En ny Columbia Engineering -studie, ledd av Pierre Gentine, docent i jord- och miljöteknik, analyserar globala satellitobservationer och visar att vegetation förändrar klimat- och vädermönster med så mycket som 30 procent. Med ett nytt tillvägagångssätt, forskarna fann att återkopplingen mellan atmosfären och vegetationen (terrestrisk biosfär) kan vara ganska stark, förklarar upp till 30 procent av variationen i nederbörd och ytstrålning. Papperet (DOI 10.1038/ngeo2957), publicerad 29 maj i Naturgeovetenskap , är den första att titta på interaktioner mellan biosfär och atmosfär med hjälp av rent observationsdata och kan väsentligt förbättra väder- och klimatprognoser som är avgörande för växtskötseln, matsäkerhet, vattenförsörjning, torka, och värmeböljor.

"Även om vi för närvarande kan göra ganska tillförlitliga väderprognoser, som, till exempel, fem dagars prognoser, vi har inte bra förutsägelsekraft på tidsskalan mellan säsonger och säsonger, som är avgörande för livsmedelssäkerheten, "Gentine säger." Genom att mer exakt observera och modellera återkopplingen mellan fotosyntesen och atmosfären, som vi gjorde i vårt papper, vi borde kunna förbättra klimatprognoser på längre tidsramar. "

Vegetation kan påverka klimat och vädermönster på grund av att vattenånga släpps ut under fotosyntesen. Utsläpp av ånga i luften förändrar ytenergiflödet och leder till potentiell molnbildning. Moln förändrar mängden solljus, eller strålning, som kan nå jorden, påverkar jordens energibalans, och i vissa områden kan det leda till nederbörd. "Men, fram till vår studie, forskare har inte kunnat exakt kvantifiera i observationer hur mycket fotosyntes, och biosfären mer allmänt, kan påverka väder och klimat, "säger Julia Green, Gentines doktorand och tidningens huvudförfattare.

De senaste framstegen inom satellitobservationer av solinducerad fluorescens, en proxy för fotosyntes, gjorde att laget kunde dra slutsatser om vegetationsaktivitet. De använde fjärranalysdata för nederbörd, strålning, och temperatur för att representera atmosfären. De använde sedan en statistisk teknik för att förstå orsaken och återkopplingsslingan mellan biosfären och atmosfären. Deras är den första studien som undersöker interaktioner mellan land och atmosfär för att bestämma både styrkan hos den prediktiva mekanismen mellan variabler och tidsskalan över vilka dessa länkar sker.

Forskarna fann att betydande återkopplingsslingor för vegetation och nederbörd ofta förekommer i halvtorra eller monsunala regioner, i själva verket hotspots som övergår mellan energi- och vattenbegränsning. Dessutom, starka biosfärstrålningsåterkopplingar finns ofta i flera måttligt våta områden, till exempel i östra USA och i Medelhavet, där nederbörd och strålning ökar vegetationstillväxten. Vegetationstillväxt förbättrar värmeöverföringen och ökar höjden av jordens gränslager, den lägsta delen av atmosfären som är mycket lyhörd för ytstrålning. Denna ökning påverkar i sin tur grumlighet och ytstrålning.

"Nuvarande modeller av jordsystem underskattar dessa nederbörds- och strålningsåterkopplingar, främst för att de underskattar biosfärens svar på strålning och reaktion på vattenspänning, "Green säger." Vi fann att biosfär-atmosfär återkopplingar kluster i hotspots, i specifika klimatregioner som också sammanfaller med områden som är stora kontinentala koldioxidkällor och sänkor. Vår forskning visar att dessa återkopplingar också är viktiga för den globala koldioxidcykeln - de hjälper till att bestämma biosfärens netto -koldioxidbalans och har konsekvenser för att förbättra kritiska ledningsbeslut inom jordbruket, säkerhet, klimatförändring, och så mycket mer."

Gentine och hans team undersöker nu sätt att modellera hur interaktioner mellan biosfär och atmosfär kan förändras med ett skiftande klimat, samt att lära sig mer om drivkrafterna för fotosyntes, för att bättre förstå atmosfärens variation.

Paul Dirmeyer, en professor vid institutionen för atmosfärisk, havs- och jordvetenskap vid George Mason University som inte var inblandad i studien, noterar:"Green et al. fram en spännande och spännande ny idé, utvidga våra mått på landatmosfäriska återkopplingar från främst ett fenomen av vatten- och energicyklerna till att inkludera biosfären, både som ett svar på klimattvång och ett tvingande till klimatrespons. "

Studien har titeln "Regionalt starka återkopplingar mellan atmosfären och den markbundna biosfären."