Les hivers dans l'hémisphère nord sont brutaux. Les conditions difficiles poussent certaines espèces à hiberner; les ours réduisent leur état métabolique pour conserver leur énergie jusqu'au printemps. Les forêts supportent aussi l'hiver en économisant l'énergie; ils arrêtent la photosynthèse, le processus par lequel un pigment vert appelé chlorophylle capte la lumière du soleil et le dioxyde de carbone (CO2) pour produire l'énergie chimique qui alimente les plantes. La production totale d'énergie chimique résultant de la photosynthèse est appelée Production Primaire Brute (PPB). Le GPP dans les forêts à feuilles persistantes indique aux scientifiques la quantité de CO2 que ces systèmes vastes et éloignés respirent.

Parce que la photosynthèse extrait le CO2 de l'atmosphère, comprendre l'activité forestière est crucial pour suivre les niveaux mondiaux de carbone. Depuis des décennies, les scientifiques ont utilisé des satellites pour surveiller les changements de verdure des forêts de feuillus afin de suivre la GPP. En automne et en hiver, les feuilles caduques brunissent et tombent lorsqu'elles sont en dormance. Au printemps et en été, la chlorophylle revient sous forme de feuilles vertes et la photosynthèse s'accélère. Cependant, les arbres à feuilles persistantes conservent leurs aiguilles vertes remplies de chlorophylle toute l'année, empêchant les scientifiques de détecter le début et le déclin de la photosynthèse à grande échelle.

Pour la première fois, une nouvelle étude a lié les cycles saisonniers de GPP à un processus qui se produit avec la photosynthèse mais qui est récemment devenu traçable par certains satellites :la fluorescence induite par le soleil (SIF). La photosynthèse se produit lorsque l'énergie du soleil excite la chlorophylle dans un état énergétique plus élevé. Lorsque la chlorophylle revient à son état normal, elle émet un photon, produisant une lumière trop faible pour l'œil nu. La « lueur » résultante est le SIF.

Une équipe collaborative de chercheurs a utilisé un spectromètre à balayage sur une tour pour mesurer la "lueur" fluorescente tout au long de la saison dans une forêt à feuilles persistantes du Colorado. L'équipe est la première à associer le SIF à la physiologie des aiguilles, la photosynthèse de la canopée et la fluorescence dérivée des satellites. Ils ont constaté que les modèles SIF quotidiens et saisonniers correspondaient étroitement au moment et à l'ampleur de la PPG. Au printemps, les conifères activent la chlorophylle dans leurs aiguilles, qui pilote à la fois la fluorescence et la photosynthèse, correspondant étroitement au SIF que les satellites ont récemment pu mesurer.

L'une des façons dont les plantes se protègent pendant les hivers rigoureux consiste à déployer des pigments photoprotecteurs qui agissent comme « écran solaire ». L'étude a révélé que lorsque les plantes appliquent cet écran solaire, la photosynthèse et la fluorescence diminuent, permettant aux scientifiques d'avoir confiance dans le signal SIF en tant que proxy pour surveiller la respiration (absorption de CO2) des forêts à feuilles persistantes.

Maintenant, les scientifiques peuvent utiliser les mesures de fluorescence par satellite comme indicateur de l'activité photosynthétique dans les forêts à feuilles persistantes à une échelle sans précédent. En voyant la lueur des forêts à feuilles persistantes depuis l'espace, nous pouvons mieux comprendre comment ces forêts réagissent au changement climatique.

"Nous essayons de développer des techniques pour pouvoir "voir" la photosynthèse à grande échelle, nous savons donc combien de CO2 la biosphère consomme... en gardant le doigt sur le pouls de la biosphère, " dit Troy Magney, chercheur du NASA Jet Propulsion Laboratory et du California Institute of Technology.

Magney et l'équipe ont collecté des données à partir d'un système de spectromètre monté au sommet d'une tour entre juin 2017 et juin 2018 dans une forêt de conifères subalpine à Niwot Ridge, Colorado. Ils ont pu démêler les changements physiologiques à l'intérieur des aiguilles de conifères pour mieux comprendre pourquoi nous voyons des cycles saisonniers SIF. Il s'avère que, tout est question de pigments.

"Vous et moi pouvons attraper un coup de soleil. Trop de rayonnement ultraviolet endommagera nos cellules. Certaines personnes peuvent se protéger - leur peau produit plus de pigment mélanine pour s'adapter aux environnements très lumineux, " a déclaré David Bowling, professeur de biologie à l'Université de l'Utah et co-auteur de l'étude. "Les plantes ont un autre, mais processus similaire."

Sans photosynthèse pour utiliser l'énergie du soleil, les plantes ont besoin de se protéger. Les chercheurs ont découvert que les conifères produisaient des niveaux élevés de pigments qui font partie du cycle de la xanthophylle qui protège ses tissus de l'excès de lumière. Tout au long de la saison, la fraction de "crème solaire" change - plus en hiver, moins en été, diminuant à la fois la fluorescence et la photosynthèse.

"Finalement, mesurer la petite lueur fluorescente des plantes nous permettra de voir exactement le moment et l'ampleur de l'absorption de carbone de la biosphère terrestre. Cela nous aidera à comprendre comment les forêts réagissent au changement climatique et à suggérer comment elles pourraient réagir au changement climatique futur, " dit Magney.