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L’activité photosynthétique des végétaux vue de l'espace

Depuis 2011, l’activité photosynthétique des végétaux est directement mesurable depuis l’espace, grâce à la détection de la fluorescence émise durant la conversion de la lumière en énergie. Ce suivi par satellite vient de gagner en précision, les résolutions spatiale et temporelle des cartes dressées ayant respectivement été multipliées par 16 et par 3, mais comment ?

Couvert végétal de la planète observé par l'instrument « Végétation » à bord des satellites Spot 4 et Spot 5 du Cnes. © Cnes, Distribution Spot Image Couvert végétal de la planète observé par l'instrument « Végétation » à bord des satellites Spot 4 et Spot 5 du Cnes. © Cnes, Distribution Spot Image

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Les végétaux sont des organismes autotrophes. Ils utilisent donc la lumière solaire et des éléments inorganiques (comme l’eau et le CO2) pour produire des glucides, donc de la matière organique, dans le but de croître et de se développer. Bien sûr, ce processus biochimique intracellulaire porte un nom : la photosynthèse. Le niveau d’activité photosynthétique d’une communauté végétale en dit long sur sa santé. C’est pourquoi des scientifiques cherchent des solutions pour le suivre au fil des jours, des saisons ou des années, le tout à large échelle.

En 2011, Joanna Joiner du Nasa's Goddard Space Flight Center (États-Unis) a proposé une solution originale, bien que complexe : utiliser un satellite japonais, en l’occurrence GOSAT (pour greenhouse gases observing satellite), dans le but de mesurer la fluorescence émise par les végétaux. En effet, les plantes émettent un rayonnement qui nous est invisible durant la photosynthèse, mais qui peut voyager jusque dans l’espace. Concrètement, plus un végétal est en bonne santé, plus son activité photosynthétique est importante, et plus il émet de la fluorescence. 

Le concept a alors fait ses preuves, comme l’a confirmé la publication de cartographies mondiales de l’activité photosynthétique. Ces documents sont par exemple précieux pour les agriculteurs qui peuvent anticiper des problèmes de stress au niveau de leurs cultures, ou pour les écologues qui cherchent à mieux comprendre le cycle du carbone. Cependant, la résolution de ces cartes n’était pas très précise (200 km2), et les données n’étaient récoltées qu’une fois par mois. De plus, les outils d’analyse ne prenaient pas en compte les perturbations du signal causées par son passage dans l’atmosphère. Mais il s’agit du passé ! Une nouvelle approche vient d’améliorer toutes ces imperfections. 

À l’intérieur des cellules végétales, les chloroplastes convertissent la lumière solaire (absorbed light) en énergie, tout émettant de la fluorescence dont la signature spectrale est détectable depuis l’espace. La lumière non absorbée est soit réfléchie (reflected light), soit transmise au travers de la cellule (transmitted light).
À l’intérieur des cellules végétales, les chloroplastes convertissent la lumière solaire (absorbed light) en énergie, tout émettant de la fluorescence dont la signature spectrale est détectable depuis l’espace. La lumière non absorbée est soit réfléchie (reflected light), soit transmise au travers de la cellule (transmitted light). © T. Chase, Nasa’s Goddard Conceptual Image Lab

Une résolution spatiale 16 fois plus précise

Le signal parvenant aux satellites est particulièrement faible, tout en étant noyé dans la lumière réfléchie par la surface de la Terre et les nuages. Par ailleurs, l'onde électromagnétique peut également être perturbée par l’action absorbante de certains gaz présents dans l’atmosphère. Pour contrer ces problèmes, et être certains de bien capter le signal requis, les chercheurs ont réussi à définir une signature spectrale propre à la fluorescence émise par les végétaux. Ainsi, seuls les signaux présentant cette « empreinte digitale unique » sont enregistrés.

Pour améliorer encore la précision de leurs mesures, les chercheurs ont également eu recours à un nouvel instrument de mesure, le Global Ozone Monitoring Instrument 2 (GOME-2), qui est installé sur le satellite météorologique européen Metop-A. Il gravite en orbite héliosynchrone à environ 840 km d’altitude. Dorénavant, les cartes produites ont une résolution de 50 km2. Elles sont donc 16 fois plus précises, tout en étant mises à jour tous les 10 jours, soit trois fois plus fréquemment qu’en 2011.

Une importante subtilité de mesure depuis l'espace 

Le suivi mondial de l’activité photosynthétique par satellite complète les mesures de couverture végétale plus conventionnelles. En effet, il permet de détecter un changement de productivité avant même que cela n’impacte la couleur du végétal, ce qui est intéressant en agriculture. Des tests ont bien évidemment été menés, puis présentés dans la revue Atmospheric Measurement Techniques

Par exemple, une baisse de la photosynthèse a été observée en automne, tandis que les feuilles arboraient toujours leur belle couleur verte. Au printemps 2012, les chercheurs ont détecté une croissance précoce des plantes présentes dans les régions américaines affectées par des chaleurs inhabituelles. Ces quelques points démontrent bien la subtilité inégalée à ce jour des mesures qui peuvent maintenant être faites sur des végétaux depuis l’espace. Rappelons-le, nous plongeons ici au cœur d’un processus intracellulaire.


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