衛星發現地球植物螢光現象助光合作用

  北京時間5月7日消息,據美國宇航局NASA官方網站報道,NASA研究人員在使用衛星設備對地球進行觀測時,獲得了意外發現——陸地植被覆蓋區閃現出極不易察覺的綠色光芒。此前,想要從地外拍攝到葉綠素散發的光芒,只有使用部署在NASA麾下Terra號和Aqua號航天器上的中等分辨航天成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS),在海洋上空進行作業。

  2009年,日本發射了溫室氣體觀測衛星GOSAT(日本稱“伊吹號”)。這一衛星的原定任務是測量地球大氣層中的二氧化碳和甲烷水平,但是,NASA研究人員同日本和其他國家研究人員一道,在GOSAT採集的海量數據中發現了另外一項隱匿其中珍貴信息:植物葉綠素散發的螢光。

  過去幾十年來,雖然科學家們在實驗室和試驗田地都測量到過植物螢光現象,但這次衛星提供的數據使科學家們得以從全球角度研究這種太陽能誘導下的葉綠素螢光能力。同時,人類在陸上植物用途方面或許也將迎來全新的方式。

  太陽能誘發的葉綠素螢光現象又被稱為“光合作用的簽名”,它標誌著植物正在將來自太陽的光能轉化為自身的化學能。葉綠色分子吸收光輻射後,將一部分光能轉化為熱量耗散掉,另一部分轉化為更長波長的螢光。

  2014年7月,NASA發射了同GOSAT任務相似的軌道碳觀測器2號(Orbiting Carbon Observatory-2, OCO-2)。OCO-2上搭載的儀器可以準確測量地球大氣層中的二氧化碳含量,每秒可進行24次採集,大大超出GOSAT每4秒一次的採集頻率。單就採集量而言,OCO-2採集到二氧化碳和螢光數據是同期GOSAT的100倍。負責研究植物、碳和氣候互相作用的科學家正迫切地希望拿到OCO-2採集到的葉綠素螢光現象數據。

  位於加利福尼亞州帕薩迪納的NASA噴氣推進實驗室碳與生態系統研究項目負責人大衛·施梅爾(David Schimel)提到:“OCO-2提供的數據要比GOSAT更為全面,使我們有機會以一種全新的方式觀測大規模光合作用變化。

  採集螢光現象數據或許成為OCO-2執行過的最特別的任務之一。這一發現無論是對NASA、對美國,還是對世界而言,都有不同尋常的意義。”

  “關掉太陽光”

  從太空角度觀測植物的螢光現象,科學家首次得以在如此大規模的層次來推測光合作用率,深入研究分析這個地球最為重要的生物化學反應。斯坦福大學卡內基科學研究所全球生態系統部門的研究人員約瑟夫·貝瑞(Joseph Berry)表示:“光合作用率十分關鍵,因為它直接影響植物對大氣中二氧化碳的吸收過程和農業作物生產過程。”

  測量這類螢光聽起來似乎很簡單,但在強烈的反射日光中,進行這個工作實為不易。

  施梅爾解釋道:“想像一下你坐在孩子的臥室裡,孩子們在天花板放了一堆發光的小星星。當你打開燈,雖然星星還在發光,但從牆壁反射的燈光會和星星的光芒夾雜在一起。從太空尋找螢光現象就需要剝離開植物反射日光的影響,換句話說,就是‘關掉太陽光’。”

  研究人員發現,調整GOSAT的光譜儀,只關注一個很窄的頻段,就能夠降低反射後的太陽輻射,單獨來觀測螢光現象。施梅爾打了個比方,這就好比在孩子的房間裡,帶上了可以過濾燈光的眼鏡,然後就可以欣賞星光了。

  科學家們為這一測量方式歡呼雀躍,因為他們可以更深入地瞭解地球上植物吸收二氧化碳的過程。

  根據非政府組織“全球碳計劃(Global Carbon Project)”提供的數據,截至2011年,地球化石燃料的燃燒已經累計釋放了近350億噸二氧化碳,相當於70億地球居民每人釋放了5噸。其中一半仍留在大氣層中,另一半被海洋吸收或被陸上、海洋生物吸入。這一效應使人類免於二氧化碳完全釋放的災難後果。





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