Gepubliceerd op 4 juni 2020
Het begrijpen en modelleren van de water- en koolstofkringlopen op mondiaal niveau zijn fundamentele uitdagingen voor een duurzame verbetering van ons milieu.
Laten we op deze Wereldmilieudag het STEREO-project STR3S eens van naderbij bekijken. De resultaten van dit project zullen ongetwijfeld onze kennis van de interacties tussen klimaat en vegetatie verbeteren. Of beter gezegd: plantenfluorescentie kan licht werpen op het functioneren van ecosystemen. Het gaat hier immers om het meten van de fluorescentie van chlorofyl, deze subtiele straling die planten uitzenden als ze fotosynthetisch actief zijn.
Wanneer planten niet aan stress worden blootgesteld, zenden hun fotosynthetische reacties namelijk vaag licht uit met een golflengte tussen rood en nabij-infrarood, fluorescentie genaamd. Het wordt over het algemeen over het hoofd gezien omdat het wordt in het niets valt bij de weerkaatsing van zonlicht op planten.
Van huidmondjes tot droogte
De bladeren van planten hebben kleine gaatjes die huidmondjes worden genoemd. Via deze openingen kan de CO2 opgenomen worden die noodzakelijk is voor fotosynthese. Tegelijkertijd gaat het water in de bladeren door verdamping in de atmosfeer verloren door een proces dat "transpiratie" wordt genoemd.
De totale hoeveelheid water die door transpiratie van planten in de atmosfeer terechtkomt, is uiterst belangrijk. Op wereldschaal zijn de hoeveelheden "verloren" water groter dan alle hoeveelheden water die via rivieren de oceanen in stromen. We zetten aanhalingstekens rond "verloren" omdat deze waterstromen allesbehalve nutteloos zijn. Transpiratie heeft fundamentele functies, zowel op schaal van de individuele plant als wereldwijd.
Transpiratie zorgt ervoor dat voedingsstoffen in planten getransporteerd kunnen worden van de grond naar de bladeren. Het werkt ook als airconditioning wanneer de plant wordt blootgesteld aan hoge temperaturen. Op grotere schaal koelt transpiratie de omgeving af en kan het wolk en regen veroorzaken. Bovendien tonen recente studies aan dat transpiratie de ontwikkeling van droogte en hitte beïnvloedt, zelfs honderden kilometers verderop.
Fluorescentie en de watercyclus
Als we de dynamiek van de waterkringloop op mondiaal niveau beter willen begrijpen, is het essentieel om het transpiratieproces beter te begrijpen. Een belangrijk probleem staat echter de wetenschappelijke vooruitgang in de weg: transpiratie is een onzichtbaar proces dat niet vanuit de ruimte kan worden gedetecteerd en dat daarom op mondiaal niveau weinig bekend is.
De recente vooruitgang op het gebied van fotosynthese-teledetectie heeft echter nieuwe hoop gewekt. Fotosynthese kan nu rechtstreeks worden gemeten met behulp van satellietwaarnemingen van de chlorofylfluorescentie, vastgelegd door zeer specifieke sensoren.
Aangezien transpiratie en fotosynthese gesynchroniseerd zijn, is het ook mogelijk om gegevens over transpiratie te extraheren uit deze fluorescentie-waarnemingen? Deze vraag stond centraal in het STEREO-verkenningsproject STR3S.
De onderzoekers van dit ambitieuze project bestudeerden daarom het potentieel van de fluorescentiesignalen die door satellieten worden waargenomen om transpiratie te schatten. Ze richtten zich vooral op ecosystemen die onderhevig zijn aan droogtestress, waarvoor het begrijpen van transpiratiereacties cruciaal is voor de overleving van planten.
Uit het onderzoek bleek dat er een sterke empirische link is tussen de vanuit de ruimte gedetecteerde fluorescentiesignalen en transpiratie. Dankzij een geavanceerd model dat de biologische processen van planten imiteert, is de mechanistische relatie tussen transpiratie van planten en fluorescentie diepgaand bestudeerd. De resultaten geven aan dat deze relatie voornamelijk wordt geregeld door de luchttemperatuur. De variabiliteit van de temperatuur helpt immers bij het verklaren van de hoeveelheden water die in de atmosfeer verloren gaan wanneer een fluorescentiesignaal met een specifieke intensiteit wordt waargenomen.
Het STR3S-project wees ook op de hiaten in de weergave van transpiratie door de huidige klimaatmodellen. Deze hiaten kunnen in de nabije toekomst worden opgevuld met de lancering van satellieten en sensoren om fluorescentie vanuit de ruimte te meten en nauwkeurige schattingen te genereren van grootschalige transpiratie. Dit zal nuttig zijn voor meerdere toepassingen, variërend van verhoogde voorspelbaarheid van extreme temperaturen tot het kwantificeren van irrigatiebehoeften in voedselproductiesystemen of het beheren van watervoorraden tijdens droogtes.