Comme la plupart d'entre nous l'ont appris à l'école, les plantes utilisent la lumière du soleil pour synthétiser du dioxyde de carbone (CO 2 ) et de l'eau en glucides dans un processus appelé photosynthèse. Mais les "usines" de la nature ne nous fournissent pas seulement de la nourriture, elles génèrent également des informations sur la façon dont les écosystèmes réagiront à un climat changeant et à une atmosphère remplie de carbone.

En raison de leur capacité à fabriquer des produits de valeur à partir de composés organiques comme le CO 2 , les plantes sont appelées « producteurs primaires ». Production primaire brute (PPB), qui quantifie le taux de CO 2 fixation dans les plantes par photosynthèse, est une mesure clé pour suivre la santé et les performances de tout écosystème végétal.

Une équipe de recherche du Centre for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) du département de l'Énergie des États-Unis à l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign a développé un produit pour mesurer avec précision la GPP :le produit SatelLite Only Photosynthèse Estimation Gross Primary Production (SLOPE GPP) à un pas de temps quotidien et résolution spatiale à l'échelle du champ.

L'équipe a utilisé le supercalculateur Blue Waters, hébergé au Centre national des applications de calcul intensif (NCSA) de l'U of I, dans leurs recherches. Leur article a été publié en Données scientifiques du système terrestre en février 2021.

"Quantifier la vitesse à laquelle les usines d'une zone donnée traitent le CO 2 est essentiel à une compréhension globale du cycle du carbone, gestion des terres terrestres, et la santé de l'eau et des sols, surtout compte tenu des conditions erratiques d'une planète en réchauffement, " dit Kaiyu Guan, chef de projet et professeur NCSA Blue Waters.

« La mesure de la photosynthèse est particulièrement pertinente pour les écosystèmes agricoles, où la productivité des plantes et les niveaux de biomasse sont directement liés au rendement des cultures et donc à la sécurité alimentaire. Notre recherche s'applique directement non seulement aux services écosystémiques, mais aussi le bien-être sociétal, " a déclaré Chongya Jiang, un chercheur scientifique sur le projet.

La pertinence de la surveillance des MPE pour les écosystèmes agricoles bioénergétiques est particulièrement intéressante, où les "usines" des cultures sont spécialement conçues pour produire des biocarburants renouvelables. Quantifier le CO 2 la fixation dans ces environnements est essentielle pour optimiser les performances sur le terrain et contribuer à la bioéconomie mondiale. Les scientifiques du CABBI, tels que le chercheur sur le thème de la durabilité Andy VanLoocke, suggèrent que ces nouvelles données essentielles peuvent être utilisées pour contraindre les simulations de modèles pour les potentiels de rendement des cultures bioénergétiques.

La technologie utilisée dans cette expérience est de pointe. Comme son nom l'indique, il est purement dérivé de données satellitaires, et donc entièrement basé sur l'observation au lieu de s'appuyer sur des complexes, méthodes de modélisation incertaines.

Un exemple de technologie basée sur l'observation est la fluorescence de la chlorophylle induite par le soleil (SIF), un faible signal lumineux émis par les plantes qui a été utilisé comme nouveau proxy pour la GPP. Inspirés par leurs longues années d'observations au sol de SIF, Le groupe de Guan a développé une méthode encore plus avancée pour améliorer l'estimation de la GPP :intégrer un nouvel indice de végétation appelé « réflectance dans le proche infrarouge ajustée au sol de la végétation » (SANIRv) avec le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR).

SLOPE est construit sur cette nouvelle intégration. SANIRv représente l'efficacité du rayonnement solaire utilisé par la végétation, et PAR représente le rayonnement solaire que les plantes peuvent réellement utiliser pour la photosynthèse. Les deux mesures sont dérivées d'observations satellitaires.

A travers une analyse de 49 sites AmeriFlux, les chercheurs ont découvert que PAR et SANIRv peuvent être exploités pour estimer avec précision la GPP. En réalité, le produit SLOPE GPP peut expliquer 85% des variations spatiales et temporelles de GPP acquises à partir des sites analysés - un résultat positif, et la meilleure performance jamais réalisée par rapport à ces données de référence. Comme SANIRv et PAR sont "satellite uniquement, " c'est une réalisation que les chercheurs recherchent depuis longtemps mais qui vient juste d'être mise en œuvre dans un produit GPP opérationnel.

Les processus existants pour quantifier la GPP sont inefficaces pour trois raisons principales :la précision spatiale (basée sur l'image), précision temporelle (basée sur le temps), et la latence (retard dans la disponibilité des données). Le produit SLOPE GPP créé par l'équipe de Guan utilise des images satellites deux fois plus nettes que la plupart des études à grande échelle (mesurant à 250 mètres par rapport à la moyenne> 500 mètres) et récupère les données sur un cycle quotidien, huit fois plus fine que la norme. Plus important, ce nouveau produit a entre un et trois jours de latence, alors que les ensembles de données existants accusent un retard de plusieurs mois, voire plusieurs années. Finalement, la majorité des produits GPP utilisés aujourd'hui sont basés sur l'analyse plutôt que sur l'observation - les métriques qu'ils utilisent pour calculer le GPP (par exemple, l'humidité du sol, Température, etc.) sont dérivés d'algorithmes plutôt que de conditions réelles glanées à partir d'observations satellitaires.

"Photosynthèse, ou GPP, est le fondement de la quantification du budget carbone au niveau du terrain. Sans informations GPP précises, quantifier d'autres variables liées au carbone, comme le changement annuel du carbone du sol, est beaucoup moins fiable, " a déclaré Guan. " Le supercalculateur de Blue Waters a rendu possible notre calcul en péta-octets. Nous utiliserons ces nouvelles données GPP pour améliorer considérablement notre capacité à quantifier la comptabilité du budget du carbone agricole, et il servira d'entrée principale pour contraindre la modélisation du changement du carbone organique du sol pour chaque domaine nécessitant une quantification du carbone du sol. En plus des données SLOPE GPP, des méthodes similaires nous permettent de générer des données GPP à une résolution de 10 mètres et quotidienne pour même permettre une gestion agricole de précision des sous-champs. »