Ondas de calor alteram a dinâmica diurna da fotossíntese no oeste dos EUA

Satélites geoestacionários revelam depressão da fotossíntese durante onda de calor nos EUA

Bela vista no Parque Nacional Arches, em dia ensolarado

O oeste dos Estados Unidos, especialmente o sudoeste, experimentou um aumento notável nas temperaturas recordes nas últimas décadas, com secas e ondas de calor frequentes. Essas condições resultaram em graves consequências para os sistemas humano e natural, incluindo terrível escassez de água, incêndios florestais descontrolados, perdas agrícolas substanciais e aumento da mortalidade humana. Essas regiões, dominadas por ecossistemas de pouca água, enfrentam estresse hídrico exacerbado devido a secas e ondas de calor mais frequentes e prolongadas, que podem prejudicar profundamente a fotossíntese do ecossistema e a absorção de carbono, afetando, por sua vez, o ciclo global de carbono.

Investigar a fotossíntese da vegetação em várias escalas de tempo fornece informações valiosas sobre o crescimento da vegetação, absorção de carbono e interações ambientais. Observações tradicionais de satélites de órbita polar ajudaram no monitoramento da produção primária bruta (GPP) em escalas mais longas (por exemplo, mensal, anual), mas são limitadas na captura de variações diurnas. Felizmente, nos últimos anos, satélites geoestacionários emergentes de nova geração com capacidade de amostragem subdiária oferecem oportunidades únicas para estudar as variações diurnas da fotossíntese da vegetação e suas respostas às condições ambientais ao longo do dia em grandes escalas espaciais.

Estresse térmico e hídrico inibem a fotossíntese ao meio-dia e tarde em ecossistemas áridos dos EUA

Neste estudo, estimamos o GPP hora a hora nos Estados Unidos adjacentes com base em observações do Satellite Geoestacionário Operacional Ambiental-R (GOES-R) e, em seguida, investigamos como o ciclo diurno da fotossíntese responde à severa onda de calor no final do verão de 2020. Este estudo fornece uma visão abrangente da exploração dos impactos das ondas de calor na dinâmica diurna da fotossíntese em escala continental, revelando uma depressão generalizada da fotossíntese ao meio-dia e à tarde em ecossistemas de terras áridas durante a onda de calor. Examinamos a regulação ambiental da dinâmica diurna da fotossíntese em diversos ecossistemas e ilustramos como os métodos atuais baseados em radiação para aumentar a escala a partir de instantâneos de satélites de órbita polar para médias diárias podem subestimar ou superestimar o GPP diário.

Encontramos uma depressão generalizada do meio-dia à tarde na fotossíntese do ecossistema durante a onda de calor no oeste dos Estados Unidos. O centroide diurno (CGPP) e o horário de pico do GPP mudaram para o início da manhã na maioria das regiões ocidentais, e a proporção do GPP da tarde para o GPP da manhã também mostrou um declínio acentuado. A mudança nas métricas diurnas se correlacionou positivamente com a mudança diária no GPP, implicando que a mudança matinal nas métricas diurnas geralmente resultou em uma diminuição no GPP diário total.

As métricas diurnas exibiram respostas divergentes à onda de calor entre os tipos de vegetação e ao longo dos gradientes de aridez. No geral, arbustos e pastagens foram mais sensíveis à onda de calor do que outros tipos de vegetação. O impacto da onda de calor no ciclo diurno da fotossíntese foi predominantemente observado em regiões áridas e semiáridas com índice de aridez (AI) abaixo de 0,6. Descobrimos que a maior perda de GPP ocorreu ao meio-dia ou durante a tarde para a maioria das regiões ocidentais, após o horário de pico do GPP durante o ano da onda de calor, corroborando ainda mais a influência assimétrica das ondas de calor nas flutuações diurnas da fotossíntese.

O déficit diário médio regional de pressão de vapor (VPD) e a temperatura da superfície terrestre (LST) mostraram fortes relações negativas com o CGPP médio regional, sugerindo que o aumento do estresse térmico e hídrico contribui para uma chegada mais precoce do CGPP diurno. As relações em nível de pixel para diferentes tipos de vegetação mostraram que arbustos tiveram as relações negativas mais fortes e os maiores declives negativos entre CGPP e VPD ou LST entre todos os tipos de vegetação, seguidos por florestas de folhas largas perenes (ENF) e pastagens.

Nossos resultados demonstraram claramente que, usando um instantâneo do início da manhã (por exemplo, 8h) e considerando apenas as variações de radiação para aumentar a escala diária, leva a uma superestimação do GPP diário na maior parte dos Estados Unidos. Por outro lado, usar uma observação da tarde para aumentar a escala diária (por exemplo, 14h) resulta em uma subestimação do GPP diário. O método de aumento de escala depende apenas da radiação e não leva em consideração as mudanças induzidas por variações no estresse ambiental e na eficiência do uso da luz ao longo do dia.

Vieses decorrentes do método de aumento de escala baseado em radiação também podem afetar o cálculo da diferença de GPP entre anos normais e de ondas de calor. Calculamos ainda o GPP diário total regional para terras secas de 14 a 19 de agosto para ambos os anos. Tanto o aumento de escala diário de GPP de todas as horas únicas quanto o GPP capturaram o declínio da produtividade da terra seca durante a onda de calor. A perda estimada de GPP para toda a região durante o período de onda de calor com base no GOES-R foi de aproximadamente 0,4 Tg C por dia, enquanto a perda de GPP com base no aumento de escala de diferentes horas variou de 0,25 a 0,6 Tg C por dia.

Em resumo, este estudo examinou os efeitos de uma severa onda de calor no final do verão de 2020 sobre a dinâmica diurna da fotossíntese no oeste dos Estados Unidos usando estimativas de GPP hora a hora do satélite GOES-R.

Os principais resultados e conclusões foram:

Uma depressão generalizada do meio-dia à tarde na fotossíntese do ecossistema foi observada durante a onda de calor, com mudanças no centroide diurno e horário de pico do GPP para o início da manhã.
Arbustos e pastagens foram mais sensíveis à onda de calor do que outros tipos de vegetação. O impacto foi predominante em regiões áridas e semiáridas.
O estresse térmico e hídrico (VPD e LST) contribuíram para a chegada mais precoce do centroide diurno, especialmente em arbustos.
Métodos atuais de aumento de escala baseados em radiação podem superestimar ou subestimar o GPP diário e mascarar a perda real de produtividade durante ondas de calor.
Estimativas de GPP hora a hora por satélite geoestacionário capturam melhor as variações diurnas e os impactos de ondas de calor.
Isso realça a necessidade de métodos aprimorados de aumento de escala diária considerando fatores ambientais e fisiológicos.
Monitoramento aprimorado da dinâmica diurna da fotossíntese é fundamental para entender o ciclo de carbono e prever respostas futuras a extremos climáticos.
Implicações importantes para previsão do crescimento e produtividade da vegetação, ciclagem de carbono e funcionamento do ecossistema com aquecimento futuro

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