NASA의 돌발 가뭄 예측의 핵심

식물 생산성의 비정상적 증가는 심각한 토양 수분 손실이 임박했음을 나타낼 수 있습니다. NASA 위성은 이 미묘한 빛을 추적하여 다양한 풍경에 걸쳐 잠재적인 가뭄에 대한 조기 경고를 제공합니다.

2012년 여름에 미국 전역을 휩쓸고 예고도 없이 빠르게 맹위를 떨치는 가뭄은 1930년대 수년간 지속된 Dust Bowl 이후 미국에서 가장 널리 퍼진 가뭄 중 하나였습니다. 토양과 식물의 수분을 태워버리는 극심한 열로 인한 “급발적 가뭄”은 광범위한 농작물 실패와 300억 달러 이상의 경제적 손실을 가져왔습니다.

전형적인 가뭄은 계절이 지나면서 발생할 수 있지만, 돌발 가뭄은 급속한 건조가 특징입니다. 몇 주 안에 정체될 수 있으며 예측하기 어렵습니다. ~에 최근 연구남부 캘리포니아에 있는 NASA 제트 추진 연구소의 과학자들이 이끄는 팀은 가뭄이 시작되기 3개월 전에 갑작스러운 가뭄의 징후를 감지할 수 있었습니다. 앞으로는 이 사전 통지가 완화 노력에 도움이 될 수 있습니다.

그들은 어떻게 했나요? 빛을 따라.

켄터키 서부의 한 들판에서 파종 시즌을 준비하기 위해 분무기가 작물을 덮고 있습니다. NASA 과학자들은 최근 몇 년간 대규모 농업 손실을 초래한 빠르고 미묘한 가뭄을 예측하는 데 도움이 되는 우주 기반 장비를 찾고 있습니다. 출처: USDA/Justin Beus

우주에서 본 신호

~ 동안 광합성식물이 햇빛을 흡수하여 이산화탄소와 물을 음식으로 전환할 때 엽록소는 사용되지 않은 일부 광자를 “누출”합니다. 이 희미한 빛을 태양 유도 형광(SIF)이라고 합니다. 형광이 강할수록 식물은 성장을 지원하기 위해 대기로부터 더 많은 이산화탄소를 흡수합니다.

빛은 육안으로는 보이지 않지만 NASA의 OCO-2(Orbiting Carbon Observatory 2)와 같은 위성에 탑재된 장비로 감지할 수 있습니다. OCO-2는 미국 중서부 지역을 모니터링하기 위해 2014년에 발사되었습니다. 성장기 동안 빛나는.

성장하는 식물은 지구 상공 수백 마일을 공전하는 NASA 위성에 의해 감지될 수 있는 일종의 빛을 방출합니다. 평균 연도를 나타내는 이 시각화에서는 북미 지역이 빛나는 것처럼 보입니다. 회색은 형광이 거의 또는 전혀 없는 영역을 나타냅니다. 빨간색, 분홍색, 흰색은 높은 형광성을 나타냅니다. 출처: NASA 과학 시각화 스튜디오

연구자들은 수년간의 발광 데이터를 2015년부터 2020년까지 5월부터 7월까지 미국을 강타한 돌발 가뭄 목록과 비교했습니다. 그들은 도미노 효과를 발견했습니다. 돌발 가뭄이 발생하기 몇 주 및 몇 달 동안 식물은 처음에 조건에 따라 번성했습니다. 변경되었습니다. 따뜻하고 건조합니다. 꽃이 핀 식물은 이맘때에 비정상적으로 강한 형광 신호를 발산했습니다.

그러나 점차적으로 토양의 물 공급을 줄임으로써 식물은 위험을 초래했습니다. 극심한 기온이 도래했을 때 이미 낮은 습도 수준이 떨어졌고 며칠 내에 갑작스러운 가뭄이 시작되었습니다.

연구팀은 형광 측정값을 NASA SMAP 위성의 습도 데이터와 연결했습니다. Soil Moisture Active Passive의 약자인 SMAP는 지구 표면에서 자연적으로 방출되는 마이크로파의 강도를 측정하여 토양 수분의 변화를 추적합니다.

과학자들은 특이한 형광 패턴이 갑작스러운 가뭄이 발생하기 전 6~12주 동안의 토양 수분 손실과 매우 잘 연관되어 있음을 발견했습니다. 미국 동부의 온대림부터 서부의 대평원과 관목지에 이르기까지 다양한 풍경에 걸쳐 일관된 패턴이 나타났습니다.

이러한 이유로 식물 형광은 “조치를 취하는 데 충분한 리드 타임을 제공하면서 갑작스러운 가뭄에 대한 신뢰할 수 있는 조기 경고 지표로서의 가능성을 보여준다”고 캘리포니아 대학교의 지구 과학자인 니콜라스 바라조(Nicholas Barrazo)는 말했습니다. 제트추진 연구실 그는 최신 연구의 주요 저자입니다.

연구에 참여하지 않았지만 국립 기상청 모니터링 사무실의 과학자인 조던 거스(Jordan Gerth)는 변화하는 기후를 고려할 때 돌발적인 가뭄에 대한 조치를 보게 되어 기쁘다고 말했습니다. 그는 농업이 가능할 때마다 예측 가능성으로부터 이익을 얻는다고 지적했습니다.

조기 경보가 갑작스러운 가뭄의 영향을 제거할 수는 없지만, Gerth는 “첨단 운영을 갖춘 농부와 목장주들은 농작물에 미치는 영향을 줄이고, 실패할 가능성이 있는 농작물을 심는 것을 피하거나, 다른 유형의 농작물을 심는 것을 방지하기 위해 관개용수를 더 잘 활용할 수 있습니다”라고 말했습니다. .” 몇 주에서 몇 달까지의 리드 타임이 있는 경우 최적의 수익을 달성합니다.

탄소 배출량 추적

과학자들은 갑작스러운 가뭄을 예측하는 것 외에도 가뭄이 탄소 배출에 어떤 영향을 미치는지 이해하고 싶었습니다.

식물과 나무는 광합성 과정에서 이산화탄소를 음식으로 전환함으로써 대기에서 방출하는 것보다 더 많은 이산화탄소를 흡수하는 탄소 “흡수원” 역할을 합니다. 농경지를 포함한 다양한 유형의 생태계가 역할을 합니다. 탄소 순환 – 지구, 대기, 해양 사이의 탄소 원자의 지속적인 교환.

과학자들은 OCO-2 위성의 이산화탄소 측정값과 고급 컴퓨터 모델을 사용하여 갑작스러운 가뭄 전후에 식물의 탄소 흡수량을 추적했습니다. 열 스트레스에 노출된 식물은 대기 중 이산화탄소를 덜 흡수하므로 연구자들은 더 많은 유리 탄소를 발견할 것으로 예상했습니다. 대신 그들이 찾은 것은 균형 잡힌 행동이었습니다.

갑작스런 가뭄이 시작되기 전의 따뜻한 온도는 식물이 정상적인 조건에 비해 탄소 흡수를 증가시키도록 유혹합니다. 이러한 변칙적 흡수는 평균적으로 이어지는 따뜻한 조건으로 인한 탄소 흡수의 완전한 감소를 보상하기에 충분했습니다. 이 놀라운 발견은 탄소 순환 모델 예측을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

OCO-2 위성은 올 여름 궤도에 진입한 지 10주년을 맞이하여 자연과 인공 물체의 매핑을 수행합니다. 이산화탄소 농도 그리고 식물 광학 이산화탄소의 고유한 광학적 특성을 감지하도록 조정된 세 개의 카메라 같은 분광 광도계를 사용합니다. 그들은 주어진 공기 기둥에서 반사된 햇빛을 얼마나 흡수하는지 추적하여 가스를 간접적으로 측정합니다.