美國國家航空航天局（NASA）科學家近日公布了全球第一張陸地植物螢光地圖。該地圖是根據日本溫室氣體觀測衛星（GOSAT）光譜儀小組2009年收集的數據繪製而成，顯示了全球陸地植物的分布情況。
植物螢光是植物光合作用的副產品，是一種難以探測的暗紅色光。植物的螢光信號在不同的季節對比明顯，當光照、溫度條件最有利於植物生長時，光合作用會更強，因此植物螢光在北半球的7月份和南半球的12月份分別達到峰值。
研究人員表示，成功製作這張螢光圖證明了從太空對全球的綠色植物進行螢光信號探測是可行的。此前人們要獲取有關地球上植物生長狀況的信息，是通過衛星探測「綠色」指標，利用的是綠光反射，而不是螢光。然而，在乾旱、有霧或光合作用受限時，綠色葉子會死亡或改變顏色，這時綠光會降低；而且利用衛星從太空探測地面的綠色變化情況會有時間延遲，有時會延遲幾天甚至幾周。而反映了植物光合作用內部機制的葉綠素螢光，正是面向太空的最佳窗口。
植物生長會發光
植物綠色枝葉發出的螢光處於紅色和遠紅外波段。NASA極光委員會項目副理、戈達德地圖繪製小組負責人喬安娜·喬因納說：「植物螢光用裸眼是看不到的，因為背景光過強而掩蓋了這種光。當陽光照在樹葉上，有一種稱為葉綠體的圓盤狀綠色結構會吸收大部分陽光，通過光合作用將它們轉化為碳水化合物。葉綠體再將入射光的約2%以更長波段光的形式發射出來，這種再發射光就是螢光。」
螢光和生物體發光不同，如螢火蟲是靠化學機制驅動發光，許多海洋生物無需外來光源照射也能發光。幾十年來，科學家只能靠把樹葉放在雷射下面才能檢測到螢光。
為了製作全球螢光地圖，喬因納和同事採用了多種技術。他們分析了太陽光譜紅外波段中嵌有「夫琅和費譜線」的昏暗部分，這些線中的背景光有一部分集中於770納米左右，可以用來區別圍繞的螢光信號，從而讓植物螢光更多地顯示出來。但研究人員還不能用雷射來檢測地球表面莊稼收割後劃痕發出的光現象。
「利用葉綠素螢光，我們能立刻分辨出植物是不是處於環境壓力下。如果面臨環境壓力，植物的葉子將會變黃或變成棕色，我們能在這些外部信號顯示出來之前就探測到。」NASA戈達德生物學家、地圖繪製小組成員伊莉莎白·米德爾頓說。
以往的實驗室數據和實地研究結果顯示，在因低溫和光照不良導致環境壓力增加的情況下，植物的綠色枝葉數量會下降，葉綠素螢光會減弱。螢光探測也有助於證實這一點，但還需要進一步分析螢光信號的細微變化。
戈達德研究小組表示，希望今後能用螢光檢測作為現有「綠色」檢測的補充。將來，螢光檢測能幫助農民探測作物發病、乾旱和其他各種可能造成風險的問題，並應對極端天氣；幫助調查饑荒情況，同時也給援助人員帶來便利；幫助研究人員理解生態系統中的碳循環，這是氣候科學中難以確定的關鍵領域。
打開螢光探測的未來
全球陸地植物螢光圖的成功製作也直接影響到目前和將要開始的衛星任務。歐洲空間局（ESA）的實驗——螢光探測任務（Fluorescence Explorer，FLEX）本來存在眾多爭議，新研究成了對這一項目的有力支持，將為其項目進程帶來突破。目前它正處於可行性研究中期階段，尚未確定FLEX的發射日期。
NASA的軌道碳觀測衛星-2（OCO-2）在檢測二氧化碳水平的任務設計上和GOSAT很像，應該也能在全球範圍進行有效的螢光檢測。OCO-2將於2013年2月後在加利福尼亞的范登堡空軍基地發射。
來自GOSAT衛星的螢光信號也使人們意識到，科學家可藉此提高大氣中二氧化碳和甲烷的檢測精度。該項目研究人員強調，該螢光地圖只是初步對地球植物螢光進行大尺度探測，希望將來能繼續提高並擴展。
此外，GOSAT是在強烈的午後陽光下進行觀測的，無壓力條件下的植物會比有壓力時產生更強的螢光信號，而在早晨或晚上光照變弱時，情況則相反，這讓探測變得更加複雜。為了分析這兩種相反的情況，戈達德基地研究小組表示，將進一步完善他們計算螢光的數學方法。加州帕薩迪娜的噴氣推進實驗室的研究人員也將與日本和歐洲同行合作，共同提高螢光監測水平。
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