Van blad cel tot boom toppen

Een computermodel van de groene planten op aarde

Kunnen we mogelijk leven op exoplaneten waarnemen? Nou, dit hangt ten eerste af van onze definitie van het begrip leven. Planten zijn zonder twijfel cruciaal voor al het leven op aarde. Daarom kunnen we onze vraag misschien veranderen in: Kunnen we planten meten op exoplaneten? Om deze vraag te beantwoorden moeten we eerst bestuderen en begrijpen hoe we vegetatie op aarde kunnen waarnemen. Alleen dan zouden we misschien kunnen begrijpen hoe vegetatie er op astronomisch verre planeten uitziet en vooral: welke instrumenten er nodig zijn om vegetatie op planeten buiten ons zonnestelsel te kunnen waarnemen.

Aangezien ik me zal richten op het detecteren van vegetatie, wil ik graag meer kennis opdoen over planten in het algemeen. Tijdens de middelbare school was het vak biologie niet verplicht voor mij. Zodoende heb ik slechts beperkte kennis over bladeren, planten, bomen en over de natuur in het algemeen. Wat ik wél weet, is dat planten een belangrijke rol spelen in de geschiedenis van onze aarde. Ze absorberen zonnestralen en zetten deze door middel van fotosynthese om een chemische energie. Op die manier verminderen ze de concentratie koolstofdioxide in de atmosfeer, verhogen ze het zuurstofgehalte en produceren op die manier essentiële brandstof voor bijna al het overige leven op aarde.

Behalve dat ze als brandstof dienen, versnellen planten de watercyclus op aarde met het zogenaamde transpiratieproces. In principe is dat een soort van... zweten. Wablief? Nou, planten absorberen vloeibaar water via hun wortels en laten hetzelfde water weer los als waterdamp in de atmosfeer dankzij kleine huidmondjes op hun bladeren. Slechts een kleine hoeveelheid water blijft achter in de plant.

Oke, cool, dus ik weet wel iets van planten. Alleen hoe kan ik mijn kennis nog meer uitbreiden? Gelukkig is het tegenwoordig als onderzoeker vrij gemakkelijk om samenwerkingsverbanden op te zetten tussen verschillende disciplines en instituten. Vorig jaar raakte ik in contact met het Instituut voor Milieuwetenschappen. Die ontwikkelden een verbazingwekkend computermodel dat de absorptie, reflectie en transmissie van zonlicht simuleert zodra het het oppervlak van een plant raakt.

Met dit model kunnen we berekenen hoe de spectrale signatuur van planten vanuit de ruimte op afstand wordt waargenomen. In de komende weken zal ik overwegen welke modelschalen interessant zouden zijn voor mijn onderzoek, welke soorten planten ik zou willen simuleren en nadenken over het belang van temporele veranderingen, zoals winter en zomer of zon en schaduw.

• Modelschalen: de verschillende schalen waarvoor het mogelijk is om vegetatie te simuleren kan variëren van microscopische tot macroscopische schaal. Het is mogelijk om de verstrooiing van licht te modelleren tussen de kleine elementen zoals individuele cellen of moleculen in bladeren of juist de grote elementen zoals meerdere bladeren aan boomtakken. We kunnen zelfs bossen simuleren door meerdere bomen bij elkaar te voegen.
• Plantensoorten: we kunnen tot in de kleinste details specifieke plantensoorten modelleren. Echter, bij het waarnemen van grote groene gebieden op het aardoppervlak vanuit de ruimte zien we een gemiddeld signaal van verschillende soorten planten. Daarnaast hebben we voor sommige plaatsen op de aarde hebben we misschien geen duidelijk beeld van het soort planten daar aanwezig zijn. Vandaar dat we moeten nadenken over het berekenen van een aantal algemene gemiddelde signalen van vegetatie voor diverse locaties op aarde.
• Seizoensgebonden veranderingen: de seizoenen hebben een grote invloed op de vegetatie, en daardoor ook op de spectrale signalen die wij vanuit de ruimte zouden kunnen waarnemen. In de lente wordt er meer water in de bladeren (en de bodem) opgeslagen, terwijl de bladeren in de zomer erg droog kunnen zijn. Bij het modelleren van individuele bladeren worden dit soort specifieke details over de hoeveelheden water én of planten in de volle zon of in de schaduw staan, erg belangrijk.

Dit model klinkt erg veelbelovend! Er moet echter nog een extra berekening worden gemaakt voordat ik het model kan gebruiken. Op dit moment is de algemene output, van deze zogenaamde stralingsoverdracht berekeningen, alleen een intensiteit. Voor mijn onderzoek wil ik vooral weten hoe de polarisatierichtingen van zonlicht dat verstrooid wordt op planten eruit zien. Daarom zal ik in de komende maanden een plan opzetten om polarisatie van op planeten verstrooit zonlicht te meten en deze te implementeren in deze bestaande modellen. Ik zal jullie op de hoogte houden van dit ontzettend interessante en multidisciplinaire project.