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Satelliten erfassen Photosynthese mit hoher Auflösung

13.10.2017

Das Klima wird wesentlich vom globalen Kreislauf des Kohlenstoffs beeinflusst. Pflanzen entziehen durch Photosynthese klimaschädliches Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre und bauen dies in Biomasse ein, als Energie- und Rohstofflieferant für höhere Lebewesen. Doch wie viel atmosphärisches Kohlendioxid wird wo, wann und in welchen Ökosystemen umgesetzt? Diese Frage kann nun mit Hilfe des NASA-Satelliten OCO-2 sehr viel präziser und flächendeckender beantwortet werden. Eine Forschergruppe mit Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Potsdam – GFZ und des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie, Jena, nutzte hierfür die verbesserte Erfassung der solarinduzierten Chlorophyll-Fluoreszenz durch OCO-2.

Ohne die Photosynthese ist das Leben auf der Erde nicht vorstellbar. Sie liefert Sauerstoff und Nahrung für höhere Lebewesen. Und sie spielt eine maßgebliche Rolle im Klimageschehen, denn über diesen Prozess wird Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre aufgenommen und in Biomasse gebunden. Welche CO2-Mengen genau durch die Photosynthese auf der Skala einzelner Ökosysteme bis hin zum globalen Maßstab umgesetzt werden, ist nicht genau bekannt.


Die Abbildung zeigt die monatliche Chlorophyll-Fluoreszenz (SIF), erhoben von verschiedenen Satelliteninstrumenten

GFZ/Philipp Köhler

Ein wichtiger Fortschritt ist nun einem internationalen Forscherteam gelungen: Sie nutzten Daten des NASA-Satelliten „OCO-2“ (Orbiting Carbon Observatory 2), um die sogenannte solarinduzierte Chlorophyll-Fluoreszenz, abgekürzt SIF, zu messen – und zwar mit einer wesentlich höheren räumlichen Auflösung als es bislang mit Satellitenmöglich war. Das SIF-Signal ist ein natürliches Phänomen von Blättern im Sonnenlicht:

Sobald ein Chlorophyll-Molekül durch ein Photon angeregt wird, sendet es – sehr schwach aber dennoch messbar - eine Fluoreszenzstrahlung aus, mit Wellenlängen zwischen 660 und 850 Nanometern. Diese SIF-Fluoreszenzstrahlung ist damit ein Anzeiger für die Photosynthese-Aktivität der Pflanzen. Die stark verbesserten Messungen tragen dazu bei, den globalen Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen, lautet das Fazit der Autoren um Ying Sun vom Jet Propulsion Laboratory der NASA im Fachmagazin „Science“.

An der Studie sind auch zwei Wissenschaftler aus Deutschland beteiligt: Martin Jung vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC) in Jena und Luis Guanter vom Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ).

Die große Stärke der SIF-Messungen durch den OCO-2-Satelliten liegt in der sehr
hohen räumlichen Auflösung. „Vor dem Start von OCO-2 im Jahr 2014 gab es zwar bereits globale SIF-Karten, doch deren räumliche Auflösung war sehr grob, die kleinsten Messeinheiten (Pixel) waren im besten Fall 50 mal 50 Kilometer groß“, sagt GFZ-Forscher Luis Guanter.

Die neuen Daten, die zum ersten Mal durch unabhängige Vergleichsmessungen am Boden validiert werden können, sind viel genauer und umfangreicher. „Sie erlauben zudem, den Zusammenhang zwischen SIF und der primären Biomasseproduktion, also der Fixierung von Kohlenstoff in Pflanzen, weitaus präziser zu erforschen als es bisher möglich war.“

Dabei fanden die Forscher heraus, dass die Beziehung zwischen Photosyntheseleistung und SIF wesentlich enger ist als bisher bekannt und dies über verschiedene Vegetationstypen wie Felder, Wälder und Graslandschaften hinweg. „Präzise Messungen der solarinduzierten Chlorophyll-Fluoreszenz, wie sie mit OCO-2 möglich sind, aber auch mit Nachfolgemissionen wie dem europäischen Satelliten Sentinel-5P, der zufällig jetzt am 13. Oktober starten soll, ermöglichen es der Wissenschaft, die primäre Biomasseproduktion und deren Anteil am globalen Kohlenstoffkreislauf besser zu bestimmen“, sagt Guanter.

„Mit solchen verbesserten Satellitendaten können wir erstmals globale SIF-Messungen mit Daten zur Kohlenstoffaufnahme einzelner Ökosysteme, die vor Ort erhoben wurden, miteinander verknüpfen“, sagt Martin Jung vom MPI-BGC. „Daraus ergibt sich ein großes Potenzial, globale Abschätzungen zur Photosyntheseleistung und zu Stoffumsätzen zwischen Festland und Atmosphäre, die maßgeblich für das System Erde sind, zu verbessern.“

Dies ist eine gemeinsame Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) und des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie (MPI-BGC).

Originalstudie:
Y. Sun, C. Frankenberg, D.S. Schimel, D.T. Drewry, T.S. Magney, K. Yuen, C. Frankenberg, P. Köhler, M. Jung, L. Guanter, D.T. Drewry, M. Verma, A. Porcar-Castell, T.J. Griffis, L. Gu, B. Evans, 2017. "OCO-2 advances photosynthesis observation from space via solar-induced chlorophyll fluorescence," Science. DOI: 10.1126/science.aam5747

Pressekontakt:
Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Josef Zens, Ltr. Abteilung Kommunikation und Medien
E-Mail: Josef.Zens@gfz-potsdam.de
Tel.: 0331 / 288-1040

Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC), Jena
Eberhard Fritz, Forschungskoordinator, Leiter Presse und ÖA
E-Mail: efritz@bgc-jena.mpg.de
Tel.: 03641/ 57-6800

Weitere Informationen:

https://www.bgc-jena.mpg.de/www/index.php/Main/HomePage Max-Planck-Institut für Biogeochemie
http://www.gfz-potsdam.de/startseite/ Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Dr. Eberhard Fritz | Max-Planck-Institut für Biogeochemie

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