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Pesquisadores medem a fotossíntese do espaço
Como a maioria de nós aprendeu na escola, as plantas usam a luz solar para sintetizar dióxido de carbono (CO 2 ) e água em carboidratos em um processo chamado fotossíntese.
Por Jenna Kurtzweil - 16/02/2021


Kaiyu Guan (à esquerda) da CABBI e Chongya Jiang esperam alavancar seu produto SLOPE GPP não apenas para o avanço da ciência agrícola, mas para o bem-estar da humanidade. Usando dados de satélite precisos e oportunos para medir a ingestão de CO2 das plantações, a equipe de pesquisa pode avaliar a saúde geral e a produtividade dos ecossistemas de bioenergia. Crédito: Centro de Inovação em Bioenergia Avançada e Bioprodutos (CABBI)

Como a maioria de nós aprendeu na escola, as plantas usam a luz solar para sintetizar dióxido de carbono (CO 2 ) e água em carboidratos em um processo chamado fotossíntese. Mas as "fábricas" da natureza não apenas nos fornecem alimentos - elas também geram percepções sobre como os ecossistemas irão reagir a um clima em mudança e uma atmosfera cheia de carbono.

Por causa de sua capacidade de fazer produtos valiosos a partir de compostos orgânicos como o CO 2 , as plantas são conhecidas como " produtores primários ". A produção primária bruta (GPP), que quantifica a taxa de fixação de CO 2 nas plantas por meio da fotossíntese, é uma métrica chave para monitorar a saúde e o desempenho de qualquer ecossistema baseado em plantas.

Uma equipe de pesquisa com o Centro de Bioenergia Avançada e Inovação de Bioprodutos (CABBI) do Departamento de Energia dos Estados Unidos da Universidade de Illinois Urbana-Champaign desenvolveu um produto para medir com precisão o GPP: o produto SatelLite Only Photosynthesis Estimation Gross Primary Production (SLOPE GPP) em um passo de tempo diário e resolução espacial em escala de campo.

A equipe aproveitou o supercomputador Blue Waters, localizado no Centro Nacional de Aplicações de Supercomputação (NCSA) da Universidade de Califórnia, em suas pesquisas. Seu artigo foi publicado na Earth System Science Data em fevereiro de 2021.

"Quantificar a taxa na qual as plantas em uma determinada área processam CO 2 é fundamental para uma compreensão global do ciclo do carbono, gestão da terra terrestre e saúde da água e do solo - especialmente devido às condições erráticas de um planeta em aquecimento", disse Kaiyu Guan, do projeto líder e professor do NCSA Blue Waters.

"Medir a fotossíntese é especialmente pertinente para os ecossistemas agrícolas, onde a produtividade das plantas e os níveis de biomassa estão diretamente ligados ao rendimento das colheitas e, portanto, à segurança alimentar. Nossa pesquisa se aplica diretamente não apenas ao serviço do ecossistema, mas também ao bem-estar social", disse Chongya Jiang, a cientista pesquisador do projeto.

Particularmente intrigante é a relevância do monitoramento GPP para ecossistemas agrícolas de bioenergia, onde as "fábricas" das lavouras são especialmente projetadas para produzir biocombustíveis renováveis. Quantificar a fixação de CO 2 nesses ambientes é fundamental para otimizar o desempenho de campo e contribuir para a bioeconomia global. Cientistas do CABBI, como o pesquisador do Tema de Sustentabilidade Andy VanLoocke, sugerem que esses novos dados críticos podem ser usados ​​para restringir simulações de modelos para potenciais de produção de safras de bioenergia.
 
A tecnologia usada neste experimento é de ponta. Como o próprio nome sugere, ele é puramente derivado de dados de satélite e, portanto, totalmente baseado em observação, em vez de depender de métodos de modelagem complexos e incertos.

Um exemplo de tecnologia baseada em observação é a fluorescência de clorofila induzida pelo sol (SIF), um sinal de luz fraco emitido por plantas que tem sido usado como um novo proxy para GPP. Inspirado por suas observações terrestres de anos de SIF, o grupo de Guan desenvolveu um método ainda mais avançado para melhorar a estimativa de GPP: integrando um novo índice de vegetação chamado "refletância de vegetação próxima ao infravermelho ajustada pelo solo" (SANIRv) com radiação fotossinteticamente ativa (PAR )

SLOPE é construído sobre essa integração inovadora. SANIRv representa a eficiência da radiação solar usada pela vegetação, e PAR representa a radiação solar que as plantas podem realmente usar para a fotossíntese. Ambas as métricas são derivadas de observações de satélite.

Por meio de uma análise de 49 sites AmeriFlux, os pesquisadores descobriram que PAR e SANIRv podem ser aproveitados para estimar com precisão o GPP. Na verdade, o produto SLOPE GPP pode explicar 85% das variações espaciais e temporais em GPP adquiridas dos locais analisados ​​- um resultado bem-sucedido e o melhor desempenho já alcançado com base nesses dados padrão-ouro. Como o SANIRv e o PAR são "apenas satélite", essa é uma conquista que os pesquisadores buscam há muito tempo, mas que só agora está sendo implementada em um produto GPP operacional.

Os processos existentes para quantificar a GPP são ineficientes por três razões principais: precisão espacial (baseada em imagem), precisão temporal (baseada no tempo) e latência (atraso na disponibilidade de dados). O produto SLOPE GPP criado pela equipe de Guan usa imagens de satélite duas vezes mais nítidas do que a maioria dos estudos em grande escala (medindo a 250 metros versus o típico> 500 metros) e recupera dados em um ciclo diário, oito vezes mais preciso do que o normal. Mais importante, esse novo produto tem latência de um a três dias, enquanto os conjuntos de dados existentes ficam para trás em meses ou mesmo anos. Finalmente, a maioria dos produtos GPP empregados hoje são baseados em análise, em vez de observação, as métricas que eles usam para calcular GPP (por exemplo, umidade do solo, temperatura, etc.) são derivados de algoritmos em vez de condições do mundo real recolhidas de observações de satélite .

"A fotossíntese, ou GPP, é a base para quantificar o orçamento de carbono em nível de campo. Sem informações precisas de GPP, quantificar outras variáveis ​​relacionadas ao carbono, como a mudança anual de carbono do solo, é muito menos confiável", disse Guan. "O supercomputador Blue Waters tornou possível a nossa computação de peta-bytes. Usaremos esses novos dados GPP para avançar significativamente nossa capacidade de quantificar a contabilidade do orçamento de carbono agrícola, e servirá como uma entrada principal para restringir a modelagem da mudança de carbono orgânico do solo para cada campo que requer quantificação de carbono do solo. Além dos dados SLOPE GPP, métodos semelhantes nos permitem gerar dados GPP em resolução de 10 metros e diária para permitir até mesmo o manejo agrícola de precisão no subcampo. "

 

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