地图将能修正全球碳收支的误差,并为评估生态系统在气候变化带来的干旱和热应力下如何行为提供新工具。

OCO首席研究员、JPL的David Crisp表示,利用卫星绘制此类图谱的能力是等待OCO替代物的漫长时间里的一线希望。“我们甚至不知道自己能采取这样的措施,这将告诉我们应在哪里采取行动。”他说。

2009年发射数分钟后,运载OCO的金牛座XL火箭的防护罩未能打开,这颗卫星最终坠入太平洋。对于气候学家而言,这次失败带来的打击是毁灭性的,他们希望该卫星能补充参差不一的地面二氧化碳测量结果。OCO计划绘制二氧化碳的源和汇的图谱。一些科学家指出,该卫星还将帮助检测各国是否遵循减排要求。

之后,研究人员一直在为替代卫星争取政治支持。到2010年,JPL批准并拨款建造OCO-2,而且该卫星进行了一些可能的变化。然而,2011年,金牛座XL火箭在运送NASA另一颗卫星时出现了类似失败。

NASA受够了:它决定将OCO-2交给德尔塔II火箭。这就强迫OCO-2团队推迟了时间表。在此期间,该研究小组发现一种旋转惯性轮存在问题,这些轮子在2013年让行星猎人开普勒望远镜成了跛子。于是,该研究小组有了充足时间更换这些轮子。

同时,叶绿素荧光科学时代亦宣告到来。2009年,日本航空研究开发机构发射了温室气体观测卫星(GOSAT)。GOSAT并不能像OCO-2将要做到的那样,详细地绘制二氧化碳图谱,但是它有相似的光谱分辨率,即梳理反射阳光的能力。利用GOSAT的数据,数个研究小组意识到要在云彩和气溶胶的干扰下测量二氧化碳,他们将无论如何都要鉴定(及扣掉)荧光信号。“正如我们说的,一个人的噪音是另一个信号。”该技术的开拓者之一、 NASA戈达德太空飞行中心遥感科学家Joanna Joiner说。

GOSAT和OCO-2的相关绘图能力能显示特殊区域二氧化碳的净交换。通过荧光信号,研究人员能够深入探索和获得组成净交换的两个成分:光合作用的碳吸收和呼吸作用的碳排放。而且,他们可以观察这些因素在不同气候条件下随着时间的演变。GOSAT数据已经提供了线索:发表在美国《国家科学院院刊》上的一项研究指出,美国玉米带荧光峰值比世界上其他地方更明亮,气候模型可能低估了该地区碳吸收的50%~75%。

荧光测量还将帮助解决一个长期存在的争论——亚马逊雨林如何响应干旱。一些科学家认为,亚马逊稠密森林的光合作用并非被水限制,而是被光限制,因此干旱期间光照的增强能带来“绿化”。2013年发表于英国《皇家学会学报B》的论文指出,GOSAT数据显示,在旱季,亚马逊雨林的一些地区荧光减少,甚至叶面积指数达到了高点。

相关应用还将超越气候科学范畴。OCO-2的分辨率大约2000米。在亚千米空间分辨率下,荧光绘图者将评估拼接田地中不同庄稼的生产率。这将产生一个更精确的全球粮食生产地图以及它们如何响应干旱或热浪——这是适应气候变化的有价值信息。欧洲空间局(ESA)荧光探测任务(FLEX)项目科学家Matthias Drusch 反问道:“在一个变化的气候中,我们是否在正确的地方种下了合适的庄稼?”

Crisp知道要完成这些任务多么困难。他表示自己从2001年首次向NASA提交OCO计划后,每周要工作80小时。尽管他对未来卫星发射心怀担忧,他仍计划在范登堡空军基地发射场守望它。“我们做了能做的所有事情。”他说,“我希望我们做对了。我确实希望它能升空。”(张章)

《中国科学报》 (2014-06-25 第3版 国际)
 
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