Jülicher Forscher wollen zweimal hoch hinaus

Fluoreszenz verrät die Effizienz der grünen Lunge

Was für den Menschen als Luftschadstoff gilt, ist für Pflanzen überlebensnotwendig: Sie nutzen das Treibhausgas Kohlendioxid mithilfe der Photosynthese für ihr Wachstum. Wie hoch die Kapazität dieser "grünen Lunge" ist, konnten Wissenschaftler bisher aber nur abschätzen. In dem ESA-Projekt FLEX (FLuorescence EXplorer) wollen Jülicher Forscher mit Kollegen aus 13 Ländern das ändern. Von einem Satelliten aus wollen sie die Fluoreszenz der grünen Pflanzen von einem Satelliten aus messen und daraus die Photosyntheserate bestimmen.

"Bisher messen Wissenschaftler den "Grünheitsgrad" von Pflanzen. Sie bestimmen also die Menge des Farbstoffs Chlorophyll, der für die Photosynthese vorhanden ist. Daraus lässt sich dann errechnen, wie viel Kohlendioxid global durch die Photosynthese aufgenommen wird", sagt Dr. Uwe Rascher vom Jülicher Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre. "Das kann aber irreführend sein." Denn auch wenn der grüne Blattfarbstoff vorhanden ist, können Umweltbedingungen wie Trockenzeiten oder extreme Temperaturen die Photosynthese herunterregeln.

Diese dynamische Regelung der Photosynthese lässt sich bis heute nicht auf globalem Ma?stab erfassen. Hingegen steht die Fluoreszenz des Blattgrüns ("Chlorophylls") in direktem Zusammenhang mit der Photosyntheserate, also der Effizienz der Photosynthese. Bestrahlt man Blätter mit Laserlicht, lässt sich aus dem dann fluoreszierten Licht die Photosyntheseaktivität und Kohlendioxidaufnahme bestimmen.

"Für die Untersuchungen von einem Satelliten können wir nicht Blatt für Blatt mit dem Laser beschießen, allerdings führt auch das gewöhnliche Sonnenlicht zu einem Fluoreszenzsignal", erklärt Rascher. "Damit das Sonnenlicht dieses Signal nicht überstrahlt, messen wir in einem speziellen Bereich des Sonnenspektrums von nur einem Zehntel Nanometer Breite – den "Fraunhofer-Linien" – in dem das Sonnenlicht ausgelöscht ist." Ob und wie stark andere Prozesse als die Photosynthese das Signal in dem Bereich beeinträchtigen, werden die Forscher während der Vorstudien von FLEX klären.

Scharfer Blick auf die Spurengase in der Atmosphäre

Kleine Menge, große Wirkung – das gilt für Spurengase in der Atmosphäre wie etwa Ozon oder Wasserdampf und ihren Einfluss auf das Klima. In dem ESA-Projekt Premier (PRocess Exploitation through Measurement of Infrared milimetre-wave Radiation) wollen Jülicher Forscher zusammen mit Wissenschaftlern aus 15 Ländern bestimmen, wie sich verschiedenste Spurengase in der Atmosphäre ausbreiten. Genaue Informationen über solche dynamischen Prozesse, Strömungen und Wolkenbildung sind nötig, um Klimaänderungen besser vorherzusagen. Sie können zudem die Basis mittelfristiger Wettervorhersagen sein.

"Der Tropopausenbereich der Atmosphäre zwischen 10 und 18 Kilometern hat großen Einfluss auf das Klima, ist messtechnisch aber nur schwer zugänglich", sagt Prof. Martin Riese vom Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre. "Für kleine Bereiche gibt es zwar detaillierte Datensätze, globale Messungen hingegen sind sehr grob aufgelöst." PREMIER soll erstmals detaillierte Bilder dieser Zone mit einer rund zehnmal höheren räumlichen Auflösung liefern als bisherige Systeme. Dazu kombinieren die Wissenschaftler eine Infrarotkamera mit einem Michelson- Spektrometer. Anhand ihrer Infrarotstrahlung lassen sich so bis zu 40 verschiedene Gase unterscheiden und ihre räumliche Verteilung beobachten.

Eine erste Version des Instruments für den Flugbetrieb bauen die Jülicher Forscher mit Kollegen des Forschungszentrums Karlsruhe bereits. Es wird ab 2009 auf dem Forschungsflugzeug HALO seine Arbeit aufnehmen. Eine Herausforderung dabei war unter anderem die Datenmenge, die anfällt. "Es geht um rund ein halbes Terabyte pro Stunde, das entspricht der Speicherkapazität von 100 DVDs", sagt Riese. "Das können wir aber nun erfassen, auslesen und mit unserem Jülicher Supercomputer JUBL auswerten." Die Flugzeugdaten bieten damit auch einen realistischen Test der komplexen Auswertealgorithmen für die Satellitenmission PREMIER.