Наука сопряжена с интуитивной прозорливостью — способностью делать глубокие выводы из совершенно случайных наблюдений и находить то, что даже никто и не думал искать преднамеренно. Примером этого является пенициллин. Ведь мало кому известно, что этот антибиотик был идентифицирован совершенно случайно, когда сине-зелёная плесень выросла на чашке Петри, ошибочно оставленной открытой.
Спутниковые приборы предоставили исследователям из NASA и других научно-исследовательских институтов совершенно неожиданное глобальное представление о почти невидимом флуоресцентном свечении, которое проливает свет на производительность растительности на Земле. Ранее глобальные взгляды на это «свечение», испускаемое хлорофиллом, были возможны исключительно над океанами Земли. Данные о «океанической» флуоресценции собирали приборы Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), установленные на спутниках NASA «Terra» и «Aqua».
Когда японский спутник Japanese Greenhouse gases Observing SATellite (GOSAT), больше известный как «IBUKI», в 2009 году был выведен на орбиту, он приступил к измерению уровней углекислого газа и метана — двух основных парниковых газов, заманивающих тепло в «ловушку» — в атмосфере Земли. Тем не менее, исследователи NASA в сотрудничестве с японскими и международными коллегами, обнаружили в данных спутника GOSAT спрятанное «сокровище» — флуоресценцию от хлорофилла, содержащегося в растениях. Несмотря на то, что учёные измеряют флуоресценцию в лабораторных установках и во время полевых экспериментов наземного базирования в течение многих десятилетий, эти новые спутниковые данные теперь обеспечивают способность контролировать «обусловленную Солнцем флуоресценцию хлорофилла» в глобальном масштабе, открывая для себя целый мир новых потенциальных заявок на изучение растительности на суше.
«Подпись» фотосинтеза — обусловленная Солнцем флуоресценция хлорофилла — это индикатор процесса, посредством которого растения преобразовывают солнечный свет в химическую энергию. По мере того, как молекулы хлорофилла поглощают поступающее солнечное излучение, часть света рассевается в виде тепла, в часть — переизлучается в более длинных волнах в виде флуоресценции.
Следует отметить, что исследователи, которые специализируются на изучении взаимосвязи растительности, углерода и климата, с нетерпением ждут данных о флуоресценции от спутника NASA «OCO-2» (Orbiting Carbon Observatory-2), запуск которого намечен на июль 2014 года. Прибор, установленный на борту «OCO-2» будет производить самые точные замеры содержания углекислого газа в атмосфере, фиксируя по 24 показания в секунду. Для сравнения, GOSAT производит фиксацию данных о концентрации СО2 раз на 4 секунды. Таким образом, «OCO-2» будет производить в 100 раз больше наблюдений за углекислым газом и флуоресценцией, чем GOSAT.
По словам ведущего учёного исследовательской программы NASA «Carbon and Ecosystems» David Schimel из Лаборатории реактивного движения, данные от «ОСО-2» расширят временной ряд GOSAT и позволят по-новому взглянуть на крупномасштабные изменения фотосинтеза. Организатор проекта «ОСО-2» Ralph Basilio из JPL отмечает, что данные о флуоресценции в сочетании с измерениями углекислого газа увеличат ценность миссии не только для NASA и США, но и для всего мира.
Возможность видеть флуоресценцию из космоса позволяет учёным оценивать показатели фотосинтеза в огромных масштабах, проникая тем самым в суть жизненных процессов, влияющих на людей и других живых организмов на Земле. По словам Joseph Berry из Department of Global Ecology Carnegie Institution for Science в Стэнфорде, темп фотосинтеза играет чрезвычайно важную роль, так как этот процесс стимулирует поглощение углерода из атмосферы.
Измерение «свечения» флуоресценции на первый взгляд может показаться довольно простым, однако едва уловимый сигнал довольно часто затмевается отражаемым солнечным светом. Исследователи обнаружили, что настраивая спектрометр GOSAT (прибор, который может измерять различные части светового спектра) на проведение наблюдений в очень узких каналах, можно увидеть части спектра, где отчетливо различима флуоресценция.
Учёные просто в восторге от нового измерения, потому что оно даст им лучшее представление о том, как растения Земли поглощают углекислый газ. Согласно Global Carbon Project — неправительственной организации, специализирующейся на изучении углеродного цикла на нашей планете, сжигание топливных и прочих полезных ископаемых на Земле привело к поступлению в атмосферу порядка 35 млрд тонн углекислого газа. Это — почти по пять 5 тонн CO2 на каждого из 7 млрд. жителей планеты.
Приблизительно половина углекислого газа остается в атмосфере. Вторая половина растворяется в океане или поглощается биосферой Земли.
Будущее растительности Земли в значительной степени зависит от одного из ключевых компонентов углеродистого цикла — воды. Растениям необходима вода для того, чтобы обеспечивать процессы фотосинтеза. Когда «водоснабжение» прекращается, например, во время засухи, фотосинтез замедляется.
За последние четверть века спутниковые приборы, такие как MODIS и Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), установленные на полярных спутниках NOAA, позволяли исследователям проводить мониторинг «здоровья» растительности и её производительности, измеряя количество «зелени», указывающее, сколько лиственного покрова подвержено воздействию солнечного света. Недостаток использования индекса «зелёности» заключатся в том, что лиственный покров не сразу реагирует на «стрессы», например, на дефицит воды, замедляющие протекание фотосинтеза и снижающие производительность.
По словам Christian Frankenberg из JPL, которая входит в состав научной группы «ОСО-2», растения могут быть зелёными, но при этом пассивными. Как объясняет Frankenberg, флуоресценция сразу же покажет, что с растительностью что-то не так, при том, что индекса «зелёности» может указать на это, когда уже будет поздно.
Ввиду того, что фотосинтез — это один из основных процессов углеродного цикла, который играет определяющую роль в установлении климата на планете, более точная информация о флуоресценции могла бы помочь развеять некоторые сомнения по поводу поглощения углекислого газа растениями в климатических моделях. Исследователи признаются, что не до конца понимают количественную связь между климатом и флуоресценцией, так как этот процесс ранее изучался лишь в весьма ограниченных масштабах. Измерения флуоресценции растительности из космоса может стать важным дополнением к набору методов, доступных в настоящее время, убеждены климатологи.
