В 2017 году группа из Лаборатории оптики фотосинтеза (OPL) разработала новый метод измерения небольшого, но важного сигнала, производимого всеми растениями, в данном случае деревьями. Этот сигнал называется флуоресценцией хлорофилла и представляет собой излучение в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Флуоресценция хлорофилла связана с фотосинтезом и состоянием здоровья растений, и ее можно измерить на расстоянии, например, с вышек, дронов, самолетов и спутников. Однако интерпретация сигнала сложна, и до сих пор его можно было измерить только в дискретных спектральных диапазонах от полностью выросших деревьев в полевых условиях.
OPL разработали новую технику, которая впервые позволила им наблюдать на расстоянии полный спектр (все цвета) флуоресценции взрослых деревьев, растущих в лесу. Измерение всего спектра излучения дает информацию как о продуктивности растений (как они фотосинтезируют), так и о структуре самих растений.
Проблема с традиционными методами дистанционного зондирования, используемыми до сих пор, заключалась в том, что в дневное время большая часть распределения флуоресценции остается скрытой от глаз, поскольку сигнал настолько слаб по сравнению с солнечным светом. Поэтому измерение флуоресценции в дневное время, обычно называемое солнечной флуоресценцией (SIF), требует чрезвычайно чувствительных и специализированных приборов. Новая технология отличается от предыдущих тем, что в ней используется коммерчески доступная светодиодная технология, которая буквально освещает лес ночью, чтобы показать весь спектр излучения целых деревьев.
"Мы поняли, что можем использовать ночь как "естественный световой фильтр", поэтому мы отправились ночью в лес и прикрепили сильный источник света с ограниченной длиной волны (коммерческий диско-светильник) к башне, которая возбудил флуоресценцию. Затем мы использовали специальные научные приборы, спектрорадиометр, также установленный в башне для наблюдения за сигналом», - описывает Джон Атертон, исследователь из лаборатории оптики фотосинтеза Хельсинкского университета в Институте исследований атмосферы и системы Земли (INAR)/Forest. науки Университета Хельсинки. Сочетание ночи и света упрощает задачу: измерение SIF ночью может быть выполнено с помощью потенциально более дешевых (менее чувствительных) инструментов, и это дает данные, которые легче интерпретировать.
Связь между флуоресценцией и земными поглотителями углерода
Новый вклад исследователей приближает нас на один шаг к «наблюдению за фотосинтезом», наблюдая за светом, излучаемым растениями, как в меньших масштабах (теплицы, сельскохозяйственные культуры, лесные насаждения), так и в глобальном масштабе с использованием спутников. Европейское космическое агентство готовит спутниковую миссию FLEX, целью которой является глобальное картографирование флуоресценции. Есть надежда, что флуоресценция будет использоваться для рутинной оценки фотосинтеза растений из космоса - процесса, управляющего земным углеродным циклом.
Роль лесов в поглощении и ассимиляции атмосферного углерода имеет решающее значение и широко обсуждается в средствах массовой информации. Измерение обмена углекислым газом между лесами и атмосферой осуществляется с помощью дорогостоящих приборов в определенных местах (на участках аэродинамической башни), которые производят локальные оценки потоков (углеродный обмен) вблизи этих участков. Именно здесь флуоресценция вступает в игру, предоставляя удобное для дистанционного зондирования средство оценки фотосинтеза в ландшафте путем заполнения покрытия (пробелов) между станциями. Интерпретация данных является сложной задачей, но с помощью метода флуоресценции, индуцированной светоизлучающими диодами (LEDIF), должен быть сделан значительный скачок вперед.
Возможность измерения флуоресценции из космоса действительно побудила нас выполнить эту работу, хотя наши результаты могут найти и другие применения, такие как фенотипирование, точное земледелие или лесные питомники. Мы надеемся, что наши данные могут быть использованы для информирования алгоритмов, используемых для «извлечения» флуоресценции из космоса. Такие алгоритмы работают немного иначе, чем наша спектральная техника, поскольку они используют темные атмосферные «линии» для оценки флуоресценции. Следовательно, полный спектр излучения остается фактически скрытым в спутниковых данных, и это то, что показывают наши данные», - добавляет Джон Атертон.