Prédire comment l'augmentation du CO2 atmosphérique affectera le cycle hydrologique, des prévisions météorologiques extrêmes aux projections à long terme sur l'agriculture et les ressources en eau, est critique à la fois pour la vie quotidienne et pour l'avenir de la planète. On pense généralement que le changement hydrologique est entraîné par les changements de précipitations et de rayonnement causés par le changement climatique, et qu'à mesure que la surface terrestre s'ajuste, la hausse des températures et la baisse des précipitations rendront la planète plus sèche.

Les chercheurs de Columbia Engineering ont découvert que, au contraire, la végétation joue un rôle dominant dans le cycle de l'eau de la Terre et que les plantes réguleront et domineront le stress croissant exercé sur les ressources en eau continentales à l'avenir. L'étude, dirigé par Pierre Gentine, professeur agrégé d'ingénierie de la terre et de l'environnement à Columbia Engineering et à l'Earth Institute, est publié aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

« Notre conclusion selon laquelle la végétation joue un rôle clé dans l'avenir dans la réponse hydrologique terrestre et le stress hydrique est de la plus haute importance pour prédire correctement la sécheresse et les ressources en eau futures, " dit Gentine, dont les recherches portent sur les relations entre l'hydrologie et la science de l'atmosphère, interaction terre/atmosphère, et son impact sur le changement climatique. "Cela pourrait changer la donne pour comprendre les changements du stress hydrique continental à l'avenir."

L'équipe de Gentine est la première à isoler la réponse de la végétation de la réponse du complexe total au réchauffement climatique, qui comprend des variables pour le cycle de l'eau comme l'évapotranspiration (l'eau évaporée de la surface, à la fois des plantes et du sol nu) l'humidité du sol, et le ruissellement. En dissociant la réponse de la végétation à l'augmentation globale du CO2 de la réponse atmosphérique (gaz à effet de serre), ils ont pu le quantifier et ont constaté que la végétation est en fait le facteur dominant expliquant le futur stress hydrique.

"Les plantes sont vraiment le thermostat du monde, " dit Léo Lemordant, Doctorant de Gentine et auteur principal de l'article. "Ils sont au centre de l'eau, énergie, et le cycle du carbone. Comme ils absorbent le carbone de l'atmosphère pour prospérer, ils libèrent l'eau qu'ils puisent dans les sols. Faisant cela, ils refroidissent également la surface, contrôler la température que nous ressentons tous. Maintenant, nous savons que ce sont principalement les plantes, et pas seulement les précipitations ou la température, qui nous diront si nous vivrons dans un monde plus sec ou plus humide. »

Pour l'étude, Gentine et Lemordant ont pris des modèles du système Terre avec des réponses de surface (physiologie de la végétation) et atmosphérique (radiative) découplées et ont utilisé une analyse statistique multi-modèle de CMIP5, l'ensemble le plus récent d'expériences de modèles climatiques coordonnés mis en place dans le cadre d'un projet de coopération internationale pour le Groupe d'experts international sur l'évolution du climat. Ils ont utilisé trois essais :un essai témoin avec du CO2 au niveau des feuilles et dans l'atmosphère, un parcours où seule la végétation répond à une hausse de CO2, et une course où seule l'atmosphère répond à l'augmentation du CO2.

Leurs résultats ont montré que les changements dans les variables clés du stress hydrique sont fortement modifiés par les effets physiologiques de la végétation en réponse à l'augmentation du CO2 au niveau des feuilles, illustrant à quel point les effets physiologiques dus à l'augmentation du CO2 atmosphérique ont un impact sur le cycle de l'eau. La réponse physiologique du CO2 a un rôle dominant dans l'évapotranspiration et a un effet majeur sur le ruissellement à long terme et l'humidité du sol par rapport aux changements radiatifs ou de précipitation dus à l'augmentation du CO2 atmosphérique.

Cette étude met en évidence le rôle clé de la végétation dans le contrôle de la future réponse hydrologique terrestre et souligne que les cycles continentaux du carbone et de l'eau sont intimement couplés au-dessus des terres et doivent être étudiés comme un système interconnecté. Il souligne également que les hydrologues devraient collaborer avec les écologistes et les climatologues pour mieux prévoir les futures ressources en eau.

"Les effets physiologiques de la biosphère et les interactions biosphère-atmosphère associées sont essentiels pour prédire le futur stress hydrique continental représenté par l'évapotranspiration, ruissellement à long terme, l'humidité du sol, ou indice de surface foliaire, " dit Gentine. " A son tour, le stress hydrique de la végétation régule largement l'absorption du carbone par les terres, soulignant davantage à quel point les futurs cycles du carbone et de l'eau sont étroitement couplés, de sorte qu'ils ne peuvent pas être évalués isolément. »

Gentine et Lemordant envisagent de démêler davantage les différents effets physiologiques. « La réponse de la végétation est elle-même en effet complexe, " dit Gentine, « et nous voulons décomposer l'impact de la croissance de la biomasse par rapport à la réponse stomatique. Il y a également des implications pour les événements de canicule extrêmes sur lesquels nous travaillons actuellement. »

"Ce travail met en évidence un besoin important d'étudier plus avant comment les plantes réagiront à l'augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique, " dit James Randerson, professeur de science du système terrestre, Université de Californie, Irvine, qui n'a pas participé à l'étude. "Les plantes peuvent avoir un grand effet sur le climat de la terre, et nous devons mieux comprendre les façons dont ils réagiront au dioxyde de carbone, échauffement, et d'autres formes de changement global."