Tillbringa tid i någon av världens stora skogar och du kommer att börja se träden som enorma pelare som håller himlen högt medan de är stadigt förankrade i jorden. Det är lika mycket fakta som sentiment. Träd länkar verkligen marken till himlen genom att utbyta energi och materia mellan jorden och atmosfären. Forskare tror att förståelsen av detta samband kan ge både en mängd vetenskapliga insikter om ekosystem och praktiska tillämpningar som tar itu med utmaningar som bevarande och förvaltning av vattenresurser.

En nyligen genomförd studie ledd av UC Santa Barbaras Marc Mayes undersöker hur mönster i trädvattenförlust till atmosfären, spåras med satellitbilder, avser grundvattenförsörjning. Resultaten validerar i landskapsövergripande skala idéer som forskare har föreslagit baserat på årtionden av forskning i labb och växthus. Vad mer, teknikerna lämpar sig för en korrekt, effektivt sätt att övervaka grundvattenresurser över stora områden. Fynden visas i tidskriften Hydrologiska processer .

Trots all deras mångfald, de flesta växter har en mycket enkel spelplan. Använda energi från solljus, de kombinerar vatten från marken med koldioxid från luften för att producera socker och syre. Under fotosyntesen, växter öppnar små porer i sina blad för att ta upp CO ₂ , vilket också gör att vatten kan rinna ut. Denna process av vattenförlust kallas evapotranspiration - kort för jordavdunstning och växttranspiration - och det är i huvudsak en transaktionskostnad för att transportera ingredienserna för fotosyntes till bladen där processen sker.

Precis som svett som avdunstar kyler ner våra egna kroppar, avdunstningen från träden svalnar i skogen. Med rätt förståelse och teknik, forskare kan använda värmebildsdata från satelliter samt bemannade och obemannade flygplan för att förstå förhållandet mellan växter och grundvatten:kallare temperaturer korrelerar med mer evapotranspiration.

"Kärnhypotesen i detta dokument är att du kan använda samband mellan växtanvändning [som] mätt med [satellit] bilddata, och klimatdata inklusive lufttemperatur och nederbörd, för att mäta tillgängligheten av, och förändringar i, grundvattenresurser, sa Mayes, en jordvetare och expert för fjärranalys baserad på universitetets Earth Research Institute (ERI).

Mayes och hans kollegor fokuserade på floran av torra floder - de i öknar och medelhavsklimat. I dessa regioner, många växter har utvecklat anpassningar som minimerar vattenförlust, som långsam tillväxt, vattenretention eller bom-bust livscykler. Dock, växter som dominerar flodkanaler - arter som lila, bomullsträ och pilar – utvecklats för att dra nytta av det överskottsgrundvatten som livsmiljön erbjuder i förhållande till det omgivande landskapet.

"Istället för att sakta ner vattenanvändningen när vattnet blir ont om, denna växtlighet kommer i princip att dricka sig själv ihjäl, " sa Mayes. Detta gör det till ett bra fönster till förhållanden under ytan.

Teamet använde satellitbaserad värmeavbildning för att titta på temperaturer över San Pedro River-korridoren i södra Arizona. Under molnfria dagar kan satelliterna samla in data om yttemperaturer vid hög upplösning över stora landområden. Genom att jämföra temperaturerna längs floden med de i närheten, mer glest bevuxna områden, forskarna kunde bestämma omfattningen av evapotranspiration längs olika delar av floden vid olika tidpunkter. De fann att det korrelerade med lufttemperaturen i vattenrika miljöer och med nederbörd i vattenbrista miljöer.

Fynden stöder de senaste framstegen i vår förståelse av växtvattenanvändning. Ju varmare och torrare luften är, ju starkare den drar vatten från löven, och ju mer vatten växten använder. Följaktligen, Mayes och hans kollegor förväntas se evapotranspiration variera med lufttemperaturen så länge strömmen har gott om grundvatten för växterna att dra på.

Å andra sidan, där grundvatten är ont om, växter kommer att stänga öppningarna på sina löv för att undvika vattenförlust; Det är viktigare att undvika att torka ut än att dra nytta av det extra solskenet på en varm dag. Som ett resultat, evapotranspiration kommer att korrelera mycket starkare med nederbörd och strömflöde, vilket ökar tillförseln av vatten till träden genom deras rötter.

Forskare hade visat den förutsägbara effekten av evapotranspiration vid sänkning av yttemperaturer i laboratorie- och små fältförsök. Dock, detta är den första studien som visar dess inverkan på stora områden. Tekniken som gjorde detta möjligt har bara mognat under de senaste fem åren.

"Denna fjärranalysmetod visar ett stort löfte för att identifiera relevant klimat jämfört med andra kontroller av trädens tillväxt och hälsa, även inom smala band av vegetation längs floder, " sa medförfattaren Michael Singer, en forskare vid ERI och ledande utredare på projektet som finansierade Mayes arbete.

Faktiskt, dessa ekosystem är oerhört viktiga för sydvästra USA "Trots att de tar upp cirka 2% av landskapet, över 90 % av den biologiska mångfalden i sydväst är beroende av dessa ekosystem, "sa medförfattaren Pamela Nagler, en forskare vid U.S. Geological Survey's Southwest Biological Science Center.

Samma tekniker som används i uppsatsen skulle kunna tillämpas på den ständiga utmaningen med grundvattenövervakning. Faktiskt, denna idé hjälpte till att motivera studien i första hand. "Det är väldigt svårt att övervaka tillgången på grundvatten och förändringar i grundvattenresurserna på den verkligt lokala skalan som betyder något, "Sa Mayes. "Vi pratar om jordbrukarnas åkrar eller flodkorridorer nedströms nya bostadsområden."

Övervakningsbrunnar är effektiva, men ge information endast för en punkt på kartan. Vad mer, de är dyra att borra och underhålla. Fluxtorn kan mäta utbytet av gaser mellan ytan och atmosfären, inklusive vattenånga. Men de har liknande nackdelar som brunnar när det gäller kostnad och skala. Forskare och intressenter vill ha pålitliga, kostnadseffektiva metoder för att övervaka akvifärer som ger bred täckning samtidigt som hög upplösning. Det är en stor order.

Även om det kanske inte är så exakt som en brunn, fjärrvärmebilder från flygplan och satelliter kan bocka av alla dessa rutor. Den erbjuder bred täckning och hög upplösning med hjälp av befintlig infrastruktur. Och även om det bara fungerar längs strömkorridorer, "en orimlig mängd jordbruksmark och mänskliga bosättningar på torra platser hamnar där vattnet är, längs bäckvägar, "Sa Mayes.

Tanken är att leta efter förändringar i sambanden mellan evapotranspiration och klimatvariabler över tid. Dessa förändringar kommer att signalera en växling mellan vattenrika och vattenfattiga förhållanden. "Att upptäcka den signalen över stora områden kan vara ett värdefullt tidigt varningstecken för att tömma grundvattenresurser, ", sade Mayes. Tekniken kunde informera övervakning och pragmatiskt beslutsfattande om grundvattenanvändning.

Denna studie är en del av ett större projekt för försvarsdepartementet (DOD) som syftar till att förstå hur sårbara flodmiljöer är för torka på DOD-baser i torra regioner i USA "Vi använder flera metoder för att förstå när och varför dessa växter blir stressade pga. brist på vatten, "sa sångaren, projektets ledande forskare. "[Vi hoppas] denna nya kunskap kan stödja hanteringen av dessa känsliga ekologiska biom, särskilt på militära baser i torrlandsområden, där dessa orörda livsmiljöer stöder många hotade och hotade arter."

Mayes lade till, "Det som kommer ner i röret är en hel arbetsgrupp som tittar på ekosystemens svar på vattenbrist och vattenspänning över tid och rymd som informerar hur vi både förstår ekosystemets svar och förbättrar övervakningen."