Bagaimana Kita Mengukur Fotosintesis?

Oleh: Natalie Douglas

Fotosintesis adalah proses biologis yang menghilangkan karbon (dalam bentuk karbon dioksida) dari atmosfer dan karenanya merupakan proses kunci dalam menentukan jumlah perubahan iklim. Jadi, bagaimana kita mengukurnya sehingga kita bisa menggunakannya dalam pemodelan iklim? Jawabannya adalah, singkatnya, kami tidak.

Fotosintesis adalah proses dimana tumbuhan hijau menyerap karbondioksida (CO2).₂) dan air dan menggunakan sinar matahari untuk mensintesis nutrisi yang dibutuhkan untuk menopang diri mereka sendiri. Karena tanaman menyerap CO2₂, dan menghasilkan oksigen sebagai produk sampingan, tingkat di mana mereka melakukannya adalah proses atmosfer yang mendasar dan memainkan peran penting dalam perubahan iklim. Dalam ilmu iklim, kami menyebut angka ini sebagai Produktivitas Primer Bruto atau GPP. Biasanya diukur dalam kgm^-2S^-1 yang merupakan kilogram karbon per meter persegi per detik. Tetapi mengapa kita perlu mengetahui hal ini? Model iklim, juga dikenal sebagai General Circulation Models (GCMs), membagi permukaan bumi menjadi sel kisi tiga dimensi yang biasanya memiliki resolusi spasial horizontal 100 km kali 150 km di garis lintang tengah. Dengan menggunakan superkomputer, serangkaian persamaan matematika yang mengatur proses laut, atmosfer, dan daratan diselesaikan dan hasilnya diteruskan di antara sel tetangga untuk memodelkan pertukaran materi (seperti karbon) dan energi dari waktu ke waktu. [1]. Dasar untuk solusi mereka adalah apa yang kita sebut kondisi awal (keadaan variabel iklim pada awal menjalankan model) dan kondisi batas (keadaan variabel yang diperlukan di permukaan tanah). Karena kerumitan proses yang terlibat, kami memerlukan jenis model lain untuk menyediakan model permukaan lahan yang terakhir.

Tidak mungkin hanya mengukur fotosintesis; instrumen yang mengukur jumlah karbon yang diserap tumbuhan dari atmosfer sebenarnya tidak ada. Namun, ada menara kovarian eddy yang mampu mengukur fluks karbon di lokasi tertentu. Lokasi menara ini jarang tetapi memberikan perkiraan yang baik untuk fluks di lokasi tertentu. Jika dimungkinkan untuk menyediakan fluks kovarian eddy di semua lokasi grid, katakanlah di pusatnya, ini akan cukup untuk GCM, tetapi karena ini benar-benar tidak dapat dilakukan, kami memerlukan model permukaan tanah. The Joint UK Land Environment Simulator, atau JULES, adalah komponen permukaan tanah Inggris dari Model Terpadu Met Office yang digunakan untuk aplikasi cuaca dan iklim [2], [3]. Sebelum JULES dapat memodelkan fluks karbon, diperlukan ansambel informasi termasuk jenis permukaan, data cuaca dan tanah, nilai parameter model, dan kondisi awalnya sendiri. Modul dalam JULES kemudian dapat menghitung serapan karbon pada batas permukaan sel grid berdasarkan jumlah daun di dalam grid, perbedaan CO₂ konsentrasi antara permukaan daun dan atmosfer, dan beberapa faktor pembatas seperti ketersediaan cahaya dan kelembaban tanah [4]. Gambar 1 menunjukkan representasi rata-rata GPP bulanan untuk Juni 2017 seperti yang dimodelkan oleh JULES.

Gambar 1.

Earth Observation (EO) memainkan peran penting dalam mengembangkan penelitian iklim saat ini. Ada banyak satelit di luar angkasa yang menangkap berbagai karakteristik permukaan bumi secara berkala dan pada resolusi spasial yang berbeda. Ilmuwan dengan cerdik mengubah data ini, menggunakan matematika, menjadi variabel yang diperlukan. Misalnya, satelit MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) NASA mengukur cahaya dalam berbagai panjang gelombang dan tim ilmuwan mengubah data ini menjadi produk GPP 8 hari. [5]. Baik model maupun data EO tidak 100% akurat dalam menentukan variabel yang diperlukan untuk model permukaan tanah dan perubahan iklim, dan begitu banyak penelitian saat ini berfokus pada menggabungkan kedua set informasi dalam metode yang disebut Asimilasi Data (DA). Menggunakan matematika lagi, metode DA mengambil perkiraan model dan pengamatan serta informasi mengenai ketidakpastiannya untuk menemukan tebakan optimal dari keadaan variabel yang ‘sebenarnya’. Metode-metode ini memungkinkan kita mendapatkan gambaran yang lebih baik tentang keadaan planet kita saat ini dan di masa depan.