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    Une étude utilise la télédétection pour surveiller les eaux souterraines le long des corridors fluviaux dans le sud-ouest

    Une végétation luxuriante suit le chemin de la rivière Virgin alors qu'elle coupe comme un ruban vert à travers le désert du comté de Washington, Utah. Crédit :MARC MAYES

    Passez du temps dans l'une des grandes forêts du monde et vous commencerez à voir les arbres comme d'immenses piliers tenant le ciel en l'air tout en étant fermement ancrés dans la terre. C'est autant un fait qu'un sentiment. Les arbres relient vraiment le sol au ciel en échangeant de l'énergie et de la matière entre le sol et l'atmosphère. Les chercheurs pensent que la compréhension de ce lien pourrait fournir à la fois une mine d'informations scientifiques sur les écosystèmes et des applications pratiques permettant de relever des défis tels que la conservation et la gestion des ressources en eau.

    Une étude récente dirigée par Marc Mayes de l'UC Santa Barbara examine comment les modèles de perte d'eau des arbres dans l'atmosphère, suivi par imagerie satellitaire, concerne l'approvisionnement en eau souterraine. Les résultats valident à l'échelle du paysage les idées que les scientifiques ont proposées sur la base de décennies de recherche en laboratoire et en serre. Quoi de plus, les techniques se prêtent à une précision, moyen efficace de surveiller les ressources en eaux souterraines sur de vastes zones. Les résultats paraissent dans le journal Processus hydrologiques .

    Pour toute leur diversité, la plupart des plantes ont un plan de match très simple. En utilisant l'énergie du soleil, ils combinent l'eau du sol avec le dioxyde de carbone de l'air pour produire des sucres et de l'oxygène. Lors de la photosynthèse, les plantes ouvrent de petits pores dans leurs feuilles pour absorber le CO 2 , qui permet aussi à l'eau de s'échapper. Ce processus de perte d'eau est appelé évapotranspiration (abréviation d'évaporation du sol et de transpiration des plantes) et il s'agit essentiellement d'un coût de transaction pour le transport des ingrédients de la photosynthèse jusqu'aux feuilles où le processus se produit.

    Tout comme l'évaporation de la sueur refroidit notre propre corps, l'évapotranspiration des arbres refroidit la forêt. Avec la bonne compréhension et la technologie, les scientifiques peuvent utiliser les données d'images thermiques provenant de satellites ainsi que d'avions habités et non habités pour comprendre la relation entre les plantes et les eaux souterraines :des températures plus froides sont en corrélation avec une plus grande évapotranspiration.

    "L'hypothèse centrale de cet article est que vous pouvez utiliser les relations entre l'utilisation de l'eau des plantes [telle que] mesurée par les données d'images [satellites], et les données climatiques, y compris la température de l'air et les précipitations, pour évaluer la disponibilité de, et des changements dans, ressources en eaux souterraines, " dit Mayes, un scientifique de la Terre et expert en télédétection basé à l'Institut de recherche de la Terre (ERI) de l'université.

    Mayes et ses collègues se sont concentrés sur la flore des rivières des terres arides, celles des déserts et des climats méditerranéens. Dans toutes ces régions, de nombreuses plantes ont développé des adaptations qui minimisent la perte d'eau, comme une croissance lente, rétention d'eau ou cycles de vie boom-bust. Cependant, plantes qui dominent les canaux fluviaux - des espèces comme le sycomore, le peuplier et les saules - évolué pour tirer parti du surplus d'eau souterraine que l'habitat offre par rapport au paysage environnant.

    « Plutôt que de ralentir sa consommation d'eau lorsque l'eau se fait rare, cette végétation va fondamentalement s'abreuver à mort, " a déclaré Mayes. Cela en fait une bonne fenêtre sur les conditions sous la surface.

    L'équipe a utilisé l'imagerie thermique par satellite pour observer les températures dans le couloir de la rivière San Pedro, dans le sud de l'Arizona. Les jours sans nuages, les satellites peuvent recueillir des données sur les températures de surface à haute résolution sur de vastes étendues de terre. En comparant les températures le long de la rivière à celles à proximité, des zones à végétation plus clairsemée, les chercheurs ont pu déterminer l'étendue de l'évapotranspiration le long de différentes parties de la rivière à différents moments. Ils ont constaté qu'elle était corrélée à la température de l'air dans les environnements riches en eau et aux précipitations dans les environnements pauvres en eau.

    Les résultats soutiennent les progrès récents dans notre compréhension de l'utilisation de l'eau par les plantes. Plus l'air est chaud et sec, plus il tire l'eau des feuilles, et plus la plante utilise d'eau. Par conséquent, Mayes et ses collègues s'attendaient à ce que l'évapotranspiration varie avec la température de l'air tant que le cours d'eau a des eaux souterraines abondantes dans lesquelles les plantes peuvent puiser.

    D'autre part, où les eaux souterraines sont rares, les plantes fermeront les ouvertures de leurs feuilles pour éviter les pertes d'eau; il est plus important d'éviter le dessèchement que de profiter du soleil supplémentaire par une journée chaude. Par conséquent, l'évapotranspiration sera beaucoup plus fortement corrélée avec les précipitations et le débit des cours d'eau, ce qui augmente l'approvisionnement en eau des arbres par leurs racines.

    Les scientifiques avaient démontré l'effet prévisible de l'évapotranspiration sur l'abaissement des températures de surface dans des expériences en laboratoire et sur le terrain. Cependant, il s'agit de la première étude à démontrer son impact sur de vastes zones. La technologie qui a rendu cela possible n'a mûri qu'au cours des cinq dernières années.

    "Cette méthode de télédétection est très prometteuse pour identifier les contrôles climatiques pertinents par rapport à d'autres sur la croissance et la santé des arbres, même dans d'étroites bandes de végétation le long des rivières, " a déclaré le co-auteur Michael Singer, chercheur à l'ERI et chercheur principal sur le projet qui a financé les travaux de Mayes.

    En réalité, ces écosystèmes sont d'une importance vitale pour le sud-ouest des États-Unis « En dépit d'occuper environ 2 % du paysage, plus de 90 % de la biodiversité du Sud-Ouest repose sur ces écosystèmes, " a déclaré la co-auteur Pamela Nagler, chercheur au Southwest Biological Science Center du U.S. Geological Survey.

    Les mêmes techniques utilisées dans le document pourraient être appliquées au défi permanent de la surveillance des eaux souterraines. En réalité, cette idée a contribué à motiver l'étude en premier lieu. « Il est très difficile de surveiller la disponibilité des eaux souterraines et les changements dans les ressources en eaux souterraines aux échelles vraiment locales qui comptent, ", a déclaré Mayes. "Nous parlons de champs d'agriculteurs ou de couloirs fluviaux en aval de nouveaux développements résidentiels."

    Les puits de surveillance sont efficaces, mais ne fournissez des informations que pour un seul point sur la carte. Quoi de plus, ils sont coûteux à percer et à entretenir. Les tours de flux permettent de mesurer les échanges de gaz entre la surface et l'atmosphère, y compris la vapeur d'eau. Mais ils présentent des inconvénients similaires aux puits en termes de coût et d'échelle. Les scientifiques et les parties prenantes veulent des informations fiables, méthodes rentables pour surveiller les aquifères qui offrent une large couverture en même temps qu'une haute résolution. C'est un défi de taille.

    Bien que ce ne soit peut-être pas aussi précis, L'imagerie thermique à distance à partir d'avions et de satellites peut cocher toutes ces cases. Il offre une large couverture et une haute résolution en utilisant l'infrastructure existante. Et bien qu'il ne fonctionne que le long des cours d'eau, "une quantité démesurée de terres agricoles et d'établissements humains dans des endroits secs finit par se trouver là où se trouve l'eau, le long des chemins des ruisseaux, ", a déclaré Mayes.

    L'idée est de rechercher des changements dans les relations entre l'évapotranspiration et les variables climatiques au fil du temps. Ces changements signaleront un basculement entre des conditions riches en eau et pauvres en eau. « Détecter ce signal sur de vastes zones pourrait être un signe avant-coureur précieux de l'épuisement des ressources en eaux souterraines, ", a déclaré Mayes. La technique pourrait éclairer la surveillance et la prise de décision pragmatique sur l'utilisation des eaux souterraines.

    Cette étude fait partie d'un projet plus vaste du ministère de la Défense (DOD) visant à comprendre à quel point les habitats riverains sont vulnérables aux sécheresses sur les bases du DOD dans les régions arides des États-Unis « Nous utilisons plusieurs méthodes pour comprendre quand et pourquoi ces plantes sont stressées en raison de manque d'eau, " dit le chanteur, le scientifique principal du projet. "[Nous espérons] que ces nouvelles connaissances pourront soutenir la gestion de ces biomes écologiques sensibles, en particulier sur les bases militaires des régions arides, où ces habitats vierges abritent de nombreuses espèces menacées et en voie de disparition."

    Mayes a ajouté, "Ce qui nous attend, c'est tout un ensemble de travaux examinant les réponses des écosystèmes à la rareté de l'eau et au stress hydrique dans l'espace et le temps, qui nous renseignent sur la manière dont nous comprenons la réponse des écosystèmes et améliorons également la surveillance."


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