FLEX soll Pflanzenstress sichtbar machen

Am 15. September brachte eine Vega-C-Rakete vom Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana zwei europäische Satelliten ins All. Einer davon ist FLEX, der ein schwaches Leuchten erfassen soll, das Pflanzen während der Photosynthese abgeben. Dieses Signal zeigt nicht nur, ob Vegetation grün ist, sondern gibt Hinweise darauf, wie aktiv ihr Stoffwechsel arbeitet. Die Bodenkontrolle in Darmstadt bestätigte den Kontakt zu FLEX und dem Copernicus-Satelliten Sentinel-3C, nachdem sich beide planmäßig von der Rakete getrennt hatten. Ob die Mission ihre wissenschaftlichen Ziele erreicht, muss sich nun erst zeigen.

Beide Satelliten gelangten in sonnensynchrone Umlaufbahnen in rund 815 Kilometern Höhe, überfliegen einen bestimmten Ort also stets ungefähr zur gleichen lokalen Sonnenzeit. Der erfolgreiche Start liefert allerdings noch keine belastbaren Messdaten. Das FLEX-Instrument FLORIS muss zunächst kalibriert werden; außerdem müssen die Korrektur atmosphärischer Einflüsse geprüft und die ersten Fluoreszenzmessungen mit Daten vom Boden verglichen werden. Die Inbetriebnahme dürfte etwa drei Monate dauern, anschließend ist eine wissenschaftliche Betriebszeit von 3,5 Jahren vorgesehen.

Ein Hinweis, keine Diagnose

Wenn Chlorophyll Sonnenlicht aufnimmt, treibt der größte Teil der Energie die Photosynthese an oder wird als Wärme abgegeben. Ein winziger Anteil gelangt als schwaches rotes Leuchten zurück in die Atmosphäre. Fachleute sprechen von sonneninduzierter Fluoreszenz, kurz SIF. Herkömmliche Satellitenbilder zeigen, wo Vegetation wächst und grün erscheint. Ein von Trockenheit belasteter Wald kann aus dem All jedoch noch gesund aussehen, obwohl seine Photosynthese bereits nachlässt. Da die Fluoreszenz mit dieser Funktion zusammenhängt, kann sich eine Belastung im Signal zeigen, bevor Blätter welken oder braun werden.

Der Unterschied ähnelt dem zwischen dem Blick auf die beleuchteten Fenster einer Fabrik und dem Ablesen einer einzelnen Anzeige in der Produktionshalle. Die Anzeige sagt etwas über den laufenden Betrieb aus, misst aber nicht die Zahl der fertigen Erzeugnisse. So kann die Kohlenstoffaufnahme einer Pflanze sinken, ohne dass die Fluoreszenz im gleichen Verhältnis zurückgeht, wenn die Pflanze ihre Spaltöffnungen rasch schließt. Das hat ein kontrolliertes Experiment gezeigt. Fluoreszenz liefert daher einen wichtigen Hinweis, aber eben keine eindeutige Diagnose.

Andere Satelliten haben das Signal bereits gemessen. Japans GOSAT lieferte frühe globale Auswertungen, später kamen Messungen des amerikanischen OCO-2 und des europäischen TROPOMI hinzu. Keiner dieser Satelliten wurde jedoch eigens für die Fluoreszenzbeobachtung entwickelt: Sie erfassen entweder schmale Geländestreifen mit hoher Detailgenauigkeit oder große Flächen bei geringer räumlicher Auflösung. FLEX soll beide wichtigen Spektralbereiche der Fluoreszenz über einen 150 Kilometer breiten Streifen mit einer Bodenauflösung von 300 Metern kartieren; der Wiederholungszyklus der Umlaufbahn beträgt 27 Tage. Damit lassen sich viele Agrarlandschaften räumlich unterscheiden, wenngleich Wolken und Flächen mit gemischter Vegetation den Aussagewert einzelner Überflüge begrenzen.

Wie FLORIS das schwache Signal herausfiltert

Um das schwache Leuchten im sehr viel stärkeren reflektierten Sonnenlicht zu erkennen, nutzt FLORIS ein spektroskopisches Verfahren. Im Sonnenspektrum gibt es schmale dunkle Bereiche, weil Gase in der Sonnen- oder Erdatmosphäre bestimmte Wellenlängen absorbieren. Dort fällt der reflektierte Hintergrund geringer aus, sodass sich der kleine Fluoreszenzanteil leichter modellieren lässt. FLORIS soll das Spektrum im Umfeld dieser Lücken mit sehr hoher Auflösung messen und nach der Korrektur atmosphärischer Einflüsse das Pflanzensignal vom Hintergrund trennen. Der erste entscheidende Test wird sein, ob das Instrument im Orbit tatsächlich die vorgesehene Messgenauigkeit erreicht.

Eine Fluoreszenzmessung allein bleibt mehrdeutig. Ein schwaches Signal kann auf gestresste Nutzpflanzen hindeuten, aber ebenso auf eine lückenhafte Vegetationsdecke, die nur wenig Licht aufnimmt. Deshalb soll FLEX gemeinsam mit einem Sentinel-3-Satelliten auf derselben Umlaufbahn fliegen und diesem mit geringem Abstand folgen. Die Sentinel-3-Instrumente messen reflektiertes Licht in mehreren Spektralbändern, woraus sich Rückschlüsse auf die Struktur des Pflanzenbestands und die Eigenschaften der Blätter ziehen lassen. Ein thermischer Sensor erfasst zudem die Oberflächentemperatur. Sie steigt, wenn Pflanzen bei Trockenheit ihre Spaltöffnungen schließen und sich nicht länger durch Verdunstung kühlen. Aus der Verbindung dieser Daten können Forschende besser abschätzen, wie viel Kohlenstoff die Vegetation tatsächlich bindet.

Zunächst soll FLEX ein Tandem mit Sentinel-3A bilden, der seit 2016 im Orbit ist. Sentinel-3C, der gemeinsam mit FLEX gestartet ist, durchläuft vorerst seine eigene Inbetriebnahme und soll die Tandemrolle später übernehmen. Der gemeinsame Raketenstart sparte zwar einen separaten Startplatz, schuf aber noch kein sofort einsatzfähiges Beobachtungspaar.

Was nun folgt

Messungen am Boden und Daten bisheriger Satelliten sprechen dafür, dass der Ansatz funktionieren kann. In einem Waldgebiet im US-Bundesstaat Colorado zeichneten kontinuierliche Fluoreszenzmessungen die saisonale Aktivierung der Photosynthese nach, obwohl die immergrünen Bäume ihre Farbe ganzjährig behielten. Eine Studie aus dem Jahr 2026 stellte fest, dass die von TROPOMI gemessene Fluoreszenz etwa zwei Jahre vor dem sichtbaren Absterben käferbefallener Wälder zurückging. Das Signal enthält demnach verwertbare ökologische Informationen; die Ergebnisse stammen allerdings von Instrumenten, deren Bauweise und räumliche Auflösung sich von FLEX unterscheiden.

Am Tag des Starts gab es noch keine kalibrierte Fluoreszenzkarte von FLEX. Die Mission soll die bereits verfügbaren Karten der Vegetationsstruktur um Informationen über die tatsächliche Pflanzenfunktion ergänzen. Während der Inbetriebnahme muss sich nun erweisen, ob FLORIS dieses Signal in der vorgesehenen räumlichen Auflösung zuverlässig erfassen kann.