Para ilmuwan NASA telah menemukan bahwa fluoresensi tanaman yang dilacak melalui satelit dapat memprediksi kekeringan mendadak beberapa bulan sebelumnya, sehingga membantu mitigasi dan memahami dampak siklus karbon selama kekeringan. Kredit: Studio Visualisasi Ilmiah NASA
Lonjakan produktivitas tanaman yang tidak biasa mungkin menandakan akan terjadinya kehilangan air tanah secara parah. NASA satelit melacak cahaya halus ini, memberikan peringatan dini tentang potensi kekeringan mendadak di berbagai lanskap.
Meluas dengan cepat dan hanya dengan sedikit peringatan, kekeringan yang melanda sebagian besar Amerika Serikat pada musim panas tahun 2012 adalah salah satu kekeringan terluas yang pernah terjadi di negara ini sejak Dust Bowl selama bertahun-tahun pada tahun 1930an. “Kekeringan kilat”, yang dipicu oleh panas ekstrem yang membakar kelembapan tanah dan tanaman, menyebabkan kegagalan panen yang meluas dan kerugian ekonomi yang menelan biaya lebih dari $30 miliar.
Meskipun pola dasar kekeringan dapat terjadi seiring musim, kekeringan mendadak ditandai dengan kekeringan yang cepat. Hal ini dapat terjadi dalam beberapa minggu dan sulit diprediksi. Dalam sebuah penelitian baru-baru ini, tim yang dipimpin oleh para ilmuwan dari Jet Propulsion Laboratory NASA di California Selatan mampu mendeteksi tanda-tanda kekeringan mendadak hingga tiga bulan sebelum terjadinya kekeringan. Di masa depan, pemberitahuan terlebih dahulu dapat membantu upaya mitigasi.
Bagaimana mereka melakukannya? Dengan mengikuti cahayanya.
Di sebuah ladang di Kentucky bagian barat, sebuah mesin menyemprotkan tanaman penutup tanah untuk mempersiapkan musim tanam. Para ilmuwan NASA sedang mencari alat berbasis ruang angkasa untuk membantu meramalkan kekeringan yang cepat dan tersembunyi yang menyebabkan kerugian besar pada pertanian dalam beberapa tahun terakhir. Kredit: Departemen Pertanian AS/Justin Pius
Sinyal yang Dilihat Dari Luar Angkasa
Selama fotosintesisketika tanaman menyerap sinar matahari untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi makanan, klorofilnya akan “membocorkan” beberapa foton yang tidak terpakai. Cahaya redup ini disebut fluoresensi yang diinduksi matahari, atau SIF. Semakin kuat fluoresensinya, semakin banyak karbon dioksida yang diambil tanaman dari atmosfer untuk menggerakkan pertumbuhannya.
Meskipun cahayanya tidak terlihat dengan mata telanjang, namun dapat dideteksi oleh instrumen di satelit seperti Orbiting Carbon Obsevatory-2 (OCO-2) milik NASA. Diluncurkan pada tahun 2014, OCO-2 telah mengamati wilayah Midwest AS bersinar selama musim tanam.
Tumbuhan yang sedang tumbuh memancarkan suatu bentuk cahaya yang dapat dideteksi oleh satelit NASA yang mengorbit ratusan mil di atas Bumi. Bagian Amerika Utara tampak berkilauan dalam visualisasi ini, yang menggambarkan rata-rata tahun. Abu-abu menunjukkan daerah dengan sedikit atau tanpa fluoresensi; merah, merah muda, dan putih menunjukkan fluoresensi tinggi. Kredit: Studio Visualisasi Ilmiah NASA
Para peneliti membandingkan data fluoresensi selama bertahun-tahun dengan inventarisasi kekeringan mendadak yang melanda AS antara bulan Mei dan Juli dari tahun 2015 hingga 2020. Mereka menemukan efek domino: Dalam minggu-minggu dan bulan-bulan menjelang kekeringan mendadak, vegetasi pada awalnya tumbuh subur seiring dengan perubahan kondisi. hangat dan kering. Tanaman yang tumbuh subur memancarkan sinyal fluoresensi yang sangat kuat sepanjang tahun.
Namun dengan berkurangnya pasokan air di dalam tanah secara bertahap, tanaman menimbulkan risiko. Ketika suhu ekstrim melanda, tingkat kelembapan yang sudah rendah menurun drastis, dan kekeringan terjadi dalam beberapa hari.
Tim mengkorelasikan pengukuran fluoresensi dengan data kelembapan dari satelit SMAP NASA. Kependekan dari Soil Moisture Active Passive, SMAP melacak perubahan air tanah dengan mengukur intensitas emisi gelombang mikro alami dari permukaan bumi.
Para ilmuwan menemukan bahwa pola fluoresensi yang tidak biasa berkorelasi sangat baik dengan hilangnya kelembapan tanah dalam enam hingga 12 minggu sebelum kekeringan mendadak. Pola yang konsisten muncul di berbagai bentang alam, mulai dari hutan beriklim sedang di AS bagian Timur hingga Great Plains dan semak belukar di bagian barat.
Karena alasan ini, fluoresensi tanaman “menunjukkan harapan sebagai indikator peringatan dini yang dapat diandalkan mengenai kekeringan kilat dengan waktu yang cukup untuk mengambil tindakan,” kata Nicholas Parazoo, ilmuwan Bumi di JPL dan penulis utama studi terbaru.
Jordan Gerth, ilmuwan dari Kantor Pengamatan Layanan Cuaca Nasional yang tidak terlibat dalam penelitian ini, mengatakan dia senang melihat upaya mengatasi kekeringan mendadak, mengingat perubahan iklim kita. Dia mencatat bahwa pertanian mendapat manfaat dari prediktabilitas jika memungkinkan.
Meskipun peringatan dini tidak dapat menghilangkan dampak kekeringan mendadak, Gerth mengatakan, “petani dan peternak dengan operasi tingkat lanjut dapat menggunakan air untuk irigasi dengan lebih baik guna mengurangi dampak tanaman, menghindari menanam tanaman yang kemungkinan besar akan gagal, atau menanam jenis tanaman lain. untuk mencapai hasil yang paling ideal jika mereka memiliki waktu tunggu berminggu-minggu hingga berbulan-bulan.”
Melacak Emisi Karbon
Selain mencoba memprediksi kekeringan mendadak, para ilmuwan juga ingin memahami bagaimana hal ini berdampak pada emisi karbon.
Dengan mengubah karbon dioksida menjadi makanan selama fotosintesis, tumbuhan dan pepohonan menjadi “penyerap” karbon, yang menyerap lebih banyak CO2 dari atmosfer daripada yang dilepaskannya. Berbagai jenis ekosistem, termasuk lahan pertanian, berperan dalam siklus karbon – pertukaran atom karbon secara konstan antara daratan, atmosfer, dan lautan.
Para ilmuwan menggunakan pengukuran karbon dioksida dari satelit OCO-2, bersama dengan model komputer canggih, untuk melacak serapan karbon oleh vegetasi sebelum dan sesudah kekeringan mendadak. Tanaman yang mengalami tekanan panas menyerap lebih sedikit CO2 dari atmosfer, sehingga para peneliti berharap dapat menemukan lebih banyak karbon bebas. Apa yang mereka temukan justru merupakan tindakan penyeimbang.
Temperatur yang hangat sebelum terjadinya kekeringan bandang menggoda tanaman untuk meningkatkan serapan karbonnya dibandingkan dengan kondisi normal. Penyerapan karbon yang tidak wajar ini, rata-rata, cukup untuk mengimbangi sepenuhnya penurunan penyerapan karbon akibat kondisi panas yang terjadi. Temuan mengejutkan ini dapat membantu meningkatkan prediksi model siklus karbon.
Merayakan tahun ke-10 mengorbitnya pada musim panas ini, satelit OCO-2 memetakan konsentrasi karbon dioksida alami dan buatan manusia serta fluoresensi vegetasi menggunakan tiga spektrometer mirip kamera yang disetel untuk mendeteksi tanda cahaya unik CO2. Mereka mengukur gas secara tidak langsung dengan melacak seberapa banyak pantulan sinar matahari yang diserap dalam kolom udara tertentu.
