北半球的冬天是残酷的，恶劣的环境迫使一些物种冬眠，熊会降低它们的新陈代谢状态来保存能量直到春天。森林也通过节约能源来度过冬天，关闭了光合作用，一种叫做叶绿素的绿色色素通过吸收阳光和二氧化碳(CO2)来产生为植物提供能量的化学能。光合作用产生的总化学能称为总初级生产(GPP)。常绿森林中的GPP能告诉科学家这些巨大的系统吸入了多少二氧化碳。由于光合作用将二氧化碳从大气中拉出，了解森林活动对跟踪全球碳水平至关重要。
几十年来，科学家们一直使用卫星来监测落叶林的绿度变化来跟踪GPP。在秋天和冬天，落叶在休眠时变成棕色并掉落。在春季和夏季，叶绿素随着绿叶和光合作用的增加而返回。然而，常绿乔木常年保持着充满叶绿素的绿色针叶，阻碍了科学家大规模地检测光合作用的开始和下降。一项新的研究首次将季节性GPP循环与光合作用过程联系起来，但某些卫星——太阳诱导荧光(SIF)已经可以追踪到这一过程。当太阳的能量激发叶绿素进入更高的能量状态时，光合作用就发生了。
太阳诱导荧光(SIF，红线)的季节动态与科罗拉多州Niwot Ridge针叶林的日累积初级生产总量(GPP，黑线)密切相关。图片：Adapted from Magney et al. PNAS(2019)
当叶绿素恢复到正常状态时，它会发出光子，产生的光对肉眼来说太低了，产生的“辉光”（SIF）。一个合作的研究团队在一座塔上使用扫描光谱仪来测量科罗拉多常绿森林中整个季节的荧光“辉光”。该团队是第一个将SIF与针生理学、冠层光合作用和卫星获得荧光联系起来的团队。他们发现，每日和季节的SIF模式与GPP的时间和大小紧密匹配。在春季，常绿植物激活针叶中的叶绿素，从而驱动荧光和光合作用，这与卫星能够测量到的SIF密切匹配。
植物在严酷的冬天保护自己的方法之一就是使用光保护色素，这种色素可以起到“防晒”的作用。研究发现，当植物使用这种防晒霜时，光合作用和荧光都会降低，这使得科学家们对SIF信号有信心，认为它是监测常绿森林呼吸(二氧化碳吸收)的一个代理。现在，科学家们可以利用卫星上的荧光测量数据，以前所未有的规模来衡量常绿森林的光合作用活动。通过从太空中看到常绿森林的光辉，可以更好地理解这些森林是如何应对气候变化的。美国宇航局喷气推进实验室和加州理工学院的科学家特洛伊·马格尼说：
（博科园-图示）光谱仪系统安装在科罗拉多州尼沃特岭亚高山针叶林的一座塔顶上用来测量收集数据，科学家们将该系统测量到的太阳诱导荧光(SIF)与针叶树针叶内部生理变化进行了比较，以便更好地理解为什么我们能看到SIF的季节周期。图片：Troy Magney
我们正在努力开发技术，以便能够在大范围内‘看到’光合作用，因此我们知道生物圈正在消耗多少二氧化碳。Magney和团队在科罗拉多州Niwot Ridge亚高山针叶林的一座塔顶安装了一个光谱仪系统，从该系统上收集了数据。能够解开针叶树针叶内部的生理变化，从而更好地理解为什么我们能看到SIF季节循环。原来，这一切都与色素有关。你和我可能会被晒伤，太多紫外线辐射会损害我们的细胞。一些人可以保护自己——他们的皮肤会产生更多的黑色素来适应强光环境，植物也有一个不同但相似的过程。
没有光合作用来利用太阳的能量，植物需要保护自己。研究人员发现，针叶树产生大量色素，这些色素是叶黄素循环的一部分，可以保护其组织免受过多光线的照射。在整个季节里，“防晒霜”的成分会发生变化（冬天更多，夏天更少）降低荧光和光合作用。最终，通过测量植物发出的微弱荧光，可以准确地看到陆地生物圈吸收碳的时间和数量。这将帮助我们了解森林如何应对气候变化，并提出它们可能如何应对未来的气候变化。
