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Pflanzenleuchten hilft, Photosynthese aus dem Weltraum zu messen
Satelliten können das schwache Leuchten von Chlorophyll bereits aus dem All registrieren. Das Lichtsignal gibt Hinweise auf die Photosynthese der Vegetation, hängt aber ebenso von Umweltbedingungen und der Pflanzenstruktur ab. Ein wissenschaftlicher Überblick erklärt, wie physikalische Modelle und neue Satellitenmessungen helfen könnten, diese Einflüsse genauer zu unterscheiden.
Lawrence (U.S.A.). Pflanzen nutzen Sonnenlicht, um Zucker aufzubauen und dabei Kohlendioxid aus der Luft zu binden. Wie stark Wälder, Wiesen und Felder dies weltweit tun, lässt sich allerdings nur schwer unmittelbar messen. Messgeräte an einzelnen Blättern oder auf Messtürmen liefern genaue Daten, erfassen aber nur begrenzte Flächen.
Satelliten können dagegen ganze Landschaften beobachten und ihre Vegetationsdecke über lange Zeiträume verfolgen. Herkömmliche Verfahren erkennen vor allem, wie grün und dicht die Pflanzenbestände sind. Ein zusätzlicher Messweg nutzt ein sehr schwaches Licht, das das Blattgrün nach der Aufnahme von Sonnenenergie selbst wieder aussendet.
Wie dieses Licht mit der Photosynthese zusammenhängt, haben Wissenschaftler in einer umfangreichen Übersichtsarbeit aufgearbeitet. Daran beteiligt war Dr. Jennifer E. Johnson von der University of Kansas (KU), die den theoretischen Zusammenhang zwischen Fluoreszenz und Photosynthese mit untersucht hat. Der im Mai 2026 veröffentlichte Fachüberblick führt frühere Messungen und Modellansätze zusammen, statt eine neue globale Messreihe vorzulegen.
Chlorophyll verwendet nur einen Teil der aufgenommenen Lichtenergie für die chemischen Reaktionen der Photosynthese. Weitere Energie wird als Wärme abgegeben oder als Fluoreszenzlicht abgestrahlt, überwiegend bei roten und nahinfraroten Wellenlängen. Aus dem Weltraum lässt sich dieses schwache Signal mit besonders empfindlichen Spektrometern aus dem intensiveren reflektierten Sonnenlicht herausrechnen.
„Die frühesten Fernerkundungsstudien zur Fluoreszenz verwendeten statistische Modelle, um Zusammenhänge zwischen dem von Satelliten gemessenen Fluoreszenzlicht und der mit Messtürmen erfassten Photosynthese auf Ebene des Pflanzendachs herzustellen. Inzwischen sind wir einen Schritt weitergegangen und haben ein physikalisch begründetes Modell entwickelt, das die biologischen Vorgänge abbildet, die das von Satelliten beobachtete Fluoreszenzsignal mit der Kohlenstoffbindung verbinden. Dieser Fortschritt ermöglicht es, zu verstehen und vorherzusagen, wie Eigenschaften der Pflanzen und Umweltbedingungen die Beziehung zwischen Photosynthese und Fluoreszenz jeweils beeinflussen“, erklärt Dr. Jennifer E. Johnson.
Das diskutierte Modell berücksichtigt, wie die Lichtenergie zwischen chemischer Umwandlung, Wärmeabgabe und Fluoreszenz aufgeteilt wird. Damit lässt sich der beobachtete Lichtschein genauer mit Vorgängen in den Chloroplasten verbinden, in denen die Photosynthese stattfindet.
Der Zusammenhang ist keineswegs unter allen Bedingungen gleich stark. Bei starker Bestrahlung kann die Kohlenstoffaufnahme bereits an eine Grenze stoßen, während die Fluoreszenz weiter zunimmt. Unter Trockenstress können sich zudem die Spaltöffnungen der Blätter schließen, sodass die Kohlendioxidaufnahme sinkt, ohne dass das Fluoreszenzlicht im gleichen Maß zurückgeht.
Hinzu kommt die räumliche Struktur der Vegetation. Wie viele Blätter beleuchtet werden, wie sie im Kronendach angeordnet sind und in welche Richtung ein Satellit blickt, beeinflusst die Stärke des empfangenen Signals. Ein Teil des ausgesandten Lichts wird zudem von anderen Blättern wieder aufgenommen, bevor er den Pflanzenbestand verlässt.
Auf größeren Flächen und über längere Zeiträume korrelieren Fluoreszenz und Photosynthese dennoch häufig deutlich miteinander. Eine einzelne Satellitenmessung ist deshalb aber noch kein direkter Messwert der gebundenen Kohlendioxidmenge. Der Überblick empfiehlt, Fluoreszenzdaten mit Messungen des reflektierten Nahinfrarotlichts und mit Modellen der Pflanzenphysiologie zu k