植物生產力的異常飆升可能預示著土壤水分即將嚴重流失。美國國家航空暨太空總署（NASA）的衛星對這種微妙的光亮進行了跟踪，為不同地形的潛在山洪暴發提供了預警。 2012年夏天，美國大部分地區在幾乎沒有任何徵兆的情況下迅速遭受旱災，這是自20世紀30年代長達數年的”沙塵暴”以來美國遭受的範圍最廣的旱災之一。

美國國家航空暨太空總署（NASA）的科學家發現，衛星追蹤的植物螢光可以提前幾個月預測爆發的乾旱，從而幫助緩解乾旱並了解乾旱期間碳循環的影響。資料來源：美國國家航空暨太空總署科學視覺化工作室

極端高溫烘乾了土壤和植物中的水分，引發了”閃電乾旱”，導致大面積農作物歉收，經濟損失超過300 億美元。

典型的乾旱可能會持續數季，而爆發的乾旱則以快速乾燥為特徵。它們可以在幾週內形成，而且很難預測。在最近的一項研究中，美國國家航空暨太空總署南加州噴射推進實驗室的科學家們領導的研究小組能夠在爆發式乾旱到來之前快速檢測到。未來，這種提前預報將有助於減輕災害。

他們是如何做到的？答案是追隨光芒。

在肯塔基州西部的一塊田地裡，一台機器正在噴灑覆蓋作物，為播種季節做準備。美國國家航空暨太空總署（NASA）的科學家們正在利用天基工具來幫助預測近年來造成嚴重農業損失的快速、隱密的乾旱。圖片來源：美國農業部/Justin Pius

太空訊號

在光合作用過程中，當植物吸收陽光將二氧化碳和水轉化為食物時，葉綠素會”洩漏”一些未使用的光子。這種微弱的光稱為太陽誘導螢光（SIF）。螢光越強，表示植物從大氣中吸收的用於生長的二氧化碳越多。

雖然肉眼看不到這種輝光，但美國國家航空暨太空總署（NASA）的軌道碳觀測站-2（OCO-2）等衛星上的儀器可以偵測到。 OCO-2 於2014 年發射，在生長季節觀測了美國中西部的螢光。

生長中的植物發出一種光，可以被在地球上空數百英里軌道上運行的NASA 衛星偵測到。在這張描繪平均年份的圖像中，北美部分地區似乎閃爍著螢光。灰色表示很少或沒有螢光的區域；紅色、粉紅色和白色表示高螢光。資料來源：美國太空總署科學視覺化工作室

研究人員將多年的螢光數據與2015 年至2020 年美國5 月至7 月間發生的災害清單進行了比較。他們發現了一種骨牌效應：在爆發前的幾週和幾個月裡，隨著天氣變得溫暖乾燥，植被開始茁壯成長。蓬勃生長的植物在當時發出了異常強烈的螢光訊號。

但是，這些植物逐漸減少了土壤中的水分供應，從而帶來了風險。當極端氣溫來襲時，原本就很低的水分含量急劇下降，幾天之內就出現了爆發的乾旱。

研究團隊將螢光測量結果與NASA 的SMAP 衛星提供的水分資料進行了關聯。 SMAP是Soil Moisture Active Passive的縮寫，它透過測量地球表面自然微波輻射的強度來追蹤土壤水分的變化。

科學家發現，這種不尋常的螢光模式與爆發前6 到12 週內土壤水分損失的相關性極高。從美國東部的溫帶森林到大平原和西部灌木林，不同的地形都出現了一致的模式。

因此，植物螢光”有望成為一種可靠的閃電乾旱預警指標，為採取行動提供足夠的準備時間”，JPL地球科學家、近期研究的主要作者尼古拉斯-帕拉祖說。

國家氣象局觀測辦公室的科學家喬丹-格思（Jordan Gerth）沒有參與這項研究，他說，鑑於我們的氣候不斷變化，他很高興看到有關乾旱的研究工作。他指出，只要有可能，農業就能從可預測性中獲益。

格爾特說，雖然預警無法消除爆發造成的影響，但”如果有幾周到幾個月的準備時間，擁有先進經營方式的農民和牧場主可以更好地利用灌溉用水，減少對作物的影響，避免種植可能歉收的作物，或種植不同類型的作物，以達到最理想的產量”。

追蹤碳排放

除了試圖預測爆發的乾旱，科學家也想了解這些乾旱對碳排放的影響。

透過光合作用將二氧化碳轉化為食物，植物和樹木成為碳”匯”，從大氣中吸收的二氧化碳多於它們釋放的二氧化碳。包括農田在內的多種生態系統都在碳循環中發揮作用–碳原子在陸地、大氣和海洋之間不斷交換。

科學家利用OCO-2 號衛星的二氧化碳測量數據和先進的電腦模型追蹤了爆發前後植被對碳的吸收。受熱脅迫的植物從大氣中吸收的二氧化碳較少，因此研究人員預計會發現更多的遊離碳。但他們發現的卻是一種平衡行為。

與正常情況相比，閃電乾旱發生前的溫暖氣溫誘使植物增加碳吸收量。平均而言，這種反常的吸收量足以完全抵消因隨後的高溫條件而減少的碳吸收量。這項驚人發現有助於改進碳循環模型預測。

今年夏天是OCO-2 號衛星在軌道上運行的第10 個年頭，它利用三台類似相機的光譜儀探測二氧化碳獨特的光訊號，繪製自然和人為二氧化碳濃度和植被螢光圖。它們透過追蹤特定氣柱中二氧化碳吸收反射太陽光的程度來間接測量這種氣體。

編譯來源：ScitechDaily