Предсказание того, как увеличение атмосферного CO2 повлияет на гидрологический цикл, от экстремальных прогнозов погоды до долгосрочных прогнозов по сельскому хозяйству и водным ресурсам, имеет решающее значение как для повседневной жизни, так и для будущее планеты. Принято считать, что гидрологические изменения вызываются осадками и радиационными изменениями, вызванными изменением климата, и что по мере того, как земная поверхность приспосабливается, повышение температуры и уменьшение количества осадков сделают планету более сухой.
Columbia Engineering исследователи обнаружили, что, наоборот, растительность играет доминирующую роль в круговороте воды на Земле и что растения будут регулировать и доминировать в растущей нагрузке на континентальные водные ресурсы в будущем. Исследование, проведенное Пьером Жентином, адъюнкт-профессором геолого-экологической инженерии в Columbia Engineering и Институте Земли, опубликовано сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Наш вывод о том, что растительность в будущем будет играть ключевую роль в гидрологической реакции суши и водном стрессе, имеет первостепенное значение для правильного прогнозирования засушливости и водных ресурсов в будущем», - говорит Гентин, чьи исследования сосредоточены на взаимосвязи между гидрологией и наукой об атмосфере., взаимодействие земли и атмосферы и его влияние на изменение климата. «Это может стать настоящим прорывом в понимании изменений нагрузки на континентальную воду в будущем».
Команда Гентина впервые выделила реакцию растительности из общей комплексной реакции на глобальное потепление, которая включает такие переменные водного цикла, как эвапотранспирация (вода, испаряющаяся с поверхности, как с растений, так и с голой почвы) почва влаги и стока. Отделив реакцию растительности на глобальное повышение концентрации CO2 от реакции атмосферы (парниковых газов), они смогли количественно оценить ее и обнаружили, что растительность на самом деле является доминирующим фактором, объясняющим будущее воды. стресс.
«Растения на самом деле являются термостатом мира», - говорит Лео Лемордан, аспирант Gentine и ведущий автор статьи. «Они находятся в центре водного, энергетического и углеродного циклов. По мере того, как они поглощают углерод из атмосферы, они выделяют воду, которую берут из почвы. Делая это, они также охлаждают поверхность, контролируя температура, которую мы все чувствуем. Теперь мы знаем, что в основном растения, а не просто осадки или температура, скажут нам, будем ли мы жить в более сухом или более влажном мире».
Для исследования Гентин и Лемордан взяли модели системы Земля с развязанными поверхностными (физиология растительности) и атмосферными (радиационными) откликами CO2 и использовали мультимодельный статистический анализ из CMIP5, самый последний набор скоординированных экспериментов с моделями климата, созданный в качестве проекта международного сотрудничества для Международной группы экспертов по изменению климата. Они использовали три прогона: контрольный прогон с CO2 на уровне листьев и в атмосфере, прогон, в котором только растительность реагирует на повышение CO2и пробег, в котором только атмосфера реагирует на увеличение CO2.
Их результаты показали, что изменения ключевых переменных водного стресса сильно модифицируются физиологическими эффектами растительности в ответ на увеличение CO2 на уровне листа, что свидетельствует о том, насколько глубоко физиологические эффекты из-за увеличения содержания CO2 в атмосфере влияет на круговорот воды. Физиологическая реакция CO2 играет доминирующую роль в эвапотранспирации и оказывает основное влияние на долгосрочный сток и влажность почвы по сравнению с радиационными изменениями или изменениями осадков из-за увеличения атмосферного CO 2
Это исследование подчеркивает ключевую роль растительности в контроле будущей гидрологической реакции суши и подчеркивает, что континентальные циклы углерода и воды тесно связаны на суше и должны изучаться как взаимосвязанная система. В нем также подчеркивается, что гидрологи должны сотрудничать с экологами и учеными-климатологами, чтобы лучше прогнозировать будущие водные ресурсы.
«Физиологические эффекты биосферы и связанные с ними взаимодействия между биосферой и атмосферой являются ключом к прогнозированию будущего стресса континентальной воды, представленного эвапотранспирацией, долгосрочным стоком, влажностью почвы или индексом площади листьев», - говорит Гентине. «В свою очередь, водный стресс растительности в значительной степени регулирует поглощение углерода землей, что еще больше подчеркивает, насколько тесно связаны будущие углеродный и водный циклы, так что их нельзя оценивать изолированно».
Gentine и Lemordant планируют еще больше распутать различные физиологические эффекты. «Реакция растительности сама по себе действительно сложна, - говорит Гентине, - и мы хотим разложить влияние роста биомассы на реакцию устьиц. Существуют также последствия для экстремальных тепловых волн, над которыми мы сейчас работаем».
«Эта работа подчеркивает важную необходимость дальнейшего изучения того, как растения будут реагировать на повышение содержания углекислого газа в атмосфере», - говорит Джеймс Рандерсон, профессор наук о системе Земли Калифорнийского университета в Ирвине, который не участвовал в исследовании.«Растения могут оказывать большое влияние на климат земли, и нам нужно лучше понять, как они будут реагировать на углекислый газ, потепление и другие формы глобальных изменений».