Le domaine de la science du climat semble contenir de nombreux exemples de boucles de rétroaction d'emballement alarmantes, cercles vicieux, et des effets synergiques néfastes auparavant inimaginables survenant au sein des systèmes terrestres, par exemple, l'effet albédo en ce qui concerne la fonte des glaces de mer ; ou la fonte du pergélisol libérant plus de méthane pour accélérer davantage le processus de fonte. De nouvelles recherches menées par une équipe de l'Université de Columbia se poursuivent dans cette veine avec les résultats de leur récente étude publiée dans Avancées scientifiques . L'étude, « Augmentations d'intensité prévues, la fréquence, et les coûts du carbone terrestre des événements composés de sécheresse et d'aridité, " montre que l'effet composé de l'humidité du sol (SM) et du déficit de pression de vapeur (VPD) sur l'absorption de carbone terrestre est supérieur à l'effet de l'une ou l'autre des variables lorsqu'elles sont considérées séparément, et que ces deux conditions tendent à se renforcer mutuellement.

La sécheresse et la chaleur excessive sont deux formes de conditions météorologiques extrêmes qui ont eu, et continuera d'avoir, un impact majeur sur les systèmes naturels ainsi que sur les communautés humaines et les systèmes qui en dépendent. Une troisième dynamique climatique, aridité atmosphérique, est une mesure combinée de la température et de l'humidité atmosphérique, encapsulé dans la métrique de VPD. SM et VPD sont tous deux des indicateurs reconnus de l'absorption de carbone et de l'utilisation de l'eau par les plantes en période de sécheresse, et les occurrences extrêmes de ces deux indicateurs (VPD élevé ou SM faible) sont connues pour déclencher le rétrécissement ou la fermeture des stomates des plantes, limitant ainsi l'absorption de carbone. VPD et SM sont des conditions qui sont également connues pour coexister, et bien qu'ils aient souvent été évalués indépendamment dans le passé, un objectif important de cette étude était de mieux comprendre la relation entre les deux variables se produisant de concert.

Les effets composés du VPD et du SM ont été caractérisés par les chercheurs comme « conduits par une série de processus physiques complémentaires, " dont un faible SM contribue à une diminution de l'évapotranspiration. Une réduction de l'évapotranspiration entraîne à son tour une augmentation de la température et une augmentation de la VPD (en raison de la diminution du refroidissement par évaporation et de l'humidité près de la surface). Une augmentation de la VPD entraîne une plus grande évapotranspiration, qui à son tour accélère les diminutions de SM. La co-occurrence de VPD et SM dans ce cercle vicieux est en augmentation depuis le milieu du 20e siècle, et ces événements concomitants ont augmenté en fréquence et en intensité. Cette tendance devrait s'accroître continuellement dans un avenir prévisible parallèlement aux tendances au réchauffement.

En explorant la relation entre SM et VPD, Zhou et ses collègues ont également examiné leur effet sur les futurs scénarios climatiques, en particulier en ce qui concerne la façon dont les données observées correspondaient à plusieurs modèles du système terrestre (ESM), en termes de précision par rapport à la fois aux simulations historiques passées et aux prévisions de simulations climatiques futures. Spécifiquement, leur étude a montré que :« (i) les extrêmes composés VPD et SM se produisent beaucoup plus fréquemment que prévu si VPD et SM n'étaient pas intimement couplés, (ii) cette co-évolution de la sécheresse et de l'aridité se traduit par des pertes substantielles de carbone des écosystèmes, et (iii) les impacts de ces extrêmes composés se renforceront à l'avenir. »

En testant leurs hypothèses, Zhou et ses collègues ont collecté des données d'observations quotidiennes sur 66 sites de tours de flux, principalement situés dans des endroits de basse et moyenne latitude, et évalué la relation entre SM, VPD, productivité nette de l'écosystème (NEP), productivité primaire brute (PPB), et la respiration totale de l'écosystème (TER). NEP est une mesure du bilan du carbone terrestre, tandis que GPP et TER sont des métriques constitutives de NEP, représentant la photosynthèse et la respiration, respectivement. L'analyse statistique de ces données a confirmé une corrélation forte et bimodale entre SM et VPD aux deux extrêmes; C'est, Un SM faible et un VPD élevé avaient tendance à coexister, tout comme un SM élevé et un VPD faible. De plus, ils ont constaté que les événements VPD faible SM-élevé avaient tendance à se produire environ deux fois plus fréquemment que chaque variable considérée indépendamment, et que les conditions de VPD faible SM-élevé avaient tendance à devenir plus étroitement couplées à mesure qu'elles devenaient plus extrêmes. En présence de conditions extrêmement faibles SM-élevé VPD, GPP et NEP ont tous deux diminué, tandis que le TER est resté relativement stable.

Pour comparer et vérifier leurs observations à partir des données de la tour de flux, le groupe a examiné des simulations centenaires des conditions climatiques historiques (1871-1970) et futures projetées (2001-2100) vis-à-vis de 15 ESM. Ces ESM ont confirmé la corrélation négative entre SM et VPD et ont permis aux chercheurs de cartographier les zones du globe dans lesquelles le facteur de multiplication de probabilité, la principale mesure statistique de cette étude, était particulièrement prononcé. A noter, le sud-est des États-Unis, la région amazonienne, Afrique du sud, et l'Asie de l'Est et du Sud-Est ont tous démontré une forte interaction SM-VPD dans les modèles ESM historiques et futurs. Ces modèles ESM ont prédit des augmentations à la fois de la fréquence et de l'intensité des événements SM-VPD composés, qui aura un impact global significatif sur la capacité des puits de carbone continentaux.

En évaluant cet impact futur du VPD-SM extrême dans les ESM, les enquêteurs ont prévu une baisse de l'absorption de carbone. En ce qui concerne la plupart des régions non boréales entre 50 degrés de latitude nord et 50 degrés de latitude sud (où la plupart des données des tours de flux ont été recueillies), TER a diminué. Le GPP et le TER, affectés par les événements composés VPD-SM, étaient associés à des « anomalies NEP négatives… sur plus de 75 % de la superficie des terres au cours des deux périodes [historique et future de simulation ESM] ». En résumé, « les énormes augmentations prévues du taux de cooccurrence et de l'ampleur des extrêmes VPD et SM simultanés dans de nombreuses régions du monde » entraîneront des réductions drastiques de la capacité d'absorption de carbone des écosystèmes.

Les données de l'ESM ont également montré que les anomalies NEP résultant d'événements SM-VPD extrêmes composés étaient beaucoup plus fortes que les anomalies résultant d'événements extrêmes provenant d'une seule de ces variables. Les résultats différaient d'une région à l'autre dans l'évaluation des effets additifs d'une variable extrême par rapport à une autre par rapport à l'absorption de carbone dans le contexte de simulations historiques et futures. Il était prévu que le SM extrêmement faible ait un impact plus important sur la NEP que le VPD extrêmement élevé dans l'hémisphère nord, bien que cette découverte ne s'applique pas aux bassins de l'Amazone et du Congo dans l'hémisphère sud. L'effet supplémentaire d'un SM extrêmement faible sur le GPP s'est avéré beaucoup plus important que l'effet d'un VPD extrêmement élevé pour presque toutes les masses continentales dans les simulations futures, toutefois.

Zhou et ses collègues prennent également en compte le facteur atténuant du phénomène connu sous le nom de CO 2 fertilisation, où le taux de photosynthèse augmente chez les plantes en raison de l'augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique. Malgré ce décalage, l'absorption mondiale de carbone devrait encore diminuer. Les enquêteurs notent quelques incertitudes dans leurs méthodes et modèles - par exemple, le fait que leurs modèles ne prennent pas en compte la capacité d'adaptation des plantes au changement climatique. Ils appellent également à des travaux futurs pour séparer les effets du VPD et du SM tels qu'ils s'appliquent aux modèles écosystémiques, étant donné que le VPD devrait augmenter considérablement à travers le monde, alors que les projections SM semblent s'appliquer de manière moins universelle.

En conclusion, le groupe déclare, « nos résultats mettent en évidence l'importance des événements composés de sécheresse et d'aridité et leur impact sur l'absorption continentale de carbone, et la nécessité de tenir compte de ces facteurs dans l'évaluation des futurs risques liés aux changements climatiques. Compte tenu des augmentations prévues de l'intensité et de la fréquence des épisodes composés de sécheresse et d'aridité au XXIe siècle, des stratégies devraient être élaborées et mises en œuvre pour gérer les risques et améliorer la capacité d'adaptation. »

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