Een nieuwe studie van Columbia Engineering, onder leiding van Pierre Gentine, universitair hoofddocent aard- en milieutechniek, analyseert wereldwijde satellietwaarnemingen en laat zien dat vegetatie klimaat- en weerpatronen met maar liefst 30 procent verandert. Door een nieuwe aanpak te gebruiken, de onderzoekers ontdekten dat de terugkoppeling tussen de atmosfeer en de vegetatie (terrestrische biosfeer) behoorlijk sterk kan zijn, verklaren tot 30 procent van de variabiliteit in neerslag en oppervlaktestraling. Het papier (DOI 10.1038/ngeo2957), gepubliceerd op 29 mei in Natuur Geowetenschappen , is de eerste die kijkt naar interacties tussen biosfeer en atmosfeer met behulp van puur observatiegegevens en kan de weers- en klimaatvoorspellingen die essentieel zijn voor gewasbeheer aanzienlijk verbeteren, voedselveiligheid, watervoorziening, droogte, en hittegolven.

"Hoewel we momenteel redelijk betrouwbare weersvoorspellingen kunnen doen, als, bijvoorbeeld, vijfdaagse voorspellingen, we hebben geen goede voorspellende kracht op sub-seizoensgebonden tot seizoensgebonden tijdschaal, wat essentieel is voor de voedselzekerheid, " zegt Gentine. "Door de feedback tussen fotosynthese en de atmosfeer nauwkeuriger te observeren en te modelleren, zoals we deden in onze krant, we zouden in staat moeten zijn om de klimaatvoorspellingen op langere termijn te verbeteren."

Vegetatie kan klimaat- en weerpatronen beïnvloeden door het vrijkomen van waterdamp tijdens fotosynthese. Het vrijkomen van damp in de lucht verandert de oppervlakte-energiefluxen en leidt tot potentiële wolkenvorming. Wolken veranderen de hoeveelheid zonlicht, of straling, die de aarde kan bereiken, die de energiebalans van de aarde beïnvloeden, en kan in sommige gebieden tot neerslag leiden. "Maar, tot onze studie, onderzoekers hebben in waarnemingen niet precies kunnen kwantificeren hoeveel fotosynthese, en de biosfeer meer in het algemeen, kan het weer en het klimaat beïnvloeden, " zegt Julia Groen, Gentine's promovendus en hoofdauteur van de paper.

Recente ontwikkelingen in satellietwaarnemingen van door de zon geïnduceerde fluorescentie, een proxy voor fotosynthese, stelde het team in staat om vegetatieactiviteit af te leiden. Ze gebruikten teledetectiegegevens voor neerslag, straling, en temperatuur om de atmosfeer weer te geven. Vervolgens pasten ze een statistische techniek toe om de oorzaak en de terugkoppeling tussen de biosfeer en de atmosfeer te begrijpen. Het is de eerste studie die land-atmosfeer-interacties onderzoekt om zowel de sterkte van het voorspellende mechanisme tussen variabelen als de tijdschaal waarop deze verbanden plaatsvinden te bepalen.

De onderzoekers ontdekten dat substantiële vegetatie-precipitatie-feedbacklussen vaak voorkomen in semi-aride of moessongebieden, in feite hotspots die een overgang vormen tussen energie- en waterbeperking. In aanvulling, sterke biosfeer-stralingsfeedbacks zijn vaak aanwezig in verschillende matig natte regio's, bijvoorbeeld in het oosten van de VS en in de Middellandse Zee, waar neerslag en straling de vegetatiegroei doen toenemen. Vegetatiegroei verbetert de warmteoverdracht en verhoogt de hoogte van de grenslaag van de aarde, het laagste deel van de atmosfeer dat sterk reageert op oppervlaktestraling. Deze toename beïnvloedt op zijn beurt bewolking en oppervlaktestraling.

"De huidige modellen van het aardse systeem onderschatten deze neerslag- en stralingsfeedback, voornamelijk omdat ze de reactie van de biosfeer op straling en de reactie op waterstress onderschatten, " zegt Green. "We ontdekten dat biosfeer-atmosfeer-feedbacks zich clusteren in hotspots, in specifieke klimaatregio's die ook samenvallen met gebieden die belangrijke continentale CO2-bronnen en -putten zijn. Ons onderzoek toont aan dat die feedback ook essentieel is voor de wereldwijde koolstofcyclus - ze helpen bij het bepalen van de netto CO2-balans van de biosfeer en hebben implicaties voor het verbeteren van kritieke managementbeslissingen in de landbouw, veiligheid, klimaatverandering, en zoveel meer."

Gentine en zijn team onderzoeken nu manieren om te modelleren hoe biosfeer-atmosfeer interacties kunnen veranderen met een veranderend klimaat, en om meer te leren over de drijfveren van fotosynthese, om de atmosferische variabiliteit beter te begrijpen.

Paul Dirmeyer, een professor in de afdeling atmosferische, oceanische en aardwetenschappen aan de George Mason University, die niet betrokken was bij het onderzoek, merkt op:"Green et al. brachten een intrigerend en opwindend nieuw idee naar voren, het uitbreiden van onze metingen van land-atmosferische feedback van voornamelijk een fenomeen van de water- en energiecycli naar de biosfeer, zowel als reactie op klimaatforcering en als dwang op klimaatreactie."

De studie is getiteld "Regionaal sterke terugkoppelingen tussen de atmosfeer en de terrestrische biosfeer."