Ein ungewöhnlicher Anstieg der Pflanzenproduktivität kann auf einen schweren Wasserverlust im Boden hindeuten, und NASA-Satelliten folgen den Hinweisen.
Die Dürre, die im Sommer 2012 weite Teile der Vereinigten Staaten heimsuchte, brach schnell und ohne Vorwarnung aus und war eine der schlimmsten, die das Land seit der jahrelangen Dust Bowl in den 1930er Jahren erlebt hatte. Die „Sturzdürre“, die durch extreme Hitze angeheizt wurde, die die Feuchtigkeit aus dem Boden und den Pflanzen ausbrannte, führte zu großflächigen Ernteausfällen und wirtschaftlichen Verlusten, die mehr als 30 Milliarden US-Dollar kosteten.
Während sich archetypische Dürren im Laufe der Jahreszeiten entwickeln können, sind Sturzdürren durch schnelles Trocknen gekennzeichnet. Sie können innerhalb von Wochen auftreten und sind schwer vorherzusagen. In einer aktuellen Studie veröffentlicht In Geophysikalische Forschungsbriefe, konnte ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien Anzeichen von Blitzdürren bis zu drei Monate vor Beginn erkennen. In Zukunft könnte eine solche Vorankündigung die Eindämmungsbemühungen unterstützen.
Wie hat das Team das gemacht? Indem wir dem Leuchten folgen.
Ein aus dem Weltraum gesehenes Signal
Wenn eine Pflanze während der Photosynthese Sonnenlicht absorbiert, um Kohlendioxid und Wasser in Nahrung umzuwandeln, „gibt“ ihr Chlorophyll einige ungenutzte Photonen ab. Dieses schwache Leuchten wird als solarinduzierte Fluoreszenz oder SIF bezeichnet. Je stärker die Fluoreszenz, desto mehr Kohlendioxid nimmt eine Pflanze aus der Atmosphäre auf, um ihr Wachstum anzutreiben.
Während das Leuchten mit bloßem Auge unsichtbar ist, kann es von Instrumenten an Bord von Satelliten wie dem Orbiting Carbon Obsevatory-2 (OCO-2) der NASA erkannt werden. OCO-2 wurde 2014 gestartet und hat das Leuchten des Mittleren Westens der USA während der Vegetationsperiode beobachtet.
Wachsende Pflanzen strahlen eine Form von Licht aus, das von NASA-Satelliten erkannt werden kann, die Hunderte von Kilometern über der Erde kreisen. Teile Nordamerikas scheinen in dieser Visualisierung zu schimmern, die ein durchschnittliches Jahr darstellt. Grau zeigt Bereiche mit geringer oder keiner Fluoreszenz an; Rot, Rosa und Weiß weisen auf eine hohe Fluoreszenz hin. Bildnachweis: Scientific Visualization Studio der NASA
Die Forscher verglichen jahrelange Fluoreszenzdaten mit einer Bestandsaufnahme von Dürreperioden, die die USA zwischen Mai und Juli in den Jahren 2015 bis 2020 heimgesucht hatten. Sie stellten einen Dominoeffekt fest: In den Wochen und Monaten vor einer Dürreperiode gedieh die Vegetation zunächst, als sich die Bedingungen änderten warm und trocken. Die blühenden Pflanzen sendeten ein für die Jahreszeit ungewöhnlich starkes Fluoreszenzsignal aus.
Durch die allmähliche Verringerung des Wasservorrats im Boden stellten die Pflanzen jedoch ein Risiko dar. Als extreme Temperaturen auftraten, sank der ohnehin niedrige Feuchtigkeitsgehalt stark und innerhalb weniger Tage kam es zu einer starken Dürre.
Das Team korrelierte die Fluoreszenzmessungen mit Feuchtigkeitsdaten des SMAP-Satelliten der NASA. SMAP ist die Abkürzung für „Soil Moisture Active Passive“ und verfolgt Veränderungen im Bodenwasser, indem es die Intensität natürlicher Mikrowellenemissionen von der Erdoberfläche misst.
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass das ungewöhnliche Fluoreszenzmuster sehr gut mit den Bodenfeuchtigkeitsverlusten in den sechs bis zwölf Wochen vor einer plötzlichen Dürre korrelierte. In verschiedenen Landschaften, von den gemäßigten Wäldern im Osten der USA bis zu den Great Plains und den westlichen Buschlandschaften, zeichnete sich ein einheitliches Muster ab.
Aus diesem Grund erweist sich die Pflanzenfluoreszenz als „vielversprechender zuverlässiger Frühwarnindikator für plötzliche Dürre mit genügend Vorlaufzeit, um Maßnahmen zu ergreifen“, sagte Nicholas Parazoo, Geowissenschaftler am JPL und Hauptautor der aktuellen Studie.
Jordan Gerth, ein Wissenschaftler des National Weather Service Office of Observations, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte, er sei angesichts unseres sich ändernden Klimas erfreut über die Arbeit zu Blitzdürren. Er stellte fest, dass die Landwirtschaft wann immer möglich von Vorhersehbarkeit profitiert.
Auch wenn eine Frühwarnung die Auswirkungen von plötzlichen Dürreperioden nicht beseitigen kann, sagte Gerth: „Landwirte und Viehzüchter mit fortschrittlichen Betriebsabläufen können Wasser besser für die Bewässerung nutzen, um die Auswirkungen auf die Ernte zu reduzieren, den Anbau von Nutzpflanzen zu vermeiden, die wahrscheinlich ausfallen, oder eine andere Art von Nutzpflanze anzubauen.“ um den idealsten Ertrag zu erzielen, wenn sie Wochen bis Monate Vorlaufzeit haben.“
Verfolgung der CO2-Emissionen
Neben dem Versuch, Sturzdürren vorherzusagen, wollten die Wissenschaftler auch verstehen, wie sich diese auf die Kohlenstoffemissionen auswirken.
Durch die Umwandlung von Kohlendioxid in Nahrung bei der Photosynthese sind Pflanzen und Bäume Kohlenstoff-„Senken“, die mehr CO2 aus der Atmosphäre absorbieren als sie abgeben. Viele Arten von Ökosystemen, darunter auch Ackerland, spielen eine Rolle im Kohlenstoffkreislauf – dem ständigen Austausch von Kohlenstoffatomen zwischen Land, Atmosphäre und Ozean.
Die Wissenschaftler verwendeten Kohlendioxidmessungen des OCO-2-Satelliten zusammen mit fortschrittlichen Computermodellen, um die Kohlenstoffaufnahme durch die Vegetation vor und nach Sturzdürren zu verfolgen. Hitzegestresste Pflanzen nehmen weniger CO2 aus der Atmosphäre auf, sodass die Forscher erwarteten, mehr freien Kohlenstoff zu finden. Was sie stattdessen fanden, war ein Balanceakt.
Die warmen Temperaturen vor dem Einsetzen der Trockenheit verleiteten die Pflanzen dazu, ihre Kohlenstoffaufnahme im Vergleich zu normalen Bedingungen zu erhöhen. Diese anomale Aufnahme reichte im Durchschnitt aus, um den Rückgang der Kohlenstoffaufnahme aufgrund der darauf folgenden heißen Bedingungen vollständig auszugleichen. Der überraschende Befund könnte dazu beitragen, die Vorhersagen des Kohlenstoffkreislaufmodells zu verbessern.
Der Satellit OCO-2 feiert diesen Sommer sein 10-jähriges Jubiläum im Orbit und kartiert natürliche und vom Menschen verursachte Kohlendioxidkonzentrationen sowie die Fluoreszenz der Vegetation mithilfe von drei kameraähnlichen Spektrometern, die darauf abgestimmt sind, die einzigartige Lichtsignatur von CO2 zu erfassen. Sie messen das Gas indirekt, indem sie verfolgen, wie viel reflektiertes Sonnenlicht es in einer bestimmten Luftsäule absorbiert.
Mehr Informationen:
Nicholas Parazoo et al., Antecedent Conditions Mitigate Carbon Loss While Flash Dürreereignisse, Geophysikalische Forschungsbriefe (2024). DOI: 10.1029/2024GL108310