Kasvien hohdetta mittaava FLEX testiin

Vega-C-raketti nousi 15. syyskuuta Ranskan Guayanasta mukanaan kaksi eurooppalaista satelliittia. Niistä FLEX mittaa kasvien yhteyttämisessä syntyvää himmeää hehkua. Signaali kertoo kasvillisuuden toiminnasta, ei vain sen vihreydestä. Darmstadtin lennonjohto sai yhteyden sekä FLEXiin että Copernicus Sentinel-3C -satelliittiin, kun ne olivat irronneet raketista suunnitellusti. Varsinainen tieteellinen työ alkaa vasta nyt.

Molemmat satelliitit asettuivat aurinkosynkroniselle kiertoradalle noin 815 kilometrin korkeuteen. Kiertoradalle pääsy ei kuitenkaan vielä takaa käyttökelpoisia mittauksia. FLEXin FLORIS-mittalaite on kalibroitava, ilmakehäkorjaukset varmennettava ja ensimmäisiä fluoresenssihavaintoja verrattava maanpinnalta tehtyihin mittauksiin. Käyttöönoton arvioidaan kestävän noin kolme kuukautta. Sen jälkeen alkaa 3,5 vuoden tutkimusjakso.

Vihje, ei diagnoosi

Kun lehtivihreä imee auringonvaloa, suurin osa energiasta käytetään yhteyttämiseen tai vapautuu lämpönä. Pieni osa säteilee takaisin himmeänä punaisena hehkuna, jota kutsutaan auringonvalon indusoimaksi fluoresenssiksi eli SIF-signaaliksi. Tavanomaiset satelliittikuvat näyttävät, missä kasvillisuutta on ja kuinka vihreältä se näyttää. Kuivuudesta kärsivä metsä voi näyttää ylhäältä terveeltä, vaikka yhteyttäminen olisi jo hidastunut. Fluoresenssi liittyy kasvien toimintaan, joten signaali voi muuttua ennen lehtien nuutumista tai ruskettumista.

Ero vastaa sitä, tarkistetaanko tehtaasta vain valojen olevan päällä vai luetaanko tuotantolinjan yhtä mittaria. Mittari antaa vihjeen toiminnasta, mutta ei kerro valmistuneiden tuotteiden määrää. Kasvien hiilensidonta voi vähentyä ilman vastaavaa muutosta fluoresenssissa, jos kasvit sulkevat nopeasti lehtiensä ilmarakoja, kuten yksi valvotuissa oloissa tehty koe osoitti. Fluoresenssi on siis hyödyllinen mutta ei yksin ratkaiseva mittari.

Signaalia on havaittu jo muilla satelliiteilla. Japanin GOSAT tuotti ensimmäisiä maailmanlaajuisia mittauksia, ja myöhemmin havaintoja tekivät NASAn OCO-2 ja Euroopan TROPOMI. Yhtäkään niistä ei kuitenkaan suunniteltu ensisijaisesti fluoresenssin mittaamiseen. Ne tarjoavat joko tarkkoja havaintoja kapeilta kaistoilta tai laajan peiton karkealla erotuskyvyllä. FLEX mittaa molempia keskeisiä fluoresenssin aallonpituusalueita 150 kilometrin levyiseltä kaistalta 300 metrin maanpintaerotuskyvyllä. Sama alue kuvataan uudelleen 27 päivän välein. Tarkkuus riittää erottamaan monia maatalousalueita toisistaan, mutta pilvet ja samalla kuva-alkiolla sijaitsevat erilaiset maanpeitetyypit rajoittavat yksittäisen ylilennon tietosisältöä.

Näin FLORIS erottaa heikon signaalin

Himmeän hehkun erottaminen moninkertaisesti voimakkaammasta heijastuneesta auringonvalosta vaatii spektrimittausta. Auringonvalon spektrissä on kapeita tummia kohtia eli aallonpituuksia, joilla Auringon tai Maan ilmakehän kaasut absorboivat säteilyä. Heijastuneen valon tausta heikkenee näissä kohdissa, jolloin fluoresenssin osuus voidaan mallintaa tarkemmin. FLORIS mittaa spektriä erittäin suurella erotuskyvyllä näiden kohtien ympäriltä ja erottaa kasvien signaalin taustasta ilmakehän vaikutusten korjaamisen jälkeen. Ensimmäinen ratkaiseva näyttö on, saavuttaako laite kiertoradalla sille asetetun mittaustarkkuuden.

Pelkkä fluoresenssimittaus jättää tulkinnanvaraa. Heikko signaali voi kertoa kasvien stressistä tai harvasta kasvillisuudesta, joka imee vain vähän valoa. FLEX lentää Sentinel-3-satelliitin rinnalla samalla kiertoradalla hieman sen jäljessä. Sentinel-3 mittaa heijastunutta valoa useilla aallonpituusalueilla, mikä auttaa arvioimaan kasvuston rakennetta ja lehtien ominaisuuksia. Sen lämpöanturi seuraa maanpinnan lämpötilaa. Lämpötila nousee, kun kuivuudesta kärsivät kasvit sulkevat ilmarakonsa eikä haihtuminen enää jäähdytä niitä. Yhdistämällä havainnot tutkijat voivat rajata tarkemmin arvioita kasvillisuuden sitoman hiilen määrästä.

Aluksi FLEX toimii yhdessä vuodesta 2016 kiertoradalla olleen Sentinel-3A:n kanssa. Samalla raketilla laukaistu Sentinel-3C käy ensin läpi oman käyttöönottovaiheensa ja korvaa myöhemmin Sentinel-3A:n FLEXin parina. Yhteislaukaisu säästi yhden laukaisupaikan, mutta ei vielä muodostanut toimintavalmista havaintoparia.

Mitä seuraavaksi tapahtuu

Maanpinnalta ja satelliiteista tehdyt aiemmat tutkimukset tukevat menetelmän käyttökelpoisuutta. Coloradossa jatkuvat fluoresenssimittaukset seurasivat metsän yhteyttämisen vuodenaikaista käynnistymistä, vaikka ikivihreät puut säilyivät vihreinä läpi vuoden. Vuonna 2026 julkaistussa tutkimuksessa TROPOMIn mittaama fluoresenssi heikkeni noin kaksi vuotta ennen kuin kaarnakuoriaisten tuhoamien metsien kuolema näkyi ulospäin. Tulokset osoittavat signaalin sisältävän tietoa kasvillisuuden tilasta, mutta tutkimuksissa käytettyjen laitteiden rakenne ja mittakaava poikkeavat FLEXistä.

Laukaisupäivänä FLEXiltä ei vielä ollut yhtään kalibroitua fluoresenssikarttaa. Sen on tarkoitus täydentää kasvillisuuden rakennetta kuvaavia karttoja tiedolla kasvien toiminnasta. Käyttöönotossa selviää, pystyykö FLORIS mittaamaan signaalin luotettavasti suunnitellulla alueellisella tarkkuudella.