Der Schlüssel der NASA zur Vorhersage von Sturzdürren

Ein ungewöhnlicher Anstieg der Pflanzenproduktivität kann auf einen drohenden schweren Bodenwasserverlust hinweisen. NASA Satelliten verfolgen dieses subtile Leuchten und warnen frühzeitig vor möglichen Dürren in der vielfältigen Landschaft.

Die schnell und ohne Vorwarnung wütende Dürre, die im Sommer 2012 weite Teile der Vereinigten Staaten erfasste, war eine der schlimmsten, die das Land seit der jahrelangen Dust Bowl der 1930er Jahre erlebt hatte. Die „Sturzdürre“, angeheizt durch extreme Hitze, die Feuchtigkeit aus Böden und Pflanzen verbrannte, führte zu weit verbreiteten Ernteausfällen und wirtschaftlichen Verlusten, die mehr als 30 Milliarden US-Dollar kosteten.

Während sich typische Dürren im Laufe der Jahreszeiten entwickeln können, sind Sturzdürren durch schnelles Austrocknen gekennzeichnet. Es kann innerhalb von Wochen auftreten und ist schwer vorherzusagen. In Kürzlich durchgeführte StudieEin Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien konnte drei Monate vor ihrem Beginn Anzeichen einer plötzlichen Dürre erkennen. In Zukunft könnte diese Vorankündigung bei den Eindämmungsbemühungen hilfreich sein.

Wie haben Sie das geschafft? Indem wir dem Leuchten folgen.

Auf einem Feld im Westen von Kentucky bedeckt ein Sprühgerät die Feldfrüchte zur Vorbereitung auf die Pflanzsaison. NASA-Wissenschaftler suchen nach weltraumgestützten Instrumenten, um schnelle, subtile Dürren vorherzusagen, die in den letzten Jahren für massive landwirtschaftliche Verluste verantwortlich waren. Quelle: USDA/Justin Beus

Ein aus dem Weltraum gesehenes Signal

während PhotosyntheseWenn eine Pflanze Sonnenlicht absorbiert, um Kohlendioxid und Wasser in Nahrung umzuwandeln, „gibt“ Chlorophyll einige ungenutzte Photonen ab. Dieses schwache Leuchten wird als solarinduzierte Fluoreszenz oder SIF bezeichnet. Je stärker die Fluoreszenz, desto mehr Kohlendioxid nimmt die Pflanze aus der Atmosphäre auf, um ihr Wachstum zu unterstützen.

Während das Leuchten mit bloßem Auge unsichtbar ist, kann es von Instrumenten an Bord von Satelliten wie dem Orbiting Carbon Observatory 2 (OCO-2) der NASA erkannt werden. OCO-2 wurde 2014 zur Überwachung des Mittleren Westens der USA gestartet Leuchtend während der Vegetationsperiode.

Wachsende Pflanzen strahlen eine Form von Licht aus, das von NASA-Satelliten erfasst werden kann, die Hunderte von Kilometern über der Erde kreisen. Teile Nordamerikas scheinen in dieser Visualisierung, die ein durchschnittliches Jahr darstellt, zu leuchten. Die graue Farbe zeigt Bereiche mit geringer oder keiner Fluoreszenz an; Rot, Rosa und Weiß weisen auf eine hohe Fluoreszenz hin. Quelle: NASA Scientific Visualization Studio

Die Forscher verglichen jahrelange Lumineszenzdaten mit einer Liste von Blitzdürren, die die Vereinigten Staaten zwischen Mai und Juli von 2015 bis 2020 heimgesucht hatten. Sie stellten einen Dominoeffekt fest: In den Wochen und Monaten vor der Blitzdürre gediehen Pflanzen zunächst als Bedingungen geändert. Warm und trocken. Die blühenden Pflanzen sendeten für diese Jahreszeit ein ungewöhnlich starkes Fluoreszenzsignal aus.

Doch durch die allmähliche Verringerung der Wasserversorgung des Bodens haben die Pflanzen eine Gefahr geschaffen. Als extreme Temperaturen eintrafen, sank die ohnehin niedrige Luftfeuchtigkeit und innerhalb weniger Tage kam es zu plötzlicher Dürre.

Das Team verknüpfte die Fluoreszenzmessungen mit Feuchtigkeitsdaten des NASA-Satelliten SMAP. SMAP steht für Soil Moisture Active Passive und verfolgt Veränderungen im Bodenwasser, indem es die Intensität natürlicher Mikrowellenemissionen von der Erdoberfläche misst.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass das ungewöhnliche Fluoreszenzmuster sehr gut mit dem Feuchtigkeitsverlust des Bodens während der sechs bis zwölf Wochen vor einer plötzlichen Dürre korreliert. In verschiedenen Landschaften, von den gemäßigten Wäldern im Osten der Vereinigten Staaten bis zu den Great Plains und Buschland im Westen, zeichnete sich ein einheitliches Muster ab.

Aus diesem Grund erweist sich die Pflanzenfluoreszenz als „vielversprechender zuverlässiger Frühwarnindikator für plötzliche Dürre mit ausreichend Vorlaufzeit, um Maßnahmen zu ergreifen“, sagte Nicholas Barrazo, Geowissenschaftler an der University of California. Labor für Strahlantriebe Er ist der Hauptautor der neuesten Studie.

Jordan Gerth, ein Wissenschaftler im Überwachungsbüro des National Weather Service, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte, er freue sich angesichts unseres sich ändernden Klimas über Maßnahmen gegen plötzliche Dürren. Er stellte fest, dass die Landwirtschaft wann immer möglich von Vorhersehbarkeit profitiert.

Während eine Frühwarnung die Auswirkungen einer plötzlichen Dürre nicht beseitigen kann, sagte Gerth, „können Landwirte und Viehzüchter mit fortschrittlichen Betriebsabläufen das Wasser für die Bewässerung besser nutzen, um die Auswirkungen auf die Ernte zu verringern, den Anbau von Nutzpflanzen zu vermeiden, die wahrscheinlich ausfallen, oder eine andere Art von Nutzpflanze anzubauen.“ .“ Um eine optimale Rendite zu erzielen, wenn sie Wochen bis Monate Vorlaufzeit haben.

Verfolgen Sie die CO2-Emissionen

Neben dem Versuch, plötzliche Dürren vorherzusagen, wollten Wissenschaftler auch verstehen, wie sie sich auf die Kohlenstoffemissionen auswirken.

Durch die Umwandlung von Kohlendioxid in Nahrung während der Photosynthese fungieren Pflanzen und Bäume als Kohlenstoff-„Senken“ und nehmen mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf, als sie abgeben. Viele Arten von Ökosystemen, darunter auch Agrarflächen, spielen eine Rolle bei… Kohlenstoffzyklus – Der kontinuierliche Austausch von Kohlenstoffatomen zwischen der Erde, der Atmosphäre und den Ozeanen.

Wissenschaftler verwendeten Kohlendioxidmessungen des OCO-2-Satelliten zusammen mit fortschrittlichen Computermodellen, um die Kohlenstoffaufnahme durch Pflanzen vor und nach plötzlichen Dürren zu verfolgen. Pflanzen, die Hitzestress ausgesetzt sind, nehmen weniger Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf, sodass die Forscher erwarteten, mehr freien Kohlenstoff zu finden. Was sie stattdessen fanden, war ein Balanceakt.

Warme Temperaturen vor dem Einsetzen einer plötzlichen Dürre verleiten Pflanzen dazu, ihre Kohlenstoffaufnahme im Vergleich zu normalen Bedingungen zu erhöhen. Diese anomale Aufnahme reichte im Durchschnitt aus, um den Rückgang der Kohlenstoffaufnahme aufgrund der daraus resultierenden warmen Bedingungen vollständig auszugleichen. Diese überraschende Entdeckung könnte dazu beitragen, die Vorhersagen des Kohlenstoffkreislaufmodells zu verbessern.

Der Satellit OCO-2 feiert diesen Sommer sein 10-jähriges Jubiläum im Orbit und kartiert natürliche und von Menschenhand geschaffene Objekte. Kohlendioxidkonzentrationen Und Pflanzen Optisch Mithilfe von drei kameraähnlichen Spektrophotometern, die darauf abgestimmt sind, die einzigartige optische Signatur von Kohlendioxid zu erkennen. Sie messen das Gas indirekt, indem sie verfolgen, wie viel reflektiertes Sonnenlicht es in einer bestimmten Luftsäule absorbiert.