A new observable from space: SIF (S

A new observable from space: SIF (Solar-Induced chlorophyll Fluorescence)

2014: Remote sensing of terrestrial vegetation fluorescence from space is of great interest because it can potentially provide global coverage of the functional status of vegetation. For example, fluorescence observations may provide a means to detect vegetation stress before chlorophyll reductions take place. Although there have been many measurements of fluorescence from ground- and airborne-based instruments, there has been scant information available from satellites. 21)

Photosynthesis is the conversion by living organisms of light energy into chemical energy and fixation of atmospheric carbon dioxide into sugars; it is the key process mediating 90% of carbon and water fluxes in the coupled biosphere-atmosphere system.

Until about 2010, most of the information that has been acquired by remote sensing of the Earth's surface about vegetation conditions has come from reflected light in the solar domain. There is, however, one additional source of information about vegetation productivity in the optical and near-infrared wavelength range that has not been globally exploited by satellite observations. This source of information is related to the emission of fluorescence from the chlorophyll of assimilating leaves; part of the energy absorbed by chlorophyll cannot be used for carbon fixation and is thus re-emitted as fluorescence at longer wavelengths (lower energy) with respect to the absorption.

The fluorescence signal originates from the core complexes of the photosynthetic machinery where energy conversion of APAR (Absorbed Photosynthetically Active Radiation) occurs. Because the photosynthetic apparatus is an organized structure, the emission spectrum of fluorescence that originates from it is well known; it occurs as a convolution of broadband emission from 650 to 800 nm with two peaks in the VNIR (Visible and Near-Infrared) at 685 and 740 nm, respectively, as shown in Figure .

GOSAT_Auto19

Figure 10: Simulated solar-induced fluorescence as a function of the emission wavelength with locations of oxygen absorption bands and several solar Fraunhofer lines including the KI line used here (image credit: NASA, NIES)

The measurement of SIF (Solar-Induced chlorophyll Fluorescence) from space is challenging, because its signal (typically 1–5% in NIR) must be differentiated from the much larger reflectance signal. SIF has been detected from ground- and airborne-based instrumentation by exploiting the fact that SIF is a proportionally larger fraction of the total radiance within dark lines and bands of the atmospheric spectrum. These dark features include both very narrow solar Fraunhofer lines and wider telluric absorption features such as the O2-B band at 687 nm and the O2-A band near 760 nm.

The only spaceborne detection of SIF to date was achieved by Guanter et al. (2007) with the MERIS (MEdium Resolution Imaging Spectrometer) on Envisat. MERIS has two channels near the O2-A band, one near the peak absorption at 760.6 nm with a 3.75 nm bandwidth, and one used as a reference band in the nearby continuum at 753.8 nm. MERIS makes measurements at a moderate spatial scale for land studies (better than 300 m/pixel in its Full Resolution mode). 22)

The GOSAT research team (Ref. 21) used high-spectral resolution data from the TANSO-FTS instrument on GOSAT near the 770 nm Fraunhofer line to derive chlorophyll fluorescence and related parameters such as the fluorescence yield at that wavelength. TANSO-FTS measures backscattered solar radiation in three bands centered at 0.76, 1.6, and 2.0 µm in two perpendicular polarizations (referred to as P and S). It has a nadir ground footprint of 10.5 km diameter. Chlorophyll fluorescence can be measured within band 1 that extends from approximately 758-775 nm and encompasses the O2-A band. The primary function of the O2-A band for GOSAT is to account for the effects of cloud and aerosol within the CO2 and CH4 bands.

The research team performed monthly mean scaled SIF measurements with TANS-FTS during the growing season of 2009 in July and December on a global scale. The expected seasonal variation is definitively shown, namely, higher Northern Hemisphere terrestrial activity in July versus higher activity in the Southern Hemisphere in December.

There is indeed evidence that high-resolution spectrometers enable new avenues in global carbon cycle research, including the first accurate retrievals of chlorophyll fluorescence from space as an indicator of photosynthetic activity. 23)

During photosynthesis, part of the solar radiation absorbed by chlorophyll is re-emitted at longer wavelengths (fluorescence). Using new, high-resolution spectrometers, this chlorophyll fluorescence from space now be measured, which can, in turn, be used to quantify photosynthetic activity and efficiency globally. Such measurements are important to reduce uncertainties in the global carbon cycle. Indeed, the ability to control the Earth's carbon budget in a warming climate depends critically on knowing where, when, and how CO2 is exchanged between the land and atmosphere. The GPP (Gross Primary Production), that is the gross uptake of atmospheric CO2 through photosynthesis, constitutes the largest flux component in the global carbon budget. However, considerable uncertainties remain in GPP estimates and its seasonality.

The OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory-2) mission of NASA will be launched in July 2014. The spectrometer aboard OCO-2 will make precise measurements of carbon dioxide in the atmosphere, recording 24 observations/s versus GOSAT's single observation every four seconds, resulting in almost 100 times more observations of both carbon dioxide and fluorescence than GOSAT. It is expected that the OCO-2's fluorescence data will extend the GOSAT time series and allow the project to observe large-scale changes to photosynthesis in a new way. 24)

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

Observable ใหม่จากพื้นที่: SIF (เกิดแสงคลอโรฟิลล์ Fluorescence)2014: fluorescence พืชบกทั้งหลายจากพื้นที่ของแชมพูคือน่าสนใจดี เพราะมันอาจสามารถให้ครอบคลุมทั่วโลกของสถานะการทำงานของพืช ตัวอย่าง fluorescence สังเกตอาจมีวิธีการตรวจสอบความเครียดของพืชก่อนใช้คลอโรฟิลล์ลด แม้ว่ามีหลายวัด fluorescence จากพื้นดิน และทางอากาศใช้เครื่องมือ มีข้อมูลไม่เพียงพอพร้อมใช้งานจากดาวเทียม 21)การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นการแปลง โดยสิ่งมีชีวิตอาศัยพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมีและปฏิกิริยาการตรึงของบรรยากาศคาร์บอนไดออกไซด์ลงในน้ำตาล เป็นกระบวนการสำคัญที่เป็นสื่อกลาง 90% ของ fluxes คาร์บอนและน้ำในระบบควบคู่ชีวบริเวณบรรยากาศประมาณ 2553 ข้อมูลที่ได้มา โดยการตรวจวัดระยะไกลของพื้นผิวของโลกเกี่ยวกับสภาพพืชพรรณ ส่วนใหญ่ได้มาจากแสงสะท้อนในโดเมนที่พลังงานแสงอาทิตย์ มีอยู่ แต่ แหล่งข้อมูลเกี่ยวกับผลผลิตของพืชในช่วงความยาวคลื่นแสง และใกล้อินฟราเรดที่มีไม่ได้ทั่วโลกไปดาวเทียมสังเกตการณ์เพิ่มเติม แหล่งข้อมูลนี้เกี่ยวข้องกับมลพิษของ fluorescence จากคลอโรฟิลล์ของ assimilating ใบ ส่วนพลังงานดูดซึม โดยคลอโรฟิลล์ไม่สามารถใช้สำหรับปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอน และใหม่จึงออกมาเป็น fluorescence ที่ (พลังงาน) ความยาวคลื่นยาวเกี่ยวกับการดูดซึมFluorescence สัญญาณที่กำเนิดจากสิ่งอำนวยความสะดวกหลักของเครื่องจักร photosynthetic ที่แปลงพลังงานของ APAR (ดูดซึม Photosynthetically Active รังสี) เกิดขึ้น เพราะ โครงสร้างการจัดระเบียบเครื่อง photosynthetic จำนวนมาก fluorescence ที่เกิดจากมลพิษจะรู้จัก เกิดเป็น convolution ของมลพิษบรอดแบนด์จาก 650 ไป 800 nm มีสองยอดในการ VNIR (ที่มองเห็นและอินฟราเรดใกล้) ที่ 685 และ 740 nm ตามลำดับ แสดงในรูปGOSAT_Auto19รูปที่ 10: จำลองเกิดแสง fluorescence เป็นฟังก์ชันของความยาวคลื่นเล็ดรอดกับตำแหน่งของวงดูดซึมออกซิเจนและหลายอาทิตย์เส้นฟรอนโฮเฟอร์รวมบรรทัดกี่ที่ใช้ที่นี่ (เครดิตภาพ: นาซ่า NIES)วัด SIF (เกิดแสงคลอโรฟิลล์ Fluorescence) จากพื้นที่เป็นความท้าทาย เนื่องจากต้องแยกแยะจากมากใหญ่แบบสะท้อนแสงสัญญาณ (โดยปกติ 1-5% ใน NIR) ของสัญญาณ SIF มีการตรวจพบจากเครื่องมือวัด และอากาศภาคพื้น โดย exploiting จริงว่า SIF เป็นเศษส่วนใหญ่สัดส่วนของหน้ารวมรายการเข้มและวงดนตรีของคลื่นบรรยากาศ คุณลักษณะเหล่านี้เข้มรวมทั้งเส้นฟรอนโฮเฟอร์แสงแคบมากและลักษณะการทำงานดูดซึม telluric กว้างเช่นวง O2 B ที่ 687 nm และวง O2 A ใกล้ 760 nmตรวจ spaceborne เฉพาะของ SIF วันสำเร็จโดย Guanter et al. (2007) กับ MERIS (สื่อความละเอียดภาพสเปกโตรมิเตอร์) บน Envisat MERIS มีสองช่องทางใกล้วง O2 A หนึ่งใกล้การดูดซึมสูงสุดที่ 760.6 nm มีแบนด์วิธ nm ที่ 3.75 และใช้เป็นอ้างอิงวงดนตรีในความต่อเนื่องใกล้เคียงที่ 753.8 nm MERIS ทำให้วัดที่เป็นขนาดพื้นที่ปานกลางศึกษาที่ดิน (ดีกว่า m 300 pixel ในโหมดความละเอียดของ) 22)ทีมวิจัย GOSAT (อ้างอิง 21) ใช้ข้อมูลความละเอียดสูงสเปกตรัมจากมือ TANSO FTS บน GOSAT ใกล้เส้นฟรอนโฮเฟอร์ nm 770 เพื่อมา fluorescence คลอโรฟิลล์และพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องเช่นผลผลิต fluorescence ที่ความยาวคลื่นที่ TANSO FTS วัดรังสีแสงอาทิตย์ backscattered ในสามวงแปลก ที่ 0.76, 1.6, 2.0 µm ในสอง polarizations เส้น (เรียกว่า P และ S) มีรอยเท้าพื้นจุดจอมดินของเส้นผ่าศูนย์กลาง 10.5 km สามารถวัด fluorescence คลอโรฟิลล์ภายในวง 1 ที่ขยายจากประมาณ 758-775 nm และครอบคลุมวง O2 A ฟังก์ชันหลักของวง O2 A สำหรับ GOSAT คือ บัญชีสำหรับผลกระทบของเมฆและสเปรย์ในวง CO2 และ CH4ค่าเฉลี่ยรายเดือนทีมทำวิจัยปรับ SIF วัด ด้วย TANS FTS season จะเติบโตปี 2552 ในเดือนกรกฎาคมและธันวาคมในระดับสากล การเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาลคาดแน่นอนแสดง ได้แก่ กิจกรรมภาคพื้นซีกโลกเหนือสูงขึ้นในเดือนกรกฎาคมกับกิจกรรมสูงในซีกโลกใต้ในเดือนธันวาคมแน่นอนมีหลักฐานว่า ตรวจละเอียดเปิด avenues ใหม่วิจัยวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลก รวม retrievals ถูกต้องแรกของ fluorescence คลอโรฟิลล์จากพื้นที่เป็นการบ่งชี้กิจกรรม photosynthetic 23)ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง ส่วนหนึ่งของรังสีแสงอาทิตย์ดูดซึม โดยคลอโรฟิลล์จะ emitted ใหม่ที่ความยาวคลื่นยาว (fluorescence) ใช้ตรวจใหม่ ความละเอียดสูง วัดนี้คลอโรฟิลล์ fluorescence จากพื้นที่ขณะนี้ ซึ่ง จะ ใช้วัดปริมาณกิจกรรม photosynthetic และประสิทธิภาพทั่วโลก วัดดังกล่าวมีความสำคัญเพื่อลดความไม่แน่นอนในวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลก แน่นอน ความสามารถในการควบคุมงบประมาณคาร์บอนของดินในสภาพอากาศร้อนนั้นเหลือที่รู้ เมื่อ และ วิธีมีการแลกเปลี่ยน CO2 ระหว่างดินและบรรยากาศ อย่าง (รวมหลักการผลิต), ที่ดูดธาตุอาหารรวมของบรรยากาศ CO2 ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง ถือส่วนฟลักซ์ที่ใหญ่ที่สุดในงบประมาณส่วนกลางคาร์บอน อย่างไรก็ตาม แนวมากยังคงอยู่ในการประเมินอย่างเป็น seasonalityภารกิจ OCO-2 (โคจรคาร์บอนหอดูดาว-2) ของนาซ่าจะเปิดตัวในปี 2014 เดือนกรกฎาคม สเปกโตรมิเตอร์บนเรือ OCO-2 จะทำการประเมินความแม่นยำของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ บันทึกสังเกต 24 s เทียบกับของ GOSAT เดียวสังเกตทุกสี่วินาที ในสังเกตเกือบ 100 เท่าของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และ fluorescence กว่า GOSAT คาดว่า ข้อมูล fluorescence OCO-2 ของจะขยายชุดเวลา GOSAT และอนุญาตให้โครงการสังเกตการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ในการสังเคราะห์ด้วยแสงในรูปแบบใหม่ 24)

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

ใหม่ที่สังเกตได้จากอวกาศ: SIF (พลังงานแสงอาทิตย์ชักนำให้เกิดการเรืองแสงคลอโรฟิล) 2014: การตรวจวัดระยะไกลของแสงจากพืชบกมีพื้นที่ที่น่าสนใจมากเพราะมันอาจจะให้ความคุ้มครองทั่วโลกของสถานะการทำงานของพืช ยกตัวอย่างเช่นการสังเกตการเรืองแสงอาจให้ความหมายในการตรวจสอบก่อนที่จะความเครียดพืชลดคลอโรฟิลเกิดขึ้น แม้ว่าจะมีการวัดหลายเรืองแสงจากเครื่องมือทางภาคพื้นดินและทางอากาศตามที่ได้มีการขาดแคลนข้อมูลที่มีอยู่จากดาวเทียม 21) การสังเคราะห์แสงเป็นแปลงโดยมีชีวิตของพลังงานแสงให้เป็นพลังงานทางเคมีและการตรึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศเป็นน้ำตาลนั้น มันเป็นกระบวนการที่สำคัญ mediating 90% ของคาร์บอนและฟลักซ์น้ำในระบบชีวมณฑลบรรยากาศคู่. จนถึงปี 2010 ส่วนใหญ่ของข้อมูลที่ได้มาจากการสำรวจระยะไกลของพื้นผิวของโลกเกี่ยวกับเงื่อนไขพืชได้มาจากแสงสะท้อนให้เห็นใน โดเมนแสงอาทิตย์ มี แต่แหล่งที่มาอีกหนึ่งข้อมูลเกี่ยวกับการผลิตพืชในแสงและช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้ที่ยังไม่ได้ใช้ประโยชน์ทั่วโลกโดยการสังเกตดาวเทียม แหล่งที่มาของข้อมูลนี้จะเกี่ยวข้องกับการปล่อยแสงจากคลอโรฟิลของการปรับใบ; ส่วนหนึ่งของพลังงานที่ดูดซึมโดยคลอโรฟิลไม่สามารถนำมาใช้ในการตรึงคาร์บอนและจึงใหม่ที่ปล่อยออกมาเป็นแสงในช่วงความยาวคลื่นอีกต่อไป (พลังงานต่ำกว่า) ที่เกี่ยวกับการดูดซึม. สัญญาณการเรืองแสงที่มาจากคอมเพล็กซ์หลักของเครื่องจักรการสังเคราะห์แสงที่แปลงพลังงานของ APAR (รังสีที่ใช้งานสังเคราะห์ดูดซึม) เกิดขึ้น เพราะเครื่องสังเคราะห์เป็นโครงสร้างการจัดสเปกตรัมการปล่อยแสงที่มีต้นกำเนิดมาจากมันเป็นที่รู้จักกันดี; มันเกิดขึ้นเป็นบิดการปล่อยความเร็วสูง 650-800 นาโนเมตรที่มีสองยอดใน VNIR (ที่มองเห็นได้และใกล้อินฟราเรด) ที่ 685 และ 740 นาโนเมตรตามลำดับดังแสดงในรูป. GOSAT_Auto19 รูปที่ 10: การเรืองแสงพลังงานแสงอาทิตย์ที่เกิดจำลองเป็น ฟังก์ชั่นของความยาวคลื่นที่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่มีสถานที่ของวงดนตรีที่ดูดซึมออกซิเจนและหลายบรรทัด Fraunhofer แสงอาทิตย์รวมทั้งสาย KI ที่ใช้นี่ (เครดิตภาพ: นาซ่า NIES) การวัด SIF (เรืองแสงคลอโรฟิลพลังงานแสงอาทิตย์ชักนำให้เกิด) จากพื้นที่เป็นสิ่งที่ท้าทายเพราะสัญญาณ ( โดยปกติ 1-5% ใน NIR) จะต้องแตกต่างจากสัญญาณสะท้อนที่มีขนาดใหญ่ SIF ได้รับการตรวจจากภาคพื้นดินอากาศและเครื่องมือที่ใช้โดยการใช้ประโยชน์จริงที่ว่า SIF เป็นส่วนที่มีขนาดใหญ่ตามสัดส่วนของความสดชื่นรวมภายในเส้นสีเข้มและวงดนตรีของคลื่นบรรยากาศที่ คุณสมบัติเหล่านี้รวมถึงความมืดทั้งแคบมากสาย Fraunhofer แสงอาทิตย์และกว้างคุณสมบัติการดูดซึม telluric เช่นวง O2-B ที่ 687 นาโนเมตรและวงดนตรี O2-A 760 นาโนเมตรใกล้. การตรวจจับเพียง spaceborne ของ SIF วันที่ประสบความสำเร็จโดย Guanter et al, (2007) กับ MERIS (Medium มติ Imaging Spectrometer) บน Envisat MERIS มีสองช่องทางใกล้ O2-วงหนึ่งใกล้กับการดูดซึมสูงสุดที่ 760.6 นาโนเมตรที่มีแบนด์วิดธ์ 3.75 นาโนเมตรและใช้เป็นหนึ่งในวงดนตรีที่อ้างอิงในความต่อเนื่องใกล้เคียงที่ 753.8 นาโนเมตร MERIS ทำให้การวัดในระดับปานกลางเชิงพื้นที่เพื่อการศึกษาที่ดิน (ดีกว่า 300 เมตร / พิกเซลในโหมดความละเอียดเต็มของมัน) 22) ทีมวิจัย GOSAT (Ref. 21) ใช้ข้อมูลที่มีความละเอียดสูงสเปกตรัมจากเครื่องดนตรี TANSO-FTS ใน GOSAT ใกล้เส้น Fraunhofer 770 นาโนเมตรที่จะได้รับการเรืองแสงคลอโรฟิลและพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องเช่นผลผลิตเรืองแสงที่ความยาวคลื่นว่า มาตรการ TANSO-FTS รังสีดวงอาทิตย์สะท้อนกลับในสามวงดนตรีที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ 0.76, 1.6, และ 2.0 ไมครอนในสอง polarizations ตั้งฉาก (เรียกว่า P และ S) มันมีรอยพื้นดินจุดต่ำสุดของเส้นผ่านศูนย์กลาง 10.5 กม. เรืองแสงคลอโรฟิลสามารถวัดได้ภายใน 1 วงที่ยื่นออกมาจากประมาณ 758-775 นาโนเมตรและครอบคลุม O2-วง ฟังก์ชั่นหลักของวง O2-A สำหรับ GOSAT คือการบัญชีสำหรับผลกระทบของเมฆและละอองภายใน CO2 และ CH4 วงดนตรี. ทีมวิจัยดำเนินการเฉลี่ยรายเดือนลดขนาดการวัด SIF กับ TANS-FTS ในช่วงฤดูปลูกของปี 2009 ในเดือนกรกฎาคมและ ธันวาคมในระดับโลก การเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาลคาดว่าจะแสดงอย่างแน่นอนคือภาคเหนือสูงขึ้นกิจกรรมบกซีกโลกในเดือนกรกฎาคมเมื่อเทียบกับกิจกรรมที่สูงขึ้นในซีกโลกใต้ในเดือนธันวาคม. มีแน่นอนหลักฐานที่แสดงว่าสเปกโทรมิเตอร์ความละเอียดสูงช่วยให้ลู่ทางใหม่ในการวิจัยวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลกรวมทั้งการสืบค้นที่ถูกต้องครั้งแรก การเรืองแสงของคลอโรฟิลจากอวกาศเป็นตัวบ่งชี้ของกิจกรรมสังเคราะห์ 23) ในระหว่างการสังเคราะห์แสงเป็นส่วนหนึ่งของรังสีดวงอาทิตย์ดูดซึมโดยคลอโรฟิลเป็นอีกครั้งที่ปล่อยออกมาในช่วงความยาวคลื่นอีกต่อไป (เรืองแสง) ใช้ใหม่สเปกโทรมิเตอร์ความละเอียดสูงเรืองแสงคลอโรฟิลนี้ออกจากพื้นที่ในขณะนี้วัดได้ซึ่งสามารถในการเปิดนำมาใช้ในปริมาณกิจกรรมการสังเคราะห์แสงและมีประสิทธิภาพทั่วโลก วัดดังกล่าวเป็นสิ่งสำคัญที่จะช่วยลดความไม่แน่นอนในวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลก อันที่จริงความสามารถในการควบคุมงบประมาณคาร์บอนของโลกในสภาพภูมิอากาศร้อนขึ้นอย่างยิ่งในการรู้ที่ไหนเมื่อใดและวิธี CO2 มีการแลกเปลี่ยนระหว่างที่ดินและบรรยากาศ GPP (Primary การผลิตขั้นต้น) ที่เป็นขั้นต้นของการดูดซึม CO2 บรรยากาศผ่านการสังเคราะห์ถือว่าองค์ประกอบฟลักซ์ที่ใหญ่ที่สุดในงบประมาณคาร์บอนทั่วโลก แต่ความไม่แน่นอนมากยังคงอยู่ในประมาณการ GPP และฤดูกาลของ. OCO-2 (คาร์บอนหอดูดาวโคจร-2) ภารกิจของนาซ่าจะเปิดตัวในเดือนกรกฎาคมปี 2014 สเปกโตรมิเตอร์บน OCO-2 จะทำให้การวัดที่แม่นยำของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ บันทึกการสังเกต 24 / วินาทีเมื่อเทียบกับการสังเกตเดียว GOSAT ทุกสี่วินาทีส่งผลให้เกือบ 100 ครั้งสังเกตมากขึ้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และทั้งเรืองแสงกว่า GOSAT มันเป็นที่คาดว่า OCO-2 ข้อมูลเรืองแสงจะขยายชุด GOSAT เวลาและช่วยให้โครงการที่จะสังเกตการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ที่จะสังเคราะห์แสงในรูปแบบใหม่ 24)