Une photo de la forêt amazonienne prise depuis une tour de covariance des tourbillons près de Manaus, nord-ouest du Brésil. Crédit :Xi Yang/Université de Virginie
Une nouvelle étude Columbia Engineering, dirigé par Pierre Gentine, professeur agrégé de génie de la terre et de l'environnement, analyse les observations satellitaires mondiales et montre que la végétation modifie jusqu'à 30 pour cent les modèles climatiques et météorologiques. En utilisant une nouvelle approche, les chercheurs ont découvert que les rétroactions entre l'atmosphère et la végétation (biosphère terrestre) peuvent être assez fortes, expliquant jusqu'à 30 pour cent de la variabilité des précipitations et du rayonnement de surface. Le papier (DOI 10.1038/ngeo2957), publié le 29 mai dans Géosciences de la nature , est le premier à examiner les interactions biosphère-atmosphère à l'aide de données purement observationnelles et pourrait grandement améliorer les prévisions météorologiques et climatiques essentielles à la gestion des cultures, la sécurité alimentaire, l'approvisionnement en eau, sécheresses, et les vagues de chaleur.
« Alors que nous pouvons actuellement faire des prévisions météorologiques assez fiables, comme, par exemple, prévisions à cinq jours, nous n'avons pas un bon pouvoir prédictif sur une échelle de temps sous-saisonnière à saisonnière, ce qui est essentiel pour la sécurité alimentaire, " dit Gentine. " En observant et en modélisant plus précisément les rétroactions entre la photosynthèse et l'atmosphère, comme nous l'avons fait dans notre article, nous devrions être en mesure d'améliorer les prévisions climatiques sur des échelles de temps plus longues."
La végétation peut affecter le climat et les conditions météorologiques en raison de la libération de vapeur d'eau pendant la photosynthèse. La libération de vapeur dans l'air modifie les flux d'énergie de surface et conduit à la formation potentielle de nuages. Les nuages modifient la quantité de lumière solaire, ou rayonnement, qui peut atteindre la Terre, affectant le bilan énergétique de la Terre, et dans certaines régions peut entraîner des précipitations. "Mais, jusqu'à notre étude, les chercheurs n'ont pas été en mesure de quantifier exactement dans les observations combien de photosynthèse, et la biosphère plus généralement, peut affecter le temps et le climat, " dit Julia Green, La doctorante de Gentine et l'auteur principal de l'article.
Les progrès récents dans les observations satellitaires de la fluorescence induite par le soleil, un proxy pour la photosynthèse, a permis à l'équipe de déduire l'activité de la végétation. Ils ont utilisé des données de télédétection pour les précipitations, radiation, et la température pour représenter l'atmosphère. Ils ont ensuite appliqué une technique statistique pour comprendre la cause et la boucle de rétroaction entre la biosphère et l'atmosphère. Il s'agit de la première étude portant sur les interactions terre-atmosphère pour déterminer à la fois la force du mécanisme prédictif entre les variables et l'échelle de temps sur laquelle ces liens se produisent.
Une vue du bassin amazonien prise par MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), un instrument clé à bord des satellites Terra et Aqua, montrant l'impact de l'humidité de surface et des rivières en particulier sur les nuages peu profonds. Crédit :NASA
Les chercheurs ont découvert que d'importantes boucles de rétroaction végétation-précipitations se produisent souvent dans les régions semi-arides ou de mousson, en fait des points chauds qui sont transitoires entre la limitation de l'énergie et de l'eau. En outre, de fortes rétroactions biosphère-rayonnement sont souvent présentes dans plusieurs régions modérément humides, par exemple dans l'est des États-Unis et en Méditerranée, où les précipitations et le rayonnement augmentent la croissance de la végétation. La croissance de la végétation améliore le transfert de chaleur et augmente la hauteur de la couche limite de la Terre, la partie la plus basse de l'atmosphère qui est très sensible au rayonnement de surface. Cette augmentation affecte à son tour la nébulosité et le rayonnement de surface.
« Les modèles actuels du système terrestre sous-estiment ces réactions de précipitation et de rayonnement principalement parce qu'ils sous-estiment la réponse de la biosphère au rayonnement et à la réponse au stress hydrique, " dit Green. " Nous avons constaté que les rétroactions biosphère-atmosphère se regroupent dans les points chauds, dans des régions climatiques spécifiques qui coïncident également avec des zones qui sont des sources et des puits continentaux majeurs de CO2. Nos recherches démontrent que ces rétroactions sont également essentielles pour le cycle mondial du carbone - elles aident à déterminer le bilan net de CO2 de la biosphère et ont des implications pour l'amélioration des décisions de gestion critiques dans l'agriculture, Sécurité, changement climatique, et bien plus."
Gentine et son équipe explorent maintenant des moyens de modéliser comment les interactions biosphère-atmosphère peuvent changer avec un climat changeant, ainsi que d'en apprendre davantage sur les moteurs de la photosynthèse, afin de mieux comprendre la variabilité atmosphérique.
Paul Dirmeyer, professeur au département d'atmosphère, sciences océaniques et de la terre à l'Université George Mason qui n'a pas participé à l'étude, note : « Green et al. ont proposé une nouvelle idée intrigante et passionnante, étendre nos mesures de rétroactions terre-atmosphère à partir principalement d'un phénomène des cycles de l'eau et de l'énergie pour inclure la biosphère, à la fois comme une réponse au forçage climatique et comme un forçage à la réponse climatique. »
L'étude s'intitule « Rétroaction régionalement forte entre l'atmosphère et la biosphère terrestre ».
