The Earth as an extrasolar planet:the vegetation spectral signature

The Earth as an extrasolar
planet: the vegetation spectral
signature today and during the
last Quaternary climatic extrema
Luc Arnold, François-Marie Bréon und
Simon Brewer
International Journal of Astrobiology 8 (2): 81-94 (2009)
Spezielle Aspekte der Astrobiologie
(Forschungsplattform Exolife)
Ruth-Sophie Taubner
19.Mai 2010
Kernfrage
Kann man Vegetation auf einem
erdähnlichen Planeten detektieren,
wenn dieser ein anderes Klima als die
moderne Erde aufweist?
2
Methode
Vegetation Red-Edge (VRE):
starker
Anstieg des
Spektrums
bei ≈700 nm
Credits: Clark, 1999 (I)
3
Gewählte Klimastufen
Klimastufe
Holozän
Pleistozän
~ 0.01
– heute
2.6 –
0.01
Serien des Systems
Quartär
(chronostratigraphische Zeiteinheiten)
Subatlantikum
Zeitraum
[in 103 Jahren]
0.450 v.Chr. – heute
Subboreal
3.710 – 0.450
Atlantikum
7.270 – 3.710
Boreal
8.690 – 7.270
Präboreal
9.610 – 8.690
Tarantium
126 – 11.7
Ionium
781 – 126
Calabrium
1806 – 781
Gelasium
2588 – 1806
4
Zeitangaben: Wikipedia
Input
Biom-Karte (Biome3.5 model):
Vegetationsmodell – simuliert Biogeographie und
(Haxeltine & Prentice 1996)
Biogeochemie
• Inputparameter:
• monatl. Variable Klimadaten
(Temperatur, Niederschlag, Sonnenschein)
• minimale jährliche Temperatur
• Atmosphärische CO2 Konzentration
• weiters:
• gekoppeltes hydrologisches Modell
(Feuchtigkeitsindikator)
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Input
(Biom-Karte)
• Produktivität und
Abdeckung einer Reihe
bestimmter Pflanzen
(Leaf Area Index)
 durch Vergleich:
Dominanz eines Typs
feststellen
 Biome für eine
Region bestimmen
 hier: insgesamt
24 Biome
(II)
6
Tarantium
„letzte Eiszeit“ (LGM)
Kalte Periode (≈ - 4 K) (Braconnot et al. 2007)
große Ausdehnung von Eisflächen (v.a. nördl. Hemisphäre)
Meeresspiegel deutlich niedriger (- 121 ± 5 m) (Fairbanks 1989)
(II)
7
Atlantikum
(holozänes Optimum)
Temperatur: nördl. Hemisphäre ≈ + 2 K, global ≈ + 0.5 K) (Braconnot et al. 2007)
grünere Sahara (gemäßigtes Grassland) (Ritchie & Haynes 1987; Bonfils et al. 2001)
(II)
8
Heute
Sahara wieder Wüste bzw. Ödland
weniger tropische Savannen in Südamerika und Mittelafrika
(II)
9
Input
Biom-Spektren:
Sammlung an GOMESpektren (Global Ozone
Monitoring Experiment):
Spektrum für Biom 0 bis 2
18 - 20. Mai 1999
 Frühling
(nördl. Hemisphäre)
 Deklination ≈ +19.7°
 polare Nacht ab -70.3°
(südl. Hemisphäre)
(II)
 Referenz-Spektrum für jedes der 24 Biome aus GOME-Daten
(weitere: siehe [1])
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Wolkenbedeckung
Aktuell:
Daten: International Satellite Cloud Climatology Project
(ISCCP)
ebenfalls Mai (1999 bis 2004)
berücksichtigen: Wolken in verschiedenen Höhen haben
verschiedene Reflektivität r ( Einteilung in 3 Schichten: L, M, H)
 mit jeweiliger Albedo gewichtet und mit Albedo der
untersten Wolkenschicht normiert:
aM
aH
rcc = ccL +
ccM +
ccH
aL
aL
(1)
rcc ... (global) cloud cover map
cc ... different altitude cloud cover maps
a ... albedo of the different altitudes
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Wolkenbedeckung
Aktuell:
12
(II)
Wolkenbedeckung
holozänes Optimum bzw. LGM
Daten: UK Meteorological Office General Circulation Model
(UKMO GCM)
Simulations-Output: 17 Schichten unterschiedlichen Drucks
(10 bis 1000 mbar)
 ebenfalls Einteilung in 3 Schichten
 führt zu Überschätzung der Wolkenbedeckung
Wolken-Reflektivitäts-Karte wieder mit Glg. (1)
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Wolkenbedeckung
holozänes Optimum
14
(II)
Wolkenbedeckung
LGM
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(II)
Spektrum
2-Schichten-Karte der Erde (Biom und Wolken) für jedes Pixel
erstellt (bei Ozean: statt Biom  Eisschichtbedeckung)
Annahmen:
Credits: ISCCP (V)
• „Lambertian Earth“ =
alle Biome, Ozeane und
Wolken haben eine
isotrope Reflektivität
( Vernachlässigung
der spiegelnden
Reflektionen auf
Meeresoberfläche)
• Wolken:
optisch dick (τ= 3.86)
[5]
16
Spektrum
Globales Spektrum
ER(λ) (global Earth Reflectance spectrum):
lineare Kombination der Spektren von jedem Biom, Ozean
und Wolkenbedeckung, gewichtet nach deren jeweiliger
Anzahl an Pixeln und aufintegrierten Strahlung im projiziertem
Bild, wobei ein Pixel eine Kombination aus 2 oder drei
Elementen sein kann (Biom und Wolken oder Ozean,
Ozean+Eis und Wolken)
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Spektrum
VRE aus ER(λ) messen
Zunächst: Verzerrungen entfernen
• atmosphärische Moleküle (biotisch oder abiotischen
Ursprungs)
• Mineralien, die über weite Landflächen verbreitet sind
VRE quantitativ angenähert durch:
rI − rR
VRE =
rR
(2)
(Arnold et al 2002, Hamdani et al. 2006)
rI … NIR-Reflektivität
rR ... “rote” Reflektivität
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Spektrum
Weitere Verzerrungen:
• Absorption von Molekülen in Atmosphäre
(Ozon, Wasserdampf, Sauerstoff)
• Streuung in Atmosphäre
(Léna et al 1996)
• spektrale Signatur von Wüsten
(Arnold et al. 2003, Arnold 2008)
Funktion, die diese Biases beschreibt:

 A3
A1
+ A2 × sd  × sO3
f (λ ) =  A0 + 4
2.5 1.5
λ + λe λ


(3)
ER(λ)-Spektrum wird mit vegetationsarmen Modell f(λ)
normiert!
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VRE-Signal
VRE-Werte für:
• verschiedene Inklinationen i
(i=n*45°)
• verschiedene Winkel φ : orbitale Phase der Erde
gesehen von dem Beobachtungsort (φ=n*90°)
Bereich:
VRE ≈ 0.8 bis 8.4
LGM (i=45°, φ=270°)
(über 24h gemittelt)
Hol. Optimum (i=90°, φ=180°)
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(II)
Ergebnisse
Wichtigste Erkenntnis:
Die verschiedenen klimatischen Bedingungen haben nur
einen kleinen Einfluss auf das „Vegetationssignal“
Dennoch erkennbar:
• Nördliche Hemisphäre (i=45°):
• VREhol.Opt. > VREheute > VRELGM
( grünere Sahara)
• Südliche Hemisphäre:
• VRE ein wenig überschätzt, da Daten nur für Mai
( Herbst) verwendet
• VRE während LGM höher ( grüneres Australien?)
(Problem: stimmt nicht mit Beobachtungen überein)
21
Ergebnisse
(VI)
22
Ergebnisse
(VI)
23
Umsetzung
Satellitenmissionen:
SEE-COAST
ESA Cosmic Vision 2015-2025 Proposal
1.5m-Off-Axis-Teleskop (400-1250 nm)
Spektroskopie, Polarimetrie
RPlanet ≤ 2 Erdradien (auch in HZ)
~ MJ: 15 pc
Credits: CNES (III)
~ Super-Erden: 5 pc
„Ocean-Planets“
[2]
24
Umsetzung
Satellitenmissionen:
TPF-C
„under study“ (NASA)
(6-8)m x 3.5m elliptisches off-axis
Teleskop (0.5- 1.1 µm)
Planetensystem-Architektur
(nur) 35-50 Sterne in 2 Jahren
[3]
Hyperteleskope
weite Zukunft
Credits: NASA (IV)
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Zusammenfassung
Spektrum der gegenwärtige Erde mit jenem im holozänen
Optimum und LGM verglichen
 kein großer Unterschied in den VRE-Werten
(dennoch: Differenzen (z.B. Sahara) erkennbar)
Verbesserungen:
• weitere Modelle als Input
(z.B.: dynam. Vegetation (Sitch et al. 2003))
• Erde zu älteren Epochen betrachten:
 andere Form der Kontinente
 extremeres Klima
 Problem: wenige gesicherte Daten
26
Literaturverzeichnis
[1]
Arnold, L. (2009). The Earth as an extrasolar planet: the vegetation spectral
signature today and during the last Quaternary climatic extrema, International
Journal of Astrobiology, Volume 8, Issue 2, p. 81-94
+ Referenzen in diesem Paper (mit Autorenname gekennzeichnet!)
[2]
Schneider, J. et al. (2009). Super Earth Explorer: A Coronagraphic Off-Axis
Space Telescope, Experimental Astronomy, Volume 23, p. 357-377
[3]
Levine, M. (2009). Terrestrial Planet Finder – Coronagraph (TPF-C) Flight
Baseline Mission Concept, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of
technology
[4]
Rickman, H. (2008) Light Scattering, Absorption and Emission –
Vorlesungsskript zu “Physics of the Planetary System” (Universität Uppsala, WS
2009)
[5]
ISCCP data analysis, http://isccp.giss.nasa.gov/climanal1.html, 2009
27
Abbildungsverzeichnis
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
Clark, R. N., Chapter 1: Spectroscopy of Rocks and Minerals, and Principles of
Spectroscopy, in Manual of Remote Sensing, Volume 3, Remote Sensing for the
Earth Sciences, (A.N. Rencz, ed.) John Wiley and Sons, New York, p 3- 58,
1999.
Arnold, L. (2009). The Earth as an extrasolar planet: the vegetation spectral
signature today and during the last Quaternary climatic extrema, International
Journal of Astrobiology, Volume 8, Issue 2, p. 81-94
http://smsc.cnes.fr/COROT/lien2_scie.htm, Copyrights 2006 - © CNES
http://planetquest.jpl.nasa.gov/images/TPF_C2_m-600.jpg, © NASA
http://isccp.giss.nasa.gov/zD2BASICS/B26glbp.anomdevs.jpg, © ISCCP, 2006
http://www.obs-hp.fr/~larnold/results/2009_IJAstrobio/VRE.html, Arnold et al.
2009, International Journal of Astrobiology
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