Тайное свечение растений: ключ НАСА к предсказанию внезапных засух

Необычный всплеск продуктивности растений может сигнализировать о надвигающейся серьезной потере влаги в почве. Спутники НАСА отслеживают это слабое свечение, предлагая ранние предупреждения о потенциальных внезапных засухах в различных ландшафтах, сообщает «scitechdaily».

Вспыхнувшая быстро и без предупреждения, засуха, охватившая большую часть Соединенных Штатов летом 2012 года, была одной из самых масштабных в стране со времен Пыльного котла 1930-х годов. «Внезапная засуха», вызванная экстремальной жарой, которая выпила влагу из почвы и растений, привела к повсеместному неурожаю и экономическим потерям, обошедшимися в более чем 30 миллиардов долларов.

В то время как архетипические засухи могут развиваться в течение сезонов, внезапные засухи характеризуются быстрым высыханием. Они могут закрепиться в течение нескольких недель, и их трудно предсказать.

Во время фотосинтеза, когда растение поглощает солнечный свет для преобразования углекислого газа и воды в пищу, его хлорофилл «пропускает» некоторые неиспользованные фотоны. Это слабое свечение называется флуоресценцией, вызванной солнечным светом, или SIF. Чем сильнее флуоресценция, тем больше углекислого газа растение берет из атмосферы для своего роста.

Хотя свечение невидимо невооруженным глазом, оно может быть обнаружено с помощью инструментов на борту спутников, таких как Orbiting Carbon Obsevatory-2 (OCO-2) НАСА. Запущенный в 2014 году, OCO-2 наблюдал за Средним Западом США во время вегетационного периода.

Исследователи сравнили данные о флуоресценции за несколько лет с перечнем внезапных засух, которые обрушились на США в период с мая по июль с 2015 по 2020 год. Они обнаружили эффект домино: в течение недель и месяцев, предшествовавших внезапной засухе, растительность первоначально процветала, поскольку условия становились теплыми и сухими. Цветущие растения излучали необычайно сильный для этого времени года флуоресцентный сигнал.

Но, постепенно истощая запасы воды в почве, растения создали риск. Когда ударили экстремальные температуры, и без того низкий уровень влажности резко упал, и в течение нескольких дней развилась внезапная засуха.

Команда сопоставила измерения флуоресценции с данными о влажности со спутника НАСА SMAP. Аббревиатура от Soil Moisture Active Passive, SMAP отслеживает изменения в почвенных водах, измеряя интенсивность естественного микроволнового излучения с поверхности Земли.

Ученые обнаружили, что необычный паттерн флуоресценции очень хорошо коррелирует с потерями влаги в почве за 6-12 недель до внезапной засухи. Последовательная картина проявилась в различных ландшафтах, от лесов умеренного пояса на востоке США до Великих равнин и западных кустарников.

По этой причине флуоресценция растений «является надежным индикатором раннего предупреждения о внезапной засухе с достаточным временем для принятия мер», — сказал Николас Паразу, ученый из Лаборатории реактивного движения и ведущий автор недавнего исследования.

Хотя раннее предупреждение не может устранить последствия внезапных засух, но фермеры и владельцы ранчо могут лучше использовать воду для орошения, чтобы уменьшить воздействие на урожай, избегать посадки культур, которые, вероятно, потерпят неудачу, или сажать другой тип культуры для достижения наиболее идеального урожая, если у них есть время на подготовку от нескольких недель до нескольких месяцев.

Высокие температуры, предшествовавшие наступлению внезапной засухи, подтолкнули растения к увеличению поглощения углерода по сравнению с нормальными условиями. Этого аномального поглощения было в среднем достаточно, чтобы полностью компенсировать снижение поглощения углерода из-за последовавших за этим жарких условий. Удивительное открытие может помочь улучшить прогнозы модели углеродного цикла.