AustroSIF

Frühzeitige Stresserkennung in österreichischen Ökosystemen durch sonneninduzierte Chlorophyllfluoreszenz.

Kurzbeschreibung

Ausgangssituation / Motivation

Dank der immer besser werdenden globalen räumlichen Abdeckung und zeitlichen Auflösung, stellen satelliten-basierte Fernerkundungsansätze eine zentrale Säule für die Überwachung der Integrität und Vitalität von Ökosystemen dar.

Konventionelle Fernerkundung auf Basis optischer Signale bietet jedoch nur wenig Potential zur frühzeitigen Erkennung von sich entwickelnden Stresszuständen von Ökosystemen, da sich Veränderungen in der Reflexion im Bereich des sichtbaren und des naheninfrarot Lichts in der Regel erst messbar werden, wenn die mit dem Stress einhergehenden strukturellen und funktionellen Ökosystemveränderung schon weit fortgeschritten sind.

Hier zeigen Messungen der sonneninduzierten Chlorophyllfluoreszenz (SIF) ein wesentlich höheres Potenzial. Chlorophyllfluoreszenz entsteht wenn Sonnenenergie von Chlorophyllmolekülen im Inneren der Blätter von Pflanzen absorbiert, aber nicht für die Fotosynthese verwendet und auch nicht in Wärme umgewandelt wird, sondern bei einer etwas höheren Wellenlänge abgegeben wird.

Veränderungen in der Chlorophyllfluoreszenz resultieren dabei aus fein regulierten Veränderungen in der Energienutzung der Pflanze und SIF ist daher ein höchst sensitives optisches Signal das Rückschlüsse auf den Stress von Pflanzen zulässt bevor dieser von konventionellen Fernerkundungsindices erfasst werden kann.

Inhalte und Zielsetzungen

Unsere bisherigen Arbeiten zu diesem Thema haben allerdings gezeigt dass neben SIF auch Veränderungen in der Abgabe von Wärme quantifiziert werden müssen, um tatsächlich festzustellen in wie weit Pflanzen Stress ausgesetzt sind und dass dies über Veränderungen in der Reflexion im Bereich des grünen Lichts, mittels des sog. photochemischen Reflexionsindex (PRI), möglich ist.

Satelliten-basierte SIF Messungen wurden in den letzten Jahren von einigen Satellitenplattformen verfügbar, allerdings sind deren räumlich-zeitlich Auflösung und das Signal-Rausch-Verhältnis noch unbefriedigend - ein großer Sprung bezüglich Datenqualität ist von der ESA Earth Explorer Mission FLEX, deren Start für Mitte 2023 geplant ist, zu erwarten.

Das übergeordnete Ziel des beantragten Projektes ist es heutige und zukünftige satelliten-basierte Chlorophyllfluoreszenz Messungen zu einem sensitivem und zuverlässigen Werkzeug für die frühzeitige Erkennung von Stresszuständen in Ökosystemen zu machen.

Methodische Vorgehensweise

Im Rahmen des beantragten Projekts werden dazu satelliten-basierte Messungen durch bodengestützte Naherkundungsmessungen von aktiver und passiver Chlorophyllfluoreszenz und hyperspektraler Reflexion, aus welcher der PRI abgeleitet werden kann, simuliert.

Diese Messungen werden an einer Reihe von für Österreich typischen Ökosystemen durchgeführt. Momentan verfügbarer Satellitenprodukte werden dazu verwendet, um diesen Ansatz auf größeren räumlichen-zeitlichen Skalen zu testen.

Erwartete Ergebnisse

Schließlich werden prozess-orientierte Modelle verwendet um die den beobachteten Daten zugrunde liegenden Steuergrößen zu analysieren und Empfehlungen für den optimalen kombinierten Einsatz von SIF und PRI zur frühzeitigen Erkennung von Ökosystemstresszuständen entwickelt.