科学家欲绘制荧光地图评估全球碳收支状况

叶绿素荧光可以被检测到。资料来源:IBG-2的机载传感器Hy工厂

这是一堂小学课:阳光洒在树叶上，催化二氧化碳，二氧化碳被吸收并固定在大气中的糖分子中。然而，还有一个令人惊讶的额外描述:树叶将重新发出1%的阳光，并发出红色光晕。

几十年来，植物生理学家已经对叶绿素荧光有了一定的了解。但是直到最近几年，科学家才开始能够描绘太空中如此微弱的信号。现在，科学家们正计划使用美国国家航空航天局将于7月1日发射的轨道碳观测卫星(OCO-2)来更清晰地观测叶绿素荧光。

耗资4.68亿美元的OCO-2将取代五年前坠入大海的碳观测卫星。事实上，荧光光谱不是OCO-2最初任务的一部分。然而，其项目团队的许多成员表示，荧光绘图已经成为项目的任务之一。"在我看来，这是卫星最具创新性和革命性的观测任务."任务的项目科学家，美国喷气动力实验室(JPL)的迈克·冈森说。

光合作用的其他变量(例如绿色度和叶面积)也可能导致问题:例如，一个常绿的森林全年都是常绿的，即使它在冬天吸收很少的二氧化碳。相比之下，植物只有在光合作用发生时才会发出荧光，所以这种光直接反映了植物吸收的碳量。准确的荧光地图将纠正全球碳收支的错误，并为评估生态系统在气候变化引起的干旱和热应力下的表现提供新的工具。

OCO的首席研究员、JPL的大卫·克里斯普说，使用卫星绘制这样的地图的能力是OCO替代品漫长等待中的一线希望。“我们甚至不知道我们可以采取这样的措施，这将告诉我们在哪里采取行动。”他说。

2009年发射几分钟后，搭载OCO的金牛座XL火箭的护盾未能打开，卫星最终坠入太平洋。对气候学家来说，这次失败的打击是毁灭性的。他们希望卫星能够补充地面不均匀的二氧化碳测量。OCO计划绘制二氧化碳的来源和汇。一些科学家指出，该卫星还将有助于检测各国是否遵守减排要求。

从那以后，研究人员一直在寻求更换卫星的政治支持。到2010年，JPL已经批准并划拨资金建造OCO-2，该卫星已经做出了一些可能的改变。然而，在2011年，金牛座XL火箭在运输另一颗美国宇航局卫星时遭遇了类似的失败。

美国宇航局已经受够了:它决定将OCO-2交给德尔塔二号火箭。这迫使OCO-2小组推迟了计划。与此同时，该团队发现了旋转惯性轮的一个问题，这个问题在2013年使行星猎人开普勒陷入瘫痪。因此，研究小组有足够的时间更换车轮。

与此同时，叶绿素荧光的科学时代也即将到来。2009年，日本航空研究开发机构发射了温室气体观测卫星(GOSAT)。GOSAT无法像OCO-2那样绘制二氧化碳的详细地图，但它有类似的光谱分辨率，即梳理反射阳光的能力。利用GOSAT的数据，几个研究小组意识到，要在云和气溶胶的干扰下测量二氧化碳，他们无论如何都必须识别(并减去)荧光信号。“正如我们所说，一个人的噪音是另一个信号。”这项技术的先驱之一，美国宇航局戈达德太空飞行中心的遥感科学家乔安娜·儒瓦内说。

GOSAT和OCO-2的相关绘图能力可以显示特定地区二氧化碳的净交换。通过荧光信号，研究人员可以深入探索和获得净交换的两个组成部分:光合作用的碳吸收和呼吸的碳排放。此外，他们可以观察这些因素在不同气候条件下随时间的演变。GOSAT的数据已经提供了线索:发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究指出，美国玉米带的峰值荧光比世界其他地区更亮，气候模型可能低估了该地区50%~75%的碳吸收。

荧光测量也将有助于解决关于亚马逊雨林如何应对干旱的长期争议。一些科学家认为亚马逊密林中的光合作用不受水的限制，而是受光的限制，所以干旱期间增加光照可以带来“绿化”。《皇家学会杂志》2013年发表的一篇论文指出，GOSAT的数据显示，在旱季，亚马逊雨林某些地区的荧光减弱，甚至叶面积指数也达到了最高点。

相关的应用也将超出气候科学的范围。OCO-2的分辨率约为2000米。在亚千米的空间分辨率下，荧光成像仪将评估拼接田地中不同作物的生产力。这将为全球粮食生产以及它们如何应对干旱或热浪提供更准确的地图——这是适应气候变化的宝贵信息。欧洲航天局(ESA) FLEX项目的科学家马蒂亚斯·德鲁士问道，“在不断变化的气候中，我们在正确的地方种植了正确的作物吗？”

克里斯普知道完成这些任务有多难。他说自从2001年第一次向美国国家航空和宇宙航行局提交OCO计划以来，他每周工作80个小时。尽管他担心未来的卫星发射，他仍然计划在范登堡空军基地发射场观看。“我们已经尽力了。”他说，“我希望我们做了正确的事情。我真的希望它能起飞。”(张张)

《中国科学新闻》(国际，第三版，2014年6月25日)

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