Данные спутниковых датчиков показывают, что в течении сельскохозяйственного сезона на Северном полушарии, Среднему Западу Соединённых Штатов Америки присуща большая фотосинтетическая активность, нежели любому другому месту на Земле. Об этом недавно заявили учёные NASA и нескольких научно-исследовательских институтов.
Здоровые растения преобразуют солнечный свет в энергию посредством фотосинтеза, однако хлорофилл также испускает часть поглощённого света через флуоресцентное излучение, которое невидимо невооружённым глазом. Величина излучения — это превосходный индикатор количества фотосинтеза, то есть производительности растений в том или ином регионе.
Исследования, проводившиеся в 2013 году командой учёных, возглавляемой Joanna Joiner из Goddard Space Flight Center НАСА, показало, что флуоресценцию от растений можно анализировать посредством данных существующих спутников, которые были спроектированы и построены совершенно для других целей. В ходе нового исследования, возглавляемого Luis Guanter из Freie Universität Berlin, впервые использовались спутниковые данные для оценки фотосинтеза от сельскохозяйственных насаждений. Результаты проведенного исследования были изданы 25 марта в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences».
По словам соавтора исследований Christian Frankenberg из Лаборатории реактивного движения NASA, в работе показано, что флуоресценция — это один из самых лучших показателей производительности сельского хозяйства, которыми когда-либо располагали учёные и аналитики. Он отмечает, что анализ флуоресцентного излучения от растений имеет огромное значение для мониторинга и даже прогнозирования региональных показателей урожайности.
Guanter, Joiner и Frankenberg начали сотрудничать в 2012 году после семинара, организованного Keck Institute for Space Studies в California Institute of Technology, который был посвящён исследованиям, направленным на измерения фотосинтеза из космоса. Учёные сразу же отметили тот факт, что на ежегодной основе, тропики являются самыми фотосинтетически активными, но в течении сельскохозяйственного сезона на Северном полушарии, не менее «ярко» себя показывает Кукурузный пояс США. По словам Frankenberg, ни один район в мире не является столь продуктивным, как область на Среднем Западе США, где традиционно с середины 19 века основной сельскохозяйственной культурой остается кукуруза.
Исследователи задались целью описать фотосинтетическую активность этого сельскохозяйственного района посредством интерпретации данных прибора Global Ozone Monitoring Experiment 2 (GOME-2) европейского метеорологического спутника «Metop-A». Данные показали, что флуоресценция Кукурузного пояса США, который простирается от штата Огайо и до Небраски и Канзаса, в июле (пик приходится на этот месяц) на 40% больше, нежели аналогичные показатели за тот же период в бассейне Амазонки.
Сравнение с данными наземных измерений и статистикой урожайности полностью подтвердили эти результаты.
Согласованность измерений наземного базирования и спутниковых данных стала для исследователей «настоящим сюрпризом», отмечает Joiner, соавтор научной публикации. Наземные измерения характеризуются разрешением порядка 1 км2, в то время как спутниковые — 300 км2.
Исследование подтверждает, что даже с низкой разрешением спутниковый метод может оценить интенсивность фотосинтеза, происходящего внутри растений на молекулярном уровне для областей с относительно однородной растительностью, таких как Кукурузный пояс США.
Минус этого метода заключается в оценке производительности фрагментированных сельскохозяйственных регионов. Для этого необходимы приборы, характеризующиеся более высоким разрешением. Учёные полагают, что Orbiting Carbon Observatory-2 NASA, запуск которой запланирован на июль 2014 года, поможет решить эту проблему.
Исследование также может помочь учёным улучшить компьютерные модели, имитирующие углеродный цикл Земли, поскольку Guanter считает, что «фотосинтез урожайности» должен учитываться в таких моделях. Анализ показал, что модели изменения круговорота углерода, которые учёные используют для улучшения понимания круговорота углерода через океан, сушу и атмосферу, недооценивают производительность Кукурузного пояса США на 40-60%.
В отличии от большинства растительности, продовольственным культурам удалось повысить производительность. Как правило, они имеют больше доступа к питательным веществам и орошению. Кукурузный пояс, например, получает воду от реки Миссисипи. Учёт орошения в настоящее время является существенной проблемой для составления моделей, которая является одной из причин недооценки производительности растениеводства.
По словам Joiner, если орошение и другие воздействия человека в сельскохозяйственных областях не принимаются во внимании, то правильно оценить количество углерода, приходящегося на растительность, крайне сложно. Он отмечает, что кукуруза является очень продуктивной в плане «освоения» углекислого газа из атмосферы. Joiner убеждён, что этот фактор должен учитываться в последующих попытках прогнозирования того, сколько атмосферного углекислого газа поглощается сельскохозяйственными культурами в процессе фотосинтеза и в условиях изменяющегося климата.
