De winters op het noordelijk halfrond zijn meedogenloos. De barre omstandigheden zorgen ervoor dat sommige soorten een winterslaap houden; beren verminderen hun metabolische toestand om energie te besparen tot de lente. Bossen doorstaan ​​ook de winter door energie te besparen; ze stoppen de fotosynthese, het proces waarbij een groen pigment, chlorofyl genaamd, zonlicht en koolstofdioxide (CO2) opvangt om de chemische energie te produceren die de planten van brandstof voorziet. De totale productie van chemische energie als gevolg van fotosynthese wordt de bruto primaire productie (GPP) genoemd. GPP in groenblijvende bossen vertelt wetenschappers hoeveel CO2 deze uitgestrekte en afgelegen systemen inademen.

Omdat fotosynthese CO2 uit de atmosfeer haalt, het begrijpen van bosactiviteit is cruciaal voor het volgen van wereldwijde koolstofniveaus. Al decenia, wetenschappers hebben satellieten gebruikt om de veranderingen in groenheid van loofbossen te volgen om GPP te volgen. In de herfst en winter, bladverliezende bladeren worden bruin en vallen af ​​als ze slapen. In het voorjaar en de zomer, het chlorofyl keert terug als groene bladeren en de fotosynthese stijgt. Echter, groenblijvende bomen behouden het hele jaar door hun met chlorofyl gevulde groene naalden, voorkomen dat wetenschappers het begin en de achteruitgang van fotosynthese op grote schaal detecteren.

Voor de eerste keer, een nieuwe studie heeft seizoensgebonden GPP-cycli gekoppeld aan een proces dat plaatsvindt bij fotosynthese, maar dat onlangs traceerbaar is geworden door bepaalde satellieten - door zonne-energie geïnduceerde fluorescentie (SIF). Fotosynthese vindt plaats wanneer de energie van de zon chlorofyl opwekt in een hogere energietoestand. Wanneer het chlorofyl terugkeert naar zijn normale toestand, zendt het een foton uit, het produceren van licht dat te laag is voor het blote oog. De resulterende "gloed" is de SIF.

Een samenwerkend team van onderzoekers gebruikte een scanning spectrometer op een toren om gedurende het hele seizoen fluorescerende "gloed" te meten in een groenblijvend bos in Colorado. Het team is de eerste die SIF koppelt aan naaldfysiologie, baldakijn fotosynthese en satelliet-afgeleide fluorescentie. Ze ontdekten dat dagelijkse en seizoensgebonden SIF-patronen nauw overeenkwamen met de timing en omvang van GPP. In de lente, evergreens activeren chlorofyl in hun naalden, die zowel fluorescentie als fotosynthese aandrijft, nauw aansluiten bij SIF die satellieten recentelijk hebben kunnen meten.

Een van de manieren waarop planten zichzelf tijdens de strenge winters beschermen, is door fotobeschermende pigmenten in te zetten die als 'zonnebrandmiddel' fungeren. Uit de studie bleek dat wanneer planten deze zonnebrandcrème aanbrengen, zowel fotosynthese als fluorescentie nemen af, waardoor wetenschappers vertrouwen kunnen hebben in het SIF-signaal als een proxy om de ademhaling (CO2-opname) van groenblijvende bossen te volgen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers kunnen de op satellieten gebaseerde fluorescentiemetingen gebruiken als een indicator van fotosynthetische activiteit in groenblijvende bossen op een ongekende schaal. Door de gloed van groenblijvende bossen vanuit de ruimte te zien, we kunnen beter begrijpen hoe deze bossen reageren op klimaatverandering.

"We proberen technieken te ontwikkelen om fotosynthese op grote schaal te kunnen 'zien', dus we weten hoeveel CO2 de biosfeer verbruikt... een vinger aan de pols houden van de biosfeer, " zei Troy Magney, onderzoekswetenschapper van het NASA Jet Propulsion Laboratory en het California Institute of Technology.

Magney en het team verzamelden gegevens van een spectrometersysteem dat tussen juni 2017 en juni 2018 bovenop een toren was gemonteerd in een subalpien naaldbos bij Niwot Ridge, Colorado. Ze waren in staat om de fysiologische veranderingen in de naalden van de naaldboom te ontwarren om beter te begrijpen waarom we SIF-seizoenscycli zien. Blijkt, het draait allemaal om de pigmenten.

"Jij en ik kunnen verbranden door de zon. Te veel ultraviolette straling zal onze cellen beschadigen. Sommige mensen kunnen zichzelf beschermen - hun huid produceert meer van het pigment melanine om zich aan te passen aan omgevingen met veel licht, " zei David Bowling, biologieprofessor aan de Universiteit van Utah en co-auteur van de studie. "Planten hebben een andere, maar vergelijkbaar proces."

Zonder fotosynthese om de energie van de zon te gebruiken, planten moeten zichzelf beschermen. De onderzoekers ontdekten dat de coniferen hoge niveaus van pigmenten produceerden die deel uitmaken van de xanthofylcyclus die de weefsels beschermt tegen overmatig licht. Gedurende het hele seizoen, de fractie van "zonnebrandcrème" verandert - meer in de winter, minder in de zomer, waardoor zowel de fluorescentie als de fotosynthese afnemen.

"Uiteindelijk, door de kleine fluorescerende gloed van planten te meten, kunnen we precies de timing en omvang van de koolstofopname uit de terrestrische biosfeer zien. Dit zal ons helpen begrijpen hoe bossen reageren op klimaatverandering en suggereren hoe ze zouden kunnen reageren op toekomstige klimaatverandering, ' zei Maggie.