Eine neue wissenschaftliche Studie zeigt, wie sich Dürreperioden auf die Photosynthese im Tagesverlauf auswirken. Die Studie ergab, dass Pflanzen in Regionen, die normalerweise trocken sind, während einer Hitzewelle in den Morgenstunden ihre CO2-Aufnahme erhöhen und die Photosynthese in der Mittags- und Nachmittagszeit verringern. Forscher analysierten Daten von geostationären Satelliten der neuen Generation.
Dr. Benjamin Dechant ist Postdoktorand an der Universität Leipzig und forscht am Synthesezentrum des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv). Dechant, Physiker und Ökologe, konzentriert seine Forschung auf die räumlich-zeitlichen Muster und Dynamiken der Photosynthese von Pflanzen sowie auf die Eigenschaften von Blättern und Baumkronen.
Die Daten für die Studie wurden teilweise während einer Hitzewelle in den USA im Jahr 2020 erhoben. Dechant trug zur Veröffentlichung der südkoreanischen Forschergruppe bei und diskutierte in einem Interview die wichtigsten Erkenntnisse.
Dr. Dechant, wenn es ungewöhnlich heiß und trocken ist, verlagern Pflanzen ihre Photosyntheseaktivität in die Morgenstunden. Warum ist dieser Befund für die Forschung so wichtig?
Obwohl diese Erkenntnis an sich nicht neu ist, basierte sie bisher nur auf kleinräumigen Untersuchungen einzelner Pflanzenarten oder Ökosysteme, etwa auf der Ebene eines Waldgebiets, und wurde bisher noch nicht in größerem Maßstab beobachtet Satelliten. Die neue Studie ist die erste, die diese Verschiebung in Richtung Morgen auf der Grundlage von Satellitenmessungen im gesamten kontinentalen US-Bundesstaat quantifiziert. Die Ergebnisse könnten genutzt werden, um beispielsweise Simulationsergebnisse von Vegetationsmodellen auszuwerten und zu verbessern, da diese für die Vorhersage des globalen Kohlenstoffkreislaufs wichtig sind.
Mit zunehmender globaler Erwärmung wird das Phänomen der verschobenen Photosyntheseaktivität voraussichtlich häufiger auftreten. Welche Auswirkungen kann dies für einzelne Pflanzen, aber auch für ganze Ökosysteme haben?
Um die Photosynthese durchzuführen, müssen Pflanzen die Poren ihrer Blätter öffnen, wodurch Wasser verdunstet. Während Dürreperioden und Hitzewellen müssen einzelne Pflanzen ihren Wasserverlust minimieren und gleichzeitig ein Minimum an Photosynthese aufrechterhalten. Wenn solche Bedingungen über einen längeren Zeitraum andauern und die Pflanzen nicht ausreichend Wasser über ihre Wurzeln aufnehmen können, kann dies zum Absterben weiterer Pflanzen führen, insbesondere von Pflanzenarten, die nicht an solche extremen Umweltbedingungen angepasst sind .
Auf der Ebene der Ökosysteme könnte auch die drastisch verringerte Verdunstung von Wasser aus den Blättern zu späteren Tageszeiten die Temperaturen beeinflussen. Diese Wasserverdunstung kühlt typischerweise die Luft und der Kühleffekt wird im Vergleich zu normalen Bedingungen geringer sein. Das könnte sich beispielsweise negativ auf Tiere auswirken, die in diesen Ökosystemen leben, und natürlich auch in Städten spürbare Auswirkungen haben. Es könnte auch zu Rückkopplungseffekten kommen, bei denen Dürren aufgrund der geringeren Verdunstung verstärkt werden.
Die Forschungsgruppe, an der Sie beteiligt waren, hat für die Studie Daten von geostationären Satelliten ausgewertet. Dabei handelt es sich um Satelliten, die sich immer über derselben Stelle der Erdoberfläche befinden. Was macht diese Satelliten für Ihre Forschung so wertvoll?
Geostationäre Satelliten werden seit Jahrzehnten für Kommunikationszwecke und Wetterbeobachtungen (z. B. Hurrikane und Wirbelstürme) eingesetzt, für die Vegetationsforschung hatten sie jedoch nur begrenzten Nutzen. Die neueren geostationären Satelliten sind mit Sensoren ausgestattet, die auch den Teil des elektromagnetischen Spektrums abdecken, der zur Beobachtung der Vegetation erforderlich ist.
Auch wenn die räumliche Auflösung dieser geostationären Satelliten nicht so hoch ist wie die „herkömmlicher“ Satelliten, haben sie den großen Vorteil, dass sie eine sehr hohe zeitliche Auflösung zwischen fünf Minuten und einer Stunde haben. Damit ist es uns möglich, relevante Messungen kontinuierlich im Tagesverlauf durchzuführen, was sonst nur mit Messtürmen auf der Erdoberfläche möglich ist.
Mit dieser Technologie können Forscher auch unter wolkenlosen Bedingungen deutlich mehr Messungen durchführen. Dies ist auch wichtig für Studien, die mit saisonalen Zeitskalen arbeiten, beispielsweise zur Pflanzenphänologie, und ist von entscheidender Bedeutung in Regionen mit größerer Wolkenbedeckung wie den Tropen, die eine wesentliche Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf spielen.
Künftig wird es ein Netzwerk mehrerer geostationärer Satelliten geben, die ähnliche Messungen durchführen und nahezu den gesamten Globus abdecken. Einer davon wird der ESA-Satellit Sentinel-4 sein, der im nächsten Jahr im Rahmen des äußerst erfolgreichen Copernicus-Programms in die Umlaufbahn geschickt wird.
Mehr Informationen:
Xing Li et al., Geostationärer Satellit der neuen Generation zeigt weit verbreiteten Mittagsrückgang bei der Photosynthese in Trockengebieten während der Hitzewelle im Westen der USA im Jahr 2020, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi0775