Новое исследование Columbia Engineering, проведенное под руководством Пьера Жентина, доцента геолого-экологической инженерии, анализирует глобальные спутниковые наблюдения и показывает, что растительность изменяет климат и погодные условия на целых 30 процентов. Используя новый подход, исследователи обнаружили, что обратная связь между атмосферой и растительностью (наземной биосферой) может быть довольно сильной, объясняя до 30 процентов изменчивости осадков и поверхностной радиации. В статье (DOI 10.1038/ngeo2957), опубликованной 29 мая в журнале Nature Geoscience, впервые рассматриваются взаимодействия биосферы и атмосферы с использованием исключительно данных наблюдений, и она может значительно улучшить прогнозы погоды и климата, имеющие решающее значение для выращивания сельскохозяйственных культур, продовольственной безопасности, водоснабжения, засухи., и тепловые волны.
«Хотя в настоящее время мы можем делать довольно надежные прогнозы погоды, как, например, пятидневные прогнозы, у нас нет хорошей прогностической способности в субсезонном или сезонном временном масштабе, что важно для продовольственной безопасности», - говорит Гентина. «Благодаря более точному наблюдению и моделированию обратной связи между фотосинтезом и атмосферой, как мы это сделали в нашей статье, мы сможем улучшить прогнозы климата в более длительных временных масштабах».
Растительность может влиять на климат и погодные условия из-за выделения водяного пара во время фотосинтеза. Выброс пара в воздух изменяет потоки поверхностной энергии и приводит к потенциальному образованию облаков. Облака изменяют количество солнечного света или излучения, которое может достичь Земли, влияя на энергетический баланс Земли, а в некоторых районах могут привести к осадкам. «Но до нашего исследования исследователи не могли точно определить в наблюдениях, насколько фотосинтез и биосфера в целом могут влиять на погоду и климат», - говорит Джулия Грин, аспирантка Gentine и ведущий автор статьи.
Недавние достижения в спутниковых наблюдениях за солнечной флуоресценцией, прокси для фотосинтеза, позволили команде сделать вывод об активности растительности. Они использовали данные дистанционного зондирования об осадках, радиации и температуре, чтобы представить атмосферу. Затем они применили статистический метод, чтобы понять причину и петлю обратной связи между биосферой и атмосферой. Это первое исследование, посвященное взаимодействию между землей и атмосферой, чтобы определить как силу прогностического механизма между переменными, так и временной масштаб, в котором эти связи возникают.
Исследователи обнаружили, что существенные петли обратной связи между растительностью и осадками часто возникают в полузасушливых или муссонных регионах, по сути, в горячих точках, которые являются переходными между энергетическим и водным дефицитом. Кроме того, сильная обратная связь между биосферой и излучением часто присутствует в нескольких умеренно влажных регионах, например на востоке США и в Средиземноморье, где осадки и радиация усиливают рост растительности. Рост растительности увеличивает теплопередачу и увеличивает высоту пограничного слоя Земли, самой нижней части атмосферы, которая очень чувствительна к поверхностному излучению. Это увеличение, в свою очередь, влияет на облачность и приземную радиацию.
«Существующие модели системы Земли недооценивают эти осадки и радиационную обратную связь главным образом потому, что они недооценивают реакцию биосферы на радиацию и реакцию водного стресса», - говорит Грин. «Мы обнаружили, что обратные связи между биосферой и атмосферой группируются в горячих точках, в определенных климатических регионах, которые также совпадают с областями, которые являются основными континентальными источниками и поглотителями CO2. Наше исследование показывает, что эти обратные связи также важны для глобального углеродного цикла - они помогают определить чистый баланс CO2 в биосфере и имеют значение для улучшения важных управленческих решений в сельском хозяйстве, безопасности, изменении климата и многом другом».
Гентин и его команда в настоящее время изучают способы моделирования того, как взаимодействия биосферы и атмосферы могут измениться при изменении климата, а также узнают больше о движущих силах фотосинтеза, чтобы лучше понять атмосферную изменчивость.
Пол Дирмейер, профессор кафедры наук об атмосфере, океане и земле в Университете Джорджа Мейсона, не участвовавший в исследовании, отмечает: «Грин и др. выдвинули интригующую и захватывающую новую идею, расширяющую наши меры обратных связей между землей и атмосферой, возникающих в основном из-за явления круговорота воды и энергии, включая биосферу, как в качестве реакции на климатическое воздействие, так и в качестве реакции на климатическую реакцию."