科學家欲用衛星監測植物光芒評估全球碳收支狀況

葉綠素熒光能被探測到

　　這是小學的一堂課：陽光灑在葉片上，催化二氧化碳，大氣中的二氧化碳會被吸收并被固定在糖分子中。但是還有一個令人驚訝的額外描述：葉片會重新放射出1%的陽光，發射出紅色光暈。

　　數十年來，植物生理學家已經對葉綠素熒光有了一定了解。但直至近幾年，科學家才開始能在太空中描繪這種微弱信號。現在，科學家正打算利用美國宇航局（NASA）將于7月1日發射的軌道碳觀測衛星（OCO-2）更清晰地觀察葉綠素熒光。

　　耗資4.68億美元的OCO-2將替代5年前墜入大海的碳觀測衛星。實際上，熒光圖譜并非OCO-2原始任務的一部分。但其項目團隊的很多成員表示，目前熒光圖譜已經成為該項目的任務之一。“在我看來，這是該衛星最具創新性和革命性的觀測任務。”該任務的項目科學家、美國噴氣動力實驗室（JPL）的Mike Gunson說。

　　光合作用的其他變量（例如綠度和葉片面積）也會出現問題：例如一片常綠林全年常綠，即便冬天吸收的二氧化碳很少。相比之下，一種植物只在光合作用發生時才發出熒光，因此這種光芒直接反映了植物吸收的碳的數量。而精確的熒光地圖將能修正全球碳收支的誤差，并為評估生態系統在氣候變化帶來的干旱和熱應力下如何行為提供新工具。

　　OCO首席研究員、JPL的David Crisp表示，利用衛星繪制此類圖譜的能力是等待OCO替代物的漫長時間里的一線希望。“我們甚至不知道自己能采取這樣的措施，這將告訴我們應在哪里采取行動。”他說。

　　2009年發射數分鐘后，運載OCO的金牛座XL火箭的防護罩未能打開，這顆衛星最終墜入太平洋。對于氣候學家而言，這次失敗帶來的打擊是毀滅性的，他們希望該衛星能補充參差不一的地面二氧化碳測量結果。OCO計劃繪制二氧化碳的源和匯的圖譜。一些科學家指出，該衛星還將幫助檢測各國是否遵循減排要求。

　　之后，研究人員一直在為替代衛星爭取政治支持。到2010年，JPL批準并撥款建造OCO-2，而且該衛星進行了一些可能的變化。然而，2011年，金牛座XL火箭在運送NASA另一顆衛星時出現了類似失敗。

　　NASA受夠了：它決定將OCO-2交給德爾塔II火箭。這就強迫OCO-2團隊推遲了時間表。在此期間，該研究小組發現一種旋轉慣性輪存在問題，這些輪子在2013年讓行星獵人開普勒望遠鏡成了跛子。于是，該研究小組有了充足時間更換這些輪子。

　　同時，葉綠素熒光科學時代亦宣告到來。2009年，日本航空研究開發機構發射了溫室氣體觀測衛星（GOSAT）。GOSAT并不能像OCO-2將要做到的那樣，詳細地繪制二氧化碳圖譜，但是它有相似的光譜分辨率，即梳理反射陽光的能力。利用GOSAT的數據，數個研究小組意識到要在云彩和氣溶膠的干擾下測量二氧化碳，他們將無論如何都要鑒定（及扣掉）熒光信號。“正如我們說的，一個人的噪音是另一個信號。”該技術的開拓者之一、 NASA戈達德太空飛行中心遙感科學家Joanna Joiner說。

　　GOSAT和OCO-2的相關繪圖能力能顯示特殊區域二氧化碳的凈交換。通過熒光信號，研究人員能夠深入探索和獲得組成凈交換的兩個成分：光合作用的碳吸收和呼吸作用的碳排放。而且，他們可以觀察這些因素在不同氣候條件下隨著時間的演變。GOSAT數據已經提供了線索：發表在美國《國家科學院院刊》上的一項研究指出，美國玉米帶熒光峰值比世界上其他地方更明亮，氣候模型可能低估了該地區碳吸收的50%~75%。

　　熒光測量還將幫助解決一個長期存在的爭論——亞馬遜雨林如何響應干旱。一些科學家認為，亞馬遜稠密森林的光合作用并非被水限制，而是被光限制，因此干旱期間光照的增強能帶來“綠化”。2013年發表于英國《皇家學會學報B》的論文指出，GOSAT數據顯示，在旱季，亞馬遜雨林的一些地區熒光減少，甚至葉面積指數達到了高點。

　　相關應用還將超越氣候科學范疇。OCO-2的分辨率大約2000米。在亞千米空間分辨率下，熒光繪圖者將評估拼接田地中不同莊稼的生產率。這將產生一個更精確的全球糧食生產地圖以及它們如何響應干旱或熱浪——這是適應氣候變化的有價值信息。歐洲空間局（ESA）熒光探測任務（FLEX）項目科學家Matthias Drusch 反問道：“在一個變化的氣候中，我們是否在正確的地方種下了合適的莊稼？”

　　Crisp知道要完成這些任務多么困難。他表示自己從2001年首次向NASA提交OCO計劃后，每周要工作80小時。盡管他對未來衛星發射心懷擔憂，他仍計劃在范登堡空軍基地發射場守望它。“我們做了能做的所有事情。”他說，“我希望我們做對了。我確實希望它能升空。”