Une lueur fluorescente à feuilles persistantes indique quand les arbres absorbent du carbone

Les chercheurs apprennent à interpréter la faible lumière émise par les arbres

Il est assez simple de savoir quand les arbres à feuilles caduques font la photosynthèse : leurs feuilles sont vertes. Une fois ce processus terminé, le feuillage se ratatine, brunit et tombe, un événement si répandu qu’il peut être suivi par des satellites dans l’espace. Mais suivre le moment où les arbres à feuilles persistantes développent leurs chloroplastes et commencent à transformer la lumière du soleil et le CO2 en énergie est beaucoup plus difficile puisque, comme leur nom l’indique, ils restent verts toute l’année (les arbres arrêtent en fait la photosynthèse à l’automne mais utilisent un pigment vert comme pigment). type de crème solaire, les gardant verts toute l’année). Cela pose problème en matière de modélisation climatique, qui s’appuie actuellement sur des estimations pour déterminer la quantité de CO2 extraite de l’atmosphère par les forêts à feuilles persistantes. Mais une nouvelle étude suggère qu’il existe une autre façon de surveiller la photosynthèse dans les forêts à feuilles persistantes : observer leur lueur fluorescente depuis l’espace.

Il y a plusieurs décennies, des chercheurs ont réalisé que la chlorophylle émettait une minuscule lueur fluorescente difficile à détecter. Lorsque la lumière du soleil atteint la chlorophylle – le pigment vert qui produit de l’énergie dans la plupart des plantes – elle la fait passer dans un état d’énergie excité. Lorsque la chlorophylle revient à son état normal, elle émet 2 à 4 pour cent de cette énergie sous forme de photon, ou particule lumineuse, dans les longueurs d’onde de la lumière rouge et rouge lointain. La lueur est appelée fluorescence induite par le soleil (SIF) et, bien qu’elle ne soit pas visible à l’œil nu, elle peut être captée par des spectromètres, des instruments sensibles qui détectent les longueurs d’onde de la lumière.

En 2011, les chercheurs ont utilisé pour la première fois des données satellitaires pour mesurer la fluorescence des plantes, mais les scientifiques cherchent encore à comprendre ce que signifie réellement cette lueur. « Comme ils sont toujours verts, il est plus difficile de savoir quand la photosynthèse pourrait s’accélérer et quand elle pourrait diminuer chez les conifères », explique Troy Magney du California Institute of Technology et du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, premier auteur de la nouvelle étude en 2007. Les actes de l’Académie nationale des sciences. « Au-delà de cela, les techniques de télédétection typiques que nous utilisons pour observer les espèces à feuilles persistantes mesurent simplement la quantité de rayonnement réfléchi dans le spectre proche infrarouge et rouge, ce qui nous indique simplement la quantité de substance verte qu’il y a. Mais nous ne savons vraiment pas ce que font ces substances vertes. Nous n’avons aucune idée du moment où ils commencent la photosynthèse ni de la quantité de carbone qu’ils absorbent.

Magney et ses collègues ont décidé de voir s’ils pouvaient apprendre à extraire davantage d’informations de la lueur des pins. Pour ce faire, ils ont construit une tour au milieu de la forêt de conifères subalpine à Niwot Ridge, une station de recherche écologique à l’extérieur de Boulder, au Colorado. Ils ont équipé la tour d’un spectromètre étendu, qui a suivi le SIF provenant de la forêt environnante, en suivant les cycles quotidiens et saisonniers de juin 2017 à juin 2018. Ils ont également étudié certains arbres eux-mêmes pour voir si la fluorescence correspondait à la réalité. -le monde augmente et diminue la photosynthèse.

Il s’avère que le SIF est une assez bonne mesure de la photosynthèse, ce qui signifie que le suivi de la fluorescence à feuilles persistantes est un moyen viable de mesurer l’énergie produite par la photosynthèse, ou production primaire brute, des forêts.

Non seulement cette technique pourrait enfin donner aux chercheurs une bonne idée de la quantité de carbone absorbée par les conifères, mais elle pourrait également être utilisée pour surveiller la santé des forêts, car la photosynthèse est susceptible de diminuer dès les premiers stades d’une sécheresse, d’une infestation d’insectes ou de l’apparition d’arbres. maladies. Actuellement, les chercheurs ne savent généralement pas qu’une forêt est en difficulté jusqu’à ce que de vastes étendues soient mortes ou mourantes.

Cette technique pourrait également résoudre plusieurs mystères concernant les forêts de pins. Alors que les pins de la forêt boréale ou des régions alpines bloquent la photosynthèse pendant l’hiver, on pense que les conifères du sud-est des États-Unis continuent de produire au moins un peu d’énergie toute l’année. La surveillance du SIF de ces forêts pourrait fournir une réponse à la quantité d’énergie qu’elles produisent pendant les mois d’hiver.

Cela pourrait également aider les chercheurs à démêler le cycle de vie des forêts à feuilles persistantes. On pense que les jeunes forêts constituent un puits net de carbone : elles extraient plus de carbone de l’atmosphère qu’elles n’en produisent. Mais à un moment donné, dit Magney, on pense qu’elles deviennent une source de carbone : les forêts plus anciennes restent vertes même si les arbres qu’elles contiennent entament le long et lent processus de mort, qui libère du CO2.

« Je dirais que le consensus général est la confusion quant au sort des forêts à feuilles persistantes », déclare Magney. « Il y a un débat depuis des décennies sur la question de savoir si la forêt boréale est en train de verdir ou de brunir. Les deux se produisent, mais nous ne savons pas ce qui les motive. En combinant ces nouvelles techniques avec des informations sur l’humidité du sol, la température de l’air, l’humidité et d’autres facteurs, nous pourrions découvrir.

L’étude a déjà conduit à une surprise. En utilisant les données du SIF, l’équipe a découvert que lorsque la photosynthèse démarre au printemps, il ne s’agit pas d’un processus graduel. Les pins du Colorado sont passés de la dormance à la production d’énergie maximale en deux semaines, beaucoup plus rapidement que prévu.

L’équipe travaille actuellement sur une version surdimensionnée de l’expérience et a installé au cours de la dernière année six tours supplémentaires dans diverses forêts, notamment au Costa Rica, en Saskatchewan et en Alaska, qui, espèrent-elles, leur apprendront à interpréter correctement les données de fluorescence provenant de l’espace. .

Actuellement, deux sondes de la NASA sont capables de fournir des données SIF : l’Orbiting Carbon Observatory-2, lancée en 2014, et l’Orbiting Carbon Observatory-3, un module attaché à la station spatiale, lancé le mois dernier. Mais l’équipe espère que les futures missions satellitaires incluront des spectromètres encore plus sensibles pour fournir des données plus fines. Actuellement, les capteurs en orbite mesurent des zones d’environ un kilomètre sur deux. Magney dit que quelque chose avec des pixels représentant 100 mètres sur 100 serait plus utile.

Il pourrait bientôt réaliser son souhait. L’Agence spatiale européenne devrait lancer le satellite Fluorescence Explorer, d’une valeur de 172,4 millions de dollars, en 2023, qui entreprendra une mission de trois ans pour surveiller la fluorescence émise par la végétation terrestre. Grâce à cette étude, et à d’autres à venir, nous saurons peut-être beaucoup plus en détail ce que signifie réellement cette faible lueur.