Vintrarna på norra halvklotet är brutala. De hårda förhållandena driver vissa arter att övervintra; björnar minskar sitt metaboliska tillstånd för att spara energi till våren. Skogar klarar också vintern genom att spara energi; de stänger av fotosyntesen, den process genom vilken ett grönt pigment som kallas klorofyll fångar upp solljus och koldioxid (CO2) för att producera den kemiska energi som ger bränsle till växterna. Den totala produktionen av kemisk energi till följd av fotosyntesen kallas Gross Primary Production (GPP). GPP i vintergröna skogar berättar för forskare hur mycket CO2 dessa stora och avlägsna system andas in.

Eftersom fotosyntesen drar ut CO2 ur atmosfären, Att förstå skogsaktivitet är avgörande för att spåra globala koldioxidnivåer. I årtionden, forskare har använt satelliter för att övervaka förändringarna i grönska i lövskogar för att spåra GPP. På hösten och vintern, lövfällande blad blir bruna och tappar när de är vilande. På våren och sommaren, klorofyllet kommer tillbaka när gröna löv och fotosyntesen ökar. Dock, vintergröna träd behåller sina klorofyllfyllda gröna nålar året runt, förhindrar forskare från att upptäcka uppkomsten och nedgången av fotosyntes i stor skala.

För första gången, en ny studie har kopplat säsongsbetonade GPP-cykler till en process som sker med fotosyntes men som nyligen har blivit spårbar av vissa satelliter – solinducerad fluorescens (SIF). Fotosyntes uppstår när solens energi exciterar klorofyll till ett högre energitillstånd. När klorofyllet återgår till sitt normala tillstånd avger det en foton, producerar ljus för lågt för blotta ögat. Den resulterande "glöden" är SIF.

Ett samarbetsteam av forskare använde en skanningsspektrometer på ett torn för att mäta fluorescerande "glöd" under hela säsongen i en vintergrön skog i Colorado. Teamet är det första som kopplar SIF till nålfysiologi, canopy fotosyntes och satellithärledd fluorescens. De fann att dagliga och säsongsbetonade SIF-mönster nära överensstämde med tidpunkten och omfattningen av GPP. På våren, vintergröna växter aktiverar klorofyll i sina nålar, som driver både fluorescens och fotosyntes, nära överensstämmelse med SIF som satelliter nyligen har kunnat mäta.

Ett av sätten som växter skyddar sig själva under de hårda vintrarna är genom att använda fotoskyddande pigment som fungerar som "solskyddsmedel". Studien fann att när växter applicerar detta solskyddsmedel, både fotosyntes och fluorescens minskar, gör det möjligt för forskare att känna sig säkra på SIF-signalen som en proxy för att övervaka andningen (CO2-upptaget) av vintergröna skogar.

Nu, forskare kan använda de satellitbaserade fluorescensmätningarna som en indikator på fotosyntetisk aktivitet i vintergröna skogar i en aldrig tidigare skådad skala. Genom att se skenet från vintergröna skogar från rymden, vi kan bättre förstå hur dessa skogar reagerar på klimatförändringar.

"Vi försöker utveckla tekniker för att kunna "se" fotosyntes i stor skala, så vi vet hur mycket CO2 biosfären förbrukar ... håller ett finger på biosfärens puls, sa Troy Magney, forskare vid NASA Jet Propulsion Laboratory och California Institute of Technology.

Magney och teamet samlade in data från ett spektrometersystem monterat på toppen av ett torn mellan juni 2017 och juni 2018 i en subalpin barrskog vid Niwot Ridge, Colorado. De kunde lösa upp de fysiologiska förändringarna inuti barrträdsnålarna för att bättre förstå varför vi ser SIF -säsongscykler. Visar sig, allt handlar om pigmenten.

"Du och jag kan bli solbrända. För mycket ultraviolett strålning kommer att skada våra celler. Vissa människor kan skydda sig själva - deras hud producerar mer av pigmentet melanin för att anpassa sig till miljöer med starkt ljus, sa David Bowling, biologiprofessor vid University of Utah och medförfattare till studien. "Växter har en annan, men liknande process."

Utan fotosyntes för att utnyttja solens energi, växter måste skydda sig själva. Forskarna fann att barrträden producerade höga nivåer av pigment som är en del av xantofyllcykeln som skyddar dess vävnader från överflödigt ljus. Under hela säsongen, fraktionen av "solskyddsmedel" ändras - mer på vintern, mindre på sommaren – minskar både fluorescens och fotosyntes.

"I sista hand, Genom att mäta det lilla fluorescerande ljuset från växter kan vi se exakt tidpunkt och storlek på kolupptaget från den terrestra biosfären. Detta kommer att hjälpa oss att förstå hur skogarna reagerar på klimatförändringar och föreslå hur de kan reagera på framtida klimatförändringar, sa Magney.