Wetenschap
Hoe gloeiende planten wetenschappers kunnen helpen bij het voorspellen van plotselinge droogte
Een ongebruikelijke stijging van de productiviteit van planten kan een voorbode zijn van ernstig grondwaterverlies, en NASA-satellieten volgen de aanwijzingen.
De droogte die in de zomer van 2012 een groot deel van de Verenigde Staten in zijn greep had, snel oplaaide en zonder enige waarschuwing, was een van de meest uitgestrekte die het land had gezien sinds de jarenlange Dust Bowl van de jaren dertig. De ‘plotselinge droogte’, aangewakkerd door de extreme hitte die het vocht uit de bodem en planten verdampte, leidde tot wijdverbreide mislukte oogsten en economische verliezen die meer dan 30 miljard dollar kostten.
Hoewel archetypische droogtes zich in de loop van de seizoenen kunnen ontwikkelen, worden plotselinge droogtes gekenmerkt door snelle uitdroging. Ze kunnen binnen enkele weken stand houden en zijn moeilijk te voorspellen. In een recente studie gepubliceerd in Geophysical Research Letters kon een team onder leiding van wetenschappers van het Jet Propulsion Laboratory van NASA in Zuid-Californië tot drie maanden vóór het begin tekenen van plotselinge droogtes detecteren. In de toekomst zou een dergelijke voorafgaande kennisgeving de mitigatie-inspanningen kunnen ondersteunen.
Hoe heeft het team het gedaan? Door de gloed te volgen.
Een signaal gezien vanuit de ruimte
Tijdens fotosynthese, wanneer een plant zonlicht absorbeert om kooldioxide en water in voedsel om te zetten, zal het chlorofyl enkele ongebruikte fotonen "lekken". Deze zwakke gloed wordt door zonne-energie geïnduceerde fluorescentie of SIF genoemd. Hoe sterker de fluorescentie, hoe meer koolstofdioxide een plant uit de atmosfeer haalt om zijn groei te stimuleren.
Hoewel de gloed onzichtbaar is voor het blote oog, kan deze worden gedetecteerd door instrumenten aan boord van satellieten zoals NASA's Orbiting Carbon Obsevatory-2 (OCO-2). OCO-2, gelanceerd in 2014, heeft het Midwesten van de VS tijdens het groeiseizoen in vuur en vlam zien staan.
De onderzoekers vergeleken jaren aan fluorescentiegegevens met een inventarisatie van plotselinge droogtes die de VS tussen mei en juli van 2015 tot 2020 troffen. Ze ontdekten een domino-effect:in de weken en maanden voorafgaand aan een plotselinge droogte bloeide de vegetatie aanvankelijk naarmate de omstandigheden veranderden. warm en droog. De bloeiende planten zonden een ongewoon sterk fluorescentiesignaal uit voor de tijd van het jaar.
Maar door de watervoorraad in de bodem geleidelijk aan terug te dringen, vormden de planten een risico. Toen extreme temperaturen toesloegen, kelderde het toch al lage vochtniveau en ontwikkelde zich binnen enkele dagen een plotselinge droogte.
Het team correleerde de fluorescentiemetingen met vochtgegevens van NASA's SMAP-satelliet. SMAP, een afkorting voor 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 buitengewoon goed correleerde met bodemvochtverlies in de 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 VS tot de Great Plains en het westelijke struikgewas.
Om deze reden is plantenfluorescentie "veelbelovend als een betrouwbare waarschuwingsindicator voor plotselinge droogte, met voldoende aanlooptijd om actie te ondernemen", zegt Nicholas Parazoo, aardwetenschapper bij JPL en hoofdauteur van het recente onderzoek.
Jordan Gerth, een wetenschapper bij de National Weather Service Office of Observations die niet bij het onderzoek betrokken was, zei dat hij blij was met het werk aan plotselinge droogtes, gezien ons veranderende klimaat. Hij merkte op dat de landbouw waar mogelijk baat heeft bij voorspelbaarheid.
Hoewel vroegtijdige waarschuwing de gevolgen van plotselinge droogtes niet kan wegnemen, zegt Gerth:‘Boeren en veeboeren met geavanceerde operaties kunnen water beter gebruiken voor irrigatie om de gevolgen voor gewassen te verminderen, het planten van gewassen te vermijden die waarschijnlijk zullen mislukken, of een ander soort gewas te planten. om de meest ideale opbrengst te behalen als ze weken tot maanden aanlooptijd hebben."
De CO2-uitstoot bijhouden
Naast het proberen te voorspellen van plotselinge droogtes, wilden de wetenschappers begrijpen hoe deze de koolstofuitstoot beïnvloeden.
Door kooldioxide tijdens de fotosynthese om te zetten in voedsel, zijn planten en bomen koolstofputten, die meer CO2 absorberen uit de atmosfeer dan ze vrijgeven. Veel soorten ecosystemen, waaronder landbouwgronden, spelen een rol in de koolstofcyclus:de voortdurende uitwisseling van koolstofatomen tussen het land, de atmosfeer en de oceaan.
De wetenschappers gebruikten koolstofdioxidemetingen van de OCO-2-satelliet, samen met geavanceerde computermodellen, om de koolstofopname door vegetatie voor en na plotselinge droogtes te volgen. Hittestressplanten nemen minder CO2 op uit de atmosfeer, dus verwachtten de onderzoekers meer vrije koolstof te vinden. Wat ze in plaats daarvan ontdekten was een evenwichtsoefening.
Warme temperaturen voorafgaand aan het begin van de plotselinge droogte verleidden planten om 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 warme omstandigheden die daarop volgden volledig te compenseren. De verrassende bevinding 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 de natuurlijke en door de mens veroorzaakte koolstofdioxideconcentraties en vegetatiefluorescentie in kaart met behulp van drie camera-achtige spectrometers die zijn afgestemd om de unieke lichtsignatuur van CO2 te detecteren. . Ze meten het gas indirect door bij te houden hoeveel gereflecteerd zonlicht het absorbeert in een bepaalde luchtkolom.