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1.4.19.6: Factores impulsores del cambio climático global - Biología

1.4.19.6: Factores impulsores del cambio climático global - Biología


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Los resultados del aprendizaje

  • Identificar diferentes impulsores del cambio climático global.

Dado que no es posible retroceder en el tiempo para observar y medir directamente el clima, los científicos utilizan evidencia indirecta para determinar los impulsores o factores que pueden ser responsables del cambio climático. los Ciclos de Milankovitch describen los efectos de leves cambios en la órbita de la Tierra sobre el clima de la Tierra. En otras palabras, uno podría esperar ver algunos cambios predecibles en el clima de la Tierra asociados con cambios en la órbita de la Tierra como mínimo cada 19.000 años.

La variación en la intensidad del sol es el segundo factor natural responsable del cambio climático. Intensidad solar es la cantidad de energía solar o energía que emite el sol en un período de tiempo determinado. Existe una relación directa entre la intensidad solar y la temperatura. A medida que la intensidad solar aumenta (o disminuye), la temperatura de la Tierra aumenta (o disminuye) en consecuencia. Los cambios en la intensidad solar se han propuesto como una de las posibles explicaciones de la Pequeña Edad de Hielo.

Finalmente, las erupciones volcánicas son un tercer impulsor natural del cambio climático. Las erupciones volcánicas pueden durar algunos días, pero los sólidos y gases liberados durante una erupción pueden influir en el clima durante un período de algunos años, provocando cambios climáticos a corto plazo. Los gases y sólidos liberados por erupciones volcánicas pueden incluir dióxido de carbono, vapor de agua, dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno, hidrógeno y monóxido de carbono. Generalmente, las erupciones volcánicas enfrían el clima. Esto ocurrió en 1783 cuando los volcanes de Islandia entraron en erupción y provocaron la liberación de grandes volúmenes de óxido sulfúrico. Esto llevó a enfriamiento con efecto neblina, un fenómeno global que ocurre cuando el polvo, las cenizas u otras partículas suspendidas bloquean la luz solar y provocan temperaturas globales más bajas como resultado; El enfriamiento por efecto de neblina generalmente se extiende por uno o más años. En Europa y América del Norte, el enfriamiento por efecto de neblina produjo algunas de las temperaturas invernales promedio más bajas registradas en 1783 y 1784.

Los gases de efecto invernadero son probablemente los impulsores más importantes del clima. Cuando la energía térmica del sol golpea la Tierra, los gases conocidos como gases de invernadero Atrapan el calor en la atmósfera, al igual que los paneles de vidrio de un invernadero evitan que el calor se escape. Los gases de efecto invernadero que afectan a la Tierra incluyen dióxido de carbono, metano, vapor de agua, óxido nitroso y ozono. Aproximadamente la mitad de la radiación del sol pasa a través de estos gases en la atmósfera y golpea la Tierra. Esta radiación se convierte en radiación térmica en la superficie de la Tierra y luego una parte de esa energía se vuelve a irradiar a la atmósfera. Sin embargo, los gases de efecto invernadero reflejan gran parte de la energía térmica hacia la superficie de la Tierra. Cuantos más gases de efecto invernadero hay en la atmósfera, más energía térmica se refleja en la superficie de la Tierra. Los gases de efecto invernadero absorben y emiten radiación y son un factor importante en la efecto invernadero: el calentamiento de la Tierra debido al dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero en la atmósfera.

La evidencia apoya la relación entre las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono y la temperatura: a medida que aumenta el dióxido de carbono, aumenta la temperatura global. Desde 1950, la concentración de dióxido de carbono atmosférico ha aumentado de aproximadamente 280 ppm a 382 ppm en 2006. En 2011, la concentración de dióxido de carbono atmosférico era de 392 ppm. Sin embargo, el planeta no sería habitable por las formas de vida actuales si el vapor de agua no produjera su drástico efecto invernadero.

Los científicos observan patrones en los datos y tratan de explicar las diferencias o desviaciones de estos patrones. Los datos del dióxido de carbono atmosférico revelan un patrón histórico de aumento y disminución del dióxido de carbono, que oscila entre un mínimo de 180 ppm y un máximo de 300 ppm. Los científicos han llegado a la conclusión de que se necesitaron alrededor de 50.000 años para que el nivel de dióxido de carbono atmosférico aumentara desde su concentración mínima baja hasta su concentración máxima más alta. Sin embargo, desde hace poco, las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico han aumentado más allá del máximo histórico de 300 ppm. Los aumentos actuales del dióxido de carbono atmosférico se han producido muy rápidamente, en cuestión de cientos de años en lugar de miles de años. ¿Cuál es la razón de esta diferencia en la tasa de cambio y la cantidad de aumento de dióxido de carbono? Un factor clave que debe reconocerse al comparar los datos históricos y los datos actuales es la presencia de la sociedad humana moderna; ningún otro impulsor del cambio climático ha producido cambios en los niveles de dióxido de carbono atmosférico a este ritmo o en esta magnitud.

La actividad humana libera dióxido de carbono y metano, dos de los gases de efecto invernadero más importantes, a la atmósfera de varias formas. El mecanismo principal que libera dióxido de carbono es la quema de combustibles fósiles, como gasolina, carbón y gas natural (Figura 1).

La deforestación, la fabricación de cemento, la ganadería, la tala de tierras y la quema de bosques son otras actividades humanas que liberan dióxido de carbono. Metano (CH4) se produce cuando las bacterias degradan la materia orgánica en condiciones anaeróbicas. Las condiciones anaeróbicas pueden ocurrir cuando la materia orgánica queda atrapada bajo el agua (como en los arrozales) o en los intestinos de los herbívoros. El metano también puede liberarse de los campos de gas natural y la descomposición que ocurre en los vertederos. Otra fuente de metano es la fusión de clatratos.

Clatratos son trozos congelados de hielo y metano que se encuentran en el fondo del océano. Cuando el agua se calienta, estos trozos de hielo se derriten y se libera metano. A medida que aumenta la temperatura del agua del océano, aumenta la velocidad a la que se derriten los clatratos, liberando aún más metano. Esto conduce a un aumento de los niveles de metano en la atmósfera, lo que acelera aún más la tasa de calentamiento global. Este es un ejemplo del ciclo de retroalimentación positiva que está llevando a la rápida tasa de aumento de las temperaturas globales.


Las respuestas recientes al cambio climático revelan los factores que impulsan la extinción y la supervivencia de las especies

La respuesta de las especies al cambio climático tiene una importancia cada vez más urgente. Aquí, abordamos los cambios específicos en el clima que se asociaron con las recientes extinciones de poblaciones, utilizando datos de 538 especies de plantas y animales distribuidas a nivel mundial. Sorprendentemente, las extinciones ocurrieron en sitios con cambios más pequeños en las temperaturas medias anuales pero mayores aumentos en las temperaturas anuales más calientes. También evaluamos si las especies pueden sobrevivir al cambio climático dispersándose, cambiando sus nichos para tolerar condiciones más cálidas, o ambas cosas. Dada la dispersión sola, muchas de estas especies (∼57–70%) pueden enfrentar la extinción. Sin embargo, los cambios de nicho pueden reducir potencialmente esto a solo un 30% o menos. En general, nuestros resultados muestran la importancia de las temperaturas máximas para causar la extinción de especies y cambios de nicho para permitir su supervivencia.


Más fuego

Imagínese visitar el parque para encontrar su vista favorita oscurecida por el humo o áreas enteras cerradas por seguridad pública. Imagínese tener dificultades para respirar o tener que evacuar su campamento en medio de la noche. En los últimos años, muchos visitantes de Glacier han experimentado todas estas cosas. Los científicos estiman que el cambio climático ha duplicado la cantidad de acres quemados en los incendios forestales del oeste de Estados Unidos desde la década de 1980. Se espera que continúe esta tendencia, que incluye un aumento en el tamaño, la frecuencia y la gravedad de los incendios forestales.


Protección de especies en movimiento

A medida que aumentan las temperaturas y el nivel del mar como resultado del cambio climático, la flora y la fauna están migrando a tierras nuevas y desconocidas para sobrevivir. Algunas especies animales tendrán que trasladarse más al norte para mantenerse frescas, mientras que los árboles y las plantas tendrán que aumentar la amplitud de su distribución de semillas para garantizar el éxito de las generaciones venideras.

Y así como se están adaptando al cambio, nuestras ideas sobre cómo nos involucramos con éxito en la conservación también deben hacerlo.

Con una subvención del programa Dynamics of Integrated Socio-Environmental Systems de la National Science Foundation, un equipo interdisciplinario de investigadores de Virginia Tech, la Universidad de Tennessee, Knoxville y la Universidad del Sur de California están ayudando a las agencias de conservación y otras partes interesadas a través de las fronteras estatales y locales a repensar los enfoques de protección de la biodiversidad para esta nueva era de cambio climático.

"Los esfuerzos de conservación a menudo se han establecido tradicionalmente en torno a esta noción de que las especies existen en ciertos lugares y no en otros", dijo Todd Schenk, profesor asociado en el Programa de Planificación y Asuntos Urbanos de la Escuela de Asuntos Públicos e Internacionales de Virginia Tech. "Ha quedado claro que eso ya no es cierto, si es que alguna vez lo fue. Estamos llegando al punto en que el cambio climático y otros impulsores del cambio global están cambiando los ecosistemas a un ritmo rápido".

A medida que vemos cada vez más los impactos del cambio climático en los ecosistemas, los administradores, investigadores, planificadores ambientales y otras partes interesadas se preguntan: ¿Cómo nos ocupamos de la migración de ecosistemas enteros cuando nuestros esfuerzos de conservación se centran principalmente en lugares particulares y están limitados por fronteras políticas?

Con este proyecto, el equipo de investigadores se acercará a una de las regiones con mayor diversidad biológica del mundo templado: las montañas Apalaches del centro y sur. La región servirá como un paisaje de prueba para el desarrollo de una visión más dinámica de la conservación.

Dentro de los 48 bajos, los ecosistemas de los Apalaches se destacan por su increíble biodiversidad. Con una superficie de 737.000 millas cuadradas y hogar de decenas de miles de especies, estos ecosistemas montañosos han desempeñado y seguirán desempeñando un papel fundamental en la habilitación de los movimientos de especies a medida que cambia el clima.

Las Montañas Apalaches atraviesan 13 estados. Teniendo en cuenta todas las agencias federales, agencias estatales, tribus y organizaciones sin fines de lucro que comparten la responsabilidad de su protección, la Cordillera de los Apalaches es un excelente ejemplo de los desafíos de gestión que surgirán a medida que las especies se enfrenten a nuevas y crecientes amenazas.

Schenk dijo que hay un tema que vale la pena señalar: nuestras fronteras estatales. Hace mucho tiempo, las fronteras estatales se trazaron en gran medida sin considerar ciertas características ecológicas.

"Nuestras fronteras rara vez se trazan sobre la base de ecosistemas, como cuencas fluviales o cuencas hidrográficas, para empezar", dijo Schenk. "En todo caso, hemos hecho lo contrario. Muchos estados tienen ríos que sirven como límites. Por supuesto, no trazamos fronteras políticas que tengan en cuenta la ecología de las regiones. Las trazamos por otras razones".

Para quienes están a cargo de la política, la planificación y la gestión ambientales, estos límites artificiales se vuelven aún más problemáticos. Los cambios ambientales inevitablemente cruzarán estos límites, lo que requiere una coordinación significativa a través de esos límites.

"Mucho de lo que hacemos como sociedad para proteger especies está, en última instancia, ligado a geografías fijas", dijo Paul Armsworth, ecologista de la Universidad de Tennessee, Knoxville, e investigador principal del proyecto. "Protegemos lugares especiales en el paisaje en reservas naturales o pedimos a las agencias estatales que lideren la protección de las especies que se encuentran dentro de sus fronteras. Pero, vamos a necesitar enfoques mucho más flexibles y dinámicos si queremos continuar protegiendo a las especies a medida que se acelera el cambio climático". . "

Los investigadores creen que este tipo de pensamiento colectivo requerirá cambios culturales e institucionales dentro de las agencias de manejo de recursos naturales y las ONG conservacionistas, y facilitar tales cambios lleva tiempo.

Con la ayuda de la inteligencia artificial, el equipo podrá cuantificar estos cambios a lo largo del tiempo y alertar a las agencias estatales y federales para que planifiquen en consecuencia.

"Si todo lo que hacemos es reaccionar al cambio una vez que ha sucedido, entonces la comunidad conservacionista siempre estará en modo de crisis, pero podemos adelantarnos", dijo Bistra Dilkina, co-investigadora principal de informática del equipo. Universidad del Sur de California. "Si aprovechamos los enfoques computacionales modernos, podemos predecir cómo responderán las especies al clima cambiante y dónde y cuándo se producirán cambios ecológicos en el paisaje. Al hacerlo, podremos explorar qué tipos de nuevas colaboraciones de gobernanza serán necesarias. listo cuando lleguen esos cambios ".

Para explorar estos temas más a fondo, el equipo planea involucrar directamente a los funcionarios de la agencia y otras personas responsables de integrar el cambio climático en los Planes de Acción Estatales para la Vida Silvestre (SWAP). Con cada estado adhiriéndose a su propio plan, la coordinación para abordar problemas perversos, como el cambio climático, puede resultar difícil. La coordinación es fundamental.

"No hay una estrecha integración a través de esas fronteras estatales", dijo Schenk. "Las personas que hacen estos planes tienen una responsabilidad con su estado y solo con su estado. No van a comenzar de repente a hacer planes para los otros estados. Por lo tanto, una pregunta clave es '¿cómo nos coordinamos, reconociendo al mismo tiempo que esos límites políticos? no te vas a ir? '"

El equipo también busca conocimiento de aquellos que se han preocupado por la tierra mucho antes de la llegada de los europeos. Varias tribus indígenas habitan en las cordilleras de los Apalaches del centro y sur, y el equipo aprenderá de ellas, mientras las ayuda a mejorar sus enfoques de gestión frente a un clima cambiante.

"Son socios fundamentales en este proyecto dadas sus relaciones a largo plazo y su administración de la tierra", dijo Schenk.

Con la combinación de varios tipos de experiencia en investigación y expertos de diferentes organizaciones, el equipo confía en que este nuevo proyecto realmente puede marcar una diferencia para la conservación futura en la región de los Apalaches y más allá.

"En esencia, los problemas ambientales como el cambio climático son realmente problemas de personas", dijo William A. Hopkins, profesor de vida silvestre en la Facultad de Recursos Naturales y Medio Ambiente y director ejecutivo asociado del Instituto Fralin de Ciencias de la Vida. "Debemos abordar las dimensiones humanas de estos complejos problemas si tenemos alguna esperanza de detener o revertir en última instancia sus efectos sobre el medio ambiente y la sociedad. La colaboración entre ecólogos, científicos sociales e informáticos en este proyecto financiado por la NSF ejemplifica el tipo de Se necesitan enfoques innovadores para resolver estos desafíos ".

El Instituto de Ciencias de la Vida Fralin está tomando medidas audaces para fomentar y apoyar colaboraciones similares y asociaciones estratégicas con universidades y otros institutos en Virginia Tech.

"Recientemente, ubicamos a profesores con experiencia diversa de cinco universidades en Steger Hall para abordar los problemas relacionados con los rápidos cambios ambientales. Con la coordinación con el Instituto para la Sociedad, la Cultura y el Medio Ambiente, pudimos incorporar a Todd Schenk", agregó Hopkins. .

Schenk enfatizó que el programa NSF Dynamics of Integrated Socio-Environmental Systems representa una oportunidad única y emocionante para los investigadores. No solo los investigadores de todas las disciplinas trabajarán juntos, sino que aquellos dentro y fuera del mundo académico también trabajarán juntos.

"Este programa integrará los campos social y ambiental, que es de vital importancia para temas como la conservación efectiva", dijo Schenk. "Es realmente agradable ver a todos, desde las agencias federales hasta el Instituto de Ciencias de la Vida Fralin, unirse para ver que se pone tanto énfasis en una colaboración genuina, sostenida y más profunda que se extiende más allá de la academia".

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Abstracto

El tamaño de las hojas varía más de 100.000 veces entre las especies de todo el mundo. Aunque los geógrafos de plantas del siglo XIX notaron que los trópicos húmedos albergan plantas con hojas excepcionalmente grandes, el gradiente latitudinal del tamaño de las hojas no ha sido bien cuantificado ni los impulsores climáticos clave identificados de manera convincente. Aquí, caracterizamos patrones mundiales en tamaño de hoja. Las especies de hojas grandes predominan en ambientes húmedos, calurosos y soleados. Las especies de hojas pequeñas tipifican ambientes cálidos y soleados solo en condiciones áridas. Las hojas pequeñas también se encuentran en latitudes y elevaciones altas. Al modelar el equilibrio de las entradas y salidas de energía de las hojas, mostramos que las diferencias de temperatura entre la hoja y el aire durante el día y la noche son clave para los gradientes geográficos en el tamaño de las hojas. Este conocimiento puede enriquecer los modelos de vegetación de “próxima generación” en los que la temperatura de las hojas y el uso del agua durante la fotosíntesis juegan un papel clave.

La temperatura de las hojas es un control clave de las tasas metabólicas de las plantas. La carboxilación fotosintética aumenta fuertemente con la temperatura, pero también lo hacen los procesos catabólicos como la respiración oscura y la fotorrespiración (1). Por lo tanto, la tasa fotosintética neta tiende a alcanzar su punto máximo a temperaturas intermedias, con la temperatura óptima típicamente más alta en especies de regiones más cálidas (2, 3). Las temperaturas muy altas o bajas pueden afectar la función enzimática, alterar las membranas y los procesos celulares y, si son lo suficientemente extremas, causar daños irreparables en los tejidos (1). Las plantas muestran una variedad de adaptaciones para aumentar la proporción del día en que las hojas pueden operar en rangos de temperatura casi óptimos para la fotosíntesis y para evitar temperaturas extremas (4, 5). Las hojas colgantes con superficies reflectantes pueden evitar las altas temperaturas del mediodía (6), por ejemplo, mientras que los arreglos de copas agrupadas en plantas alpinas ayudan a evitar el frío extremo (7). No obstante, el rasgo más notablemente variable que afecta la temperatura de las hojas es el tamaño de las hojas individuales.

En todo el reino vegetal, las hojas varían desde menos de 1 mm 2 hasta más de 1 m 2 en área (8). Las hojas más grandes tienen una capa límite más gruesa que ralentiza el intercambio de calor sensible con el aire circundante, lo que significa que, en igualdad de condiciones, desarrollan diferencias de temperatura de hoja a aire más grandes que las de las hojas más pequeñas (9, 10). Todas las hojas se enfrían por la pérdida de agua por transpiración, pero esto es particularmente crítico para las hojas grandes, que enfrentan un mayor riesgo de daño por calor potencialmente grave a altas temperaturas del aire y alta irradiancia, especialmente cuando el agua del suelo es limitante (2). Estos principios son fundamentales para teorías bien conocidas sobre el tamaño óptimo de las hojas basadas en los presupuestos de energía de las hojas durante el día (2, 9, 1114), que predice las desventajas de tener hojas grandes en sitios más cálidos, secos y de alta irradiancia. En apoyo de estas predicciones, muchos estudios han mostrado tamaños medios de hojas más pequeños en sitios con menor precipitación media anual (MAP) (1519) y mayor irradiancia (6, 20). Sin embargo, dos encuestas recientes a gran escala del tamaño de la hoja versus la temperatura media anual (MAT) (18, 19) han mostrado el patrón opuesto al predicho a partir de estas consideraciones de presupuesto de energía diurna: el tamaño medio de las hojas aumenta claramente en lugar de disminuir con MAT (21). Estos resultados plantean un desafío sustancial para la comprensión aceptada basada en la teoría del presupuesto de energía "clásica". En otros estudios, se ha demostrado que las especies de hojas grandes son poco comunes en sitios fríos y de gran altitud (7, 22). En cambio, este patrón concuerda con el control del balance energético nocturno, una influencia subestimada, lo que indica una desventaja sustancial para las hojas grandes en las regiones frías, ya que son más propensas al daño por heladas porque una capa límite más gruesa ralentiza el intercambio de calor sensible con el suelo, el aire, y la vegetación circundante, que se requiere para compensar las pérdidas de radiación de onda larga en el cielo nocturno (23, 24).

En este estudio, nuestro primer objetivo fue la cuantificación a escala global de cómo varía el tamaño de la hoja con el clima del sitio, lo que nos permite analizar los efectos potencialmente interactivos de la temperatura, la irradiancia y la humedad del sitio y proporcionar pruebas sólidas de predicciones de las teorías clásicas basadas en la optimización. para el tamaño de la hoja2, 9, 1114). Nuestro segundo objetivo fue modelar el límite superior de tamaños de hojas viables en relación con los riesgos de enfriamiento nocturno y sobrecalentamiento diurno. Al combinar el análisis de un gran conjunto de datos a nivel mundial con un enfoque mecanicista para predecir el tamaño máximo de las hojas en función del clima del sitio, buscamos explicar el gradiente latitudinal en los tamaños de las hojas que observaron por primera vez los geógrafos de plantas del siglo XIX (25, 26) —Un enigma ecológico de larga data, cuya persistencia ha impedido la incrustación realista de este rasgo clave en la vegetación global y los modelos del sistema terrestre.

Compilamos un conjunto de datos de tamaño de hoja para 7670 especies de 682 sitios no agrícolas en todo el mundo, con muestras distribuidas en todos los continentes con vegetación, zonas climáticas, biomas y formas de crecimiento principales (figs. S1 y S2). En cada sitio, los datos del tamaño de las hojas se agregaron a un valor medio único por especie, lo que arrojó 13,705 combinaciones de especies y sitios. "Tamaño de hoja" aquí se refiere al área proyectada unilateral de hojas individuales, folíolos (para especies de hojas compuestas) o análogos de hojas (como filodes y cladodios) para especies que de otro modo no tienen hojas. Los datos climáticos anuales y de la temporada de crecimiento para cada sitio se obtuvieron de publicaciones originales o de conjuntos de datos climáticos globales. El tamaño de las hojas varió entre las especies en más de cinco órdenes de magnitud. En promedio, los árboles tenían hojas más grandes que los arbustos, hierbas o pastos (fig. S2), pero se pudo observar una variación muy sustancial dentro de cada forma de crecimiento. También hubo un patrón taxonómico fuerte, por ejemplo, familias como Dipterocarpaceae y Magnoliaceae se caracterizaron por muchas especies de hojas grandes, mientras que muchas especies de hojas pequeñas se encontraron en Cupressaceae, Ericaceae y Fabaceae.

El tamaño de las hojas fue en promedio mayor en las regiones ecuatoriales y más pequeño hacia los polos. Un ajuste de regresión cuadrática a la latitud explicó el 28% de la variación global (Fig. 1A), con tendencias casi idénticas en especies de hojas simples y de hojas compuestas (Fig. S3). Se observó un poder explicativo similar o incluso mayor dentro de los principales clados (fig. S4). Las métricas climáticas comunes asociadas con la latitud explicaron proporciones más pequeñas pero aún sustanciales de la variación del tamaño de la hoja (Fig.1 y tabla S2): MAP (Fig.1B) y MAT explicaron el 22 y el 15% de la variación global, respectivamente (hojas más grandes en los momentos más húmedos o sitios más cálidos). Otras variables relacionadas con la humedad del sitio explicaron menos variación que MAP [como el índice de humedad (MI), la relación entre la precipitación anual y la evapotranspiración potencial, el coeficiente de determinación (R 2) = 0,12 (figura 1C)]. Para la temperatura del sitio, las relaciones más fuertes con el tamaño de la hoja, todas de signo positivo, se dieron con las variables climáticas expresadas en función de la temporada de crecimiento [temperatura media de la temporada de crecimiento, R 2 = 0,21 (Fig. 1D) temperatura media del mes más frío durante la temporada de crecimiento, R 2 = 0,24]. El tamaño de la hoja se correlacionó estadísticamente con la irradiancia, pero con poco poder explicativo (R 2 & lt 0.01, PAG = 0,002) (figura 1E). En general, las relaciones entre el tamaño de la hoja y las variables climáticas individuales fueron más estrechas en las especies leñosas que en las no leñosas y, entre los taxones leñosos, más estrechas en las especies de hoja perenne que en las caducifolias (tablas S3 y S4).

(A) Las especies se codifican como hojas simples (círculos azules) o hojas compuestas (cuadrados naranjas para los que el "tamaño de la hoja" se refiere al de los folíolos). Línea sólida ajustada (regresión cuadrática, todas las especies), logLS = 1,37 + 0,006 Lat - 0,0004 Lat 2 R 2 = 0.28, PAG & lt 0,0001. Como se muestra en la fig. S3, A y B, son gráficos equivalentes, con pendientes ajustadas por separado a especies de hojas simples y compuestas, y cuando se considera que el tamaño de la hoja de las hojas compuestas es el de toda la hoja en lugar del de los folíolos. (B) Precipitación media anual (logLS = 1.02 logMAP - 2.18 R 2 = 0.22, PAG & lt 0,0001). (C) Equilibrio anual MI (logLS = 0,70 logMI + 1,00 R 2 = 0.12, PAG & lt 0,0001). (D) Temperatura media durante la temporada de crecimiento (logLS = 0.07 Tgs – 0.28 R 2 = 0.21, PAG & lt 0,0001). (mi) Radiación diaria anual (logLS = 0,002 RAD + 0,54 R 2 = 0.002, PAG = 0,002). En (A) a (E), las pendientes ajustadas se estimaron utilizando modelos lineales mixtos (el sitio y las especies se tratan como efectos aleatorios). En la tabla S2 se dan más detalles de las relaciones entre el tamaño de las hojas y el clima. En (A) a (E), muestra norte = 13,641 combinaciones de especies y sitios y las líneas discontinuas muestran los ajustes de regresión de los cuantil 5 y 95. En la fig. S7.

Las combinaciones de variables climáticas explicaron la mayor variación en el tamaño de las hojas. Temperatura del sitio [más notablemente, la temperatura media durante el mes más cálido (TWM)], la irradiancia y la humedad (MAP o MI) mostraron fuertes efectos interactivos, siendo las superficies de mejor ajuste planos retorcidos (Fig. 2 y Fig. S5). En los sitios más secos (MAP & lt

0.5), el tamaño de la hoja disminuyó débilmente con TWM, mientras que en los sitios más húmedos, el tamaño de la hoja aumentó con TWM (R 2 = 0,34) (figura 2). Este acoplamiento con la temperatura del sitio fue cada vez más pronunciado y estrecho a un MAP más alto (fig. S6A). De manera similar, el tamaño de la hoja no estaba relacionado con MAP en sitios más fríos (TWM en el rango de 0 ° a 15 ° C) pero se relacionó positivamente con MAP en sitios más cálidos, y cada vez más TWM (figura S6C). Se encontraron patrones cualitativamente similares con un poder explicativo similar al sustituir la irradiancia por TWM en estos análisis (figs. S5 y S6, B y D), o MI para MAP (R 2 = 0,33): Las hojas eran más pequeñas en los sitios más secos solo en las regiones cálidas, más pequeñas en los sitios más calientes o de mayor irradiación solo en las regiones secas, y más pequeñas en los sitios más fríos, especialmente en condiciones más húmedas. Es decir, cada una de las predicciones individuales de la teoría anterior del balance energético de las hojas fue apoyada bajo condiciones específicas, pero ninguna fue universalmente cierta.

Considerando el tamaño de la hoja (LS) en función de la temperatura media del mes más cálido (TWM) y precipitación media anual (MAP), la superficie de mejor ajuste estimada por regresión de modelo mixto múltiple fue un plano retorcido con la forma logLS = - 0.27 TWM - 1,32 logMAP + 0,10 TWM × logMAP + 4.01 (todos los parámetros PAG = 0.001 R 2 = 0.34 norte = 13,641 combinaciones especies-sitio). Se encontraron resultados similares en análisis que involucraron irradiancia en lugar de TWM, o índice de humedad anual (MI) en lugar de precipitación (figs. S5 y S6).

Nuestros análisis empíricos indicaron que los límites superiores del tamaño de la hoja mostraron tendencias marcadas tanto con la latitud (pendientes de regresión de cuantiles en la figura 1A y la figura S4) como con el clima (figura S6, regresiones de cuantiles de A a D en la figura 1, B a D y figura S5 y tabla S2). Para explorar más profundamente este problema del límite superior, desarrollamos un enfoque simple pero robusto para el modelado del balance de energía para las diferencias de temperatura entre la hoja y el aire durante el día y la noche (fig. S8). Teoría del balance energético (2, 4) predice que la radiación neta en la superficie de la hoja en estado estacionario debe ser igual a la suma de los intercambios de calor latente y sensible con el aire circundante, siendo el primero proporcional a la diferencia de temperatura entre la hoja y el aire (ΔT), este último a la tasa de transpiración. Sobre la base de esta teoría, aplicamos un cálculo genérico para predecir los límites superiores del tamaño de las hojas durante el día, para cada sitio de estudio. Asumimos que las plantas no pueden transpirar más rápido que a la tasa máxima permitida por el balance de radiación neto de la hoja y la temperatura del aire, y que la tasa de transpiración se reduce progresivamente a medida que disminuye la disponibilidad de humedad del suelo. Usando la relación bien establecida entre la conductancia de la capa límite de la hoja (gramoB) y tamaño (4, 9), entonces podemos derivar para cualquier conjunto dado de condiciones climáticas el tamaño máximo de la hoja que mantiene la temperatura de la hoja por debajo de un límite superior especificado durante todo el año.

También consideramos el balance energético de las hojas durante la noche, cuando la radiación neta es negativa y la medida en que se compensa con el intercambio de calor sensible determina ΔT (23, 24). Para este cálculo del tamaño máximo de hoja esperado, especificamos un límite de temperatura más bajo por debajo del cual se esperaría que las hojas activas sufrieran daños graves. Consideramos solo las temperaturas encontradas durante la temporada de crecimiento térmico, sobre la base de que las hojas en la parte más fría del año en climas fríos de invierno se derramarán o endurecerán por frío y permanecerán inactivas. Sobre la base de estas dos restricciones, la aplicación de un límite de temperatura de la hoja superior de 50 ° C (27, 28) y un límite de temperatura inferior de –5 ° C (29) - Derivamos dos predicciones del tamaño máximo de hoja viable para cada uno de los 682 sitios en nuestro conjunto de datos. A partir de estos datos, derivamos predicciones generales para las tendencias latitudinales en el tamaño máximo de hoja y las comparamos con los datos observados (Fig. 3 y Figs. S9 a S12).

Se modelaron restricciones teóricas sobre el tamaño máximo de hoja para cada uno de los 682 sitios en nuestro conjunto de datos global, basándose tanto en el riesgo de sobrecalentamiento diurno como en el riesgo de frío nocturno. Los resultados se ilustran con sitios agrupados por índice de humedad anual (IM). (A) Sitios áridos (MI & lt 0.5). (B) Sitios de aridez intermedia (0,5 & lt MI & lt 1,5). (C) Sitios húmedos (MI & gt 1.5). Las tendencias medias a través de la salida del modelo se indican en rojo (sobrecalentamiento diurno) y azul (enfriamiento nocturno). Los tamaños de hoja observados se muestran en gris, con la media y las regresiones cuadráticas cuantil quinto / 95o mostradas en negro (líneas continuas y discontinuas, respectivamente). Los cálculos realizados mediante el uso de valores alternativos de parámetros clave dieron como resultado ligeros desplazamientos hacia arriba o hacia abajo de las funciones de restricción, sin alterar su forma general (figuras S9 a S12).

En sitios áridos (MI & lt 0.5) (Fig. 3A), el límite superior del tamaño de la hoja es casi universalmente consistente con las restricciones diurnas estimadas (Fig. 3, línea discontinua roja) porque la transpiración rápida es imposible cuando el suministro de agua es limitado y grande. las hojas se ven perjudicadas al alcanzar temperaturas dañinamente altas. En sitios de IM intermedio (Fig. 3B), las restricciones diurnas parecen más limitantes entre

20 ° S y 20 ° N, pero las restricciones nocturnas dominan fuera de esta zona. En sitios húmedos (MI & gt 1.5) (Fig. 3C), se predice que las restricciones diurnas no serán importantes porque generalmente se dispone de suficiente agua para un enfriamiento transpiratorio efectivo, con restricciones nocturnas dominando en todas las latitudes.

Estos resultados se pueden generalizar en forma de mapas globales que muestran las tendencias geográficas en el tamaño máximo de las hojas (Fig. 4) y sus determinantes (Fig. S13). Se ha demostrado que los tamaños máximos de hojas viables son especialmente pequeños tanto en los desiertos cálidos como en las regiones frías de gran altitud (como el Tíbet y los Andes), pero por diferentes razones relacionadas con las limitaciones diurnas y nocturnas, respectivamente. Se pueden encontrar gradientes pronunciados del tamaño máximo de hoja previsto, por ejemplo, donde los subtrópicos áridos pasan a trópicos húmedos. En climas muy cálidos (día y noche), siempre húmedos, puede que no haya una restricción térmica efectiva en el tamaño de la hoja (figs. S4, tono azul profundo y S13, categoría “ilimitada”). In these situations, it is likely that other limits to leaf size come into play, such as the biomechanics of support (6) or whole-plant hydraulic architecture (30). We estimate that these situations represent 4.3% of global land area, whereas nighttime constraints provide the dominant control for 51%, daytime constraints 38%, and night and day constraints colimit leaf sizes for 6.7% of land (fig. S13).

Each grid cell is color coded according to the smaller of the two predictions for maximum leaf size (daytime or nighttime) (fig. S13), made by using the same procedure as the site-specific modeling. Areas coded the deepest shade of blue are those where there may be no effective thermal constraint on maximum leaf size because sufficient water is generally available for effective transpirational cooling, and warm nighttime air temperatures prevent leaves from suffering radiative frost damage.

Our model is based on a first-order empirical approximation to transpiration that can be derived in terms of boundary-layer theory (31, 32). It is likely to be more accurate for canopy species. All else being equal, lower energy inputs in shaded situations may allow for larger leaf sizes than predicted (6, 1113, 33), whereas shallow-rooted species with restricted access to water might have smaller leaf sizes than predicted (34). More explicit modeling of leaf-level energy balance is possible. However, consideration of, for example, vertical gradients of leaf size would also entail modeling of within-canopy humidity and wind speeds, which is a more complex task.

What are the selective advantages that favor large leaves under conditions when they are physiologically possible? This is not well understood, but two prospective explanations seem most promising. First, by deploying a given leaf mass as fewer, larger leaves, the associated twig costs tend to be lower (13, 35), even if within-leaf structural costs are higher (36). All else being equal, this should lead to a growth advantage (37). Second, the wider leaf-to-air temperature differences possible for larger leaves may allow them to more quickly heat up to favorable temperatures for photosynthesis during cool mornings, leading to substantially higher photosynthetic returns (5). In addition, under sufficiently hot and high-irradiance conditions, wider leaf-to-air temperature differences may allow larger leaves to operate at temperatures substantially lower than that of the surrounding air (and more favorable for photosynthesis), provided sufficient soil water is available to support the necessary transpiration (9, 38, 39).

A wide range of leaf sizes exists at any given climate or latitude (Fig. 1). Leaf size is coordinated with many other features of plant architecture, canopy display, and plant hydraulics (6, 7, 13, 30, 35, 40), apparently leading to many equally viable leaf size strategies for a given climate. Additional factors are known to influence leaf size most notably, low-nutrient soils are characterized by smaller-leaved species (6, 17), smaller-leaved species seemingly suffer less herbivory (41), and as already noted, larger leaves may be favored under deep shade (6, 1113, 33). Nonetheless, it appears that climate provides the dominant control on the global geographic limits to leaf size, acting both through daytime and nighttime constraints. The nighttime constraint on leaf size in seasonally cold climates has featured in literature on alpine regions and on frost risks in agriculture (23, 24), but its generality has not previously been noted.

Our analyses have moved beyond consideration of bivariate leaf size–climate relationships (6, 7, 1522), and in doing so, they show simple, interpretable patterns that had not emerged from previous analyses of more limited sets of observations. By pairing broad-scale data synthesis with a simple and robust approach to leaf energy balance modeling, we have shown that the key to understanding geographical limits to leaf size is the leaf-to-air temperature difference, which reflects the balance of energy inputs and outputs. This approach provides a quantitative explanation for the latitudinal gradient in leaf size, one of the oldest observations in ecology (25, 26), for which no general theory existed previously. This knowledge has the potential to enrich “next-generation” vegetation models, in which leaf temperature and water use during photosynthesis play key roles, and to constrain predictions from species distribution models in relation to climate change. It will aid reconstruction of paleoclimate from leaf macrofossils (15, 16, 19, 21), an enterprise that also dates back more than a century (42) but which, until now, has relied entirely on empirical relationships between leaf traits and climate.


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1. Speak up!

What’s the single biggest way you can make an impact on global climate change? “Talk to your friends and family, and make sure your representatives are making good decisions,” Haq says. By voicing your concerns—via social media or, better yet, directly to your elected officials—you send a message that you care about the warming world. Encourage Congress to enact new laws that limit carbon emissions and require polluters to pay for the emissions they produce. “The main reason elected officials do anything difficult is because their constituents make them,” Haq says. You can help protect public lands, stop offshore drilling, and more here.

2. Power your home with renewable energy.

Choose a utility company that generates at least half its power from wind or solar and has been certified by Green-e Energy, an organization that vets renewable energy options. If that isn’t possible for you, take a look at your electric bill many utilities now list other ways to support renewable sources on their monthly statements and websites.

3. Weatherize, weatherize, weatherize.

“Building heating and cooling are among the biggest uses of energy,” Haq says. Indeed, heating and air-conditioning account for almost half of home energy use. You can make your space more energy efficient by sealing drafts and ensuring it’s adequately insulated. You can also claim federal tax credits for many energy-efficiency home improvements.

4. Invest in energy-efficient appliances.

Since they were first implemented nationally in 1987, efficiency standards for dozens of appliances and products have kept 2.3 billion tons of carbon dioxide out of the air. That’s about the same amount as the annual carbon pollution coughed up by nearly 440 million cars. “Energy efficiency is the lowest-cost way to reduce emissions,” Haq says. When shopping for refrigerators, washing machines, and other appliances, look for the Energy Star label. It will tell you which are the most efficient.

5. Reduce water waste.

Saving water reduces carbon pollution, too. That's because it takes a lot of energy to pump, heat, and treat your water. So take shorter showers, turn off the tap while brushing your teeth, and switch to WaterSense-labeled fixtures and appliances. The EPA estimates that if just one out of every 100 American homes were retrofitted with water-efficient fixtures, about 100 million kilowatt-hours of electricity per year would be saved—avoiding 80,000 tons of global warming pollution.

6. Actually eat the food you buy—and make less of it meat.

Approximately 10 percent of U.S. energy use goes into growing, processing, packaging, and shipping food—about 40 percent of which just winds up in the landfill. “If you’re wasting less food, you’re likely cutting down on energy consumption,” Haq says. And since livestock products are among the most resource-intensive to produce, eating meat-free meals can make a big difference, too.

7. Buy better bulbs.

LED lightbulbs use up to 80 percent less energy than conventional incandescents. They’re also cheaper in the long run: A 10-watt LED that replaces your traditional 60-watt bulb will save you $125 over the lightbulb’s life.

8. Pull the plug(s).

Taken together, the outlets in your home are likely powering about 65 different devices—an average load for a home in the U.S. Audio and video devices, cordless vacuums and power tools, and other electronics use energy even when they're not charging. This "idle load" across all U.S. households adds up to the output of 50 large power plants in the U.S. So don't leave fully charged devices plugged into your home's outlets, unplug rarely used devices or plug them into power strips and timers, and adjust your computers and monitors to automatically power down to the lowest power mode when not in use.

9. Drive a fuel-efficient vehicle.

Gas-smart cars, such as hybrids and fully electric vehicles, save fuel and money. And once all cars and light trucks meet 2025’s clean car standards, which means averaging 54.5 miles per gallon, they’ll be a mainstay. For good reason: Relative to a national fleet of vehicles that averaged only 28.3 miles per gallon in 2011, Americans will spend $80 billion less at the pump each year and cut their automotive emissions by half. Before you buy a new set of wheels, compare fuel-economy performance here.

10. Maintain your ride.

If all Americans kept their tires properly inflated, we could save 1.2 billion gallons of gas each year. A simple tune-up can boost miles per gallon anywhere from 4 percent to 40 percent, and a new air filter can get you a 10 percent boost.

11. Rethink planes, trains, and automobiles.

Choosing to live in walkable smart-growth cities and towns with quality public transportation leads to less driving, less money spent on fuel, and less pollution in the air. Less frequent flying can make a big difference, too. “Air transport is a major source of climate pollution,” Haq says. “If you can take a train instead, do that.”

12. Shrink your carbon profile.

You can offset the carbon you produce by purchasing carbon offsets, which represent clean power that you can add to the nation’s energy grid in place of power from fossil fuels. But not all carbon offset companies are alike. Do your homework to find the best supplier.


Climate Change and Extremes

See Changes in Heat Waves, Cold Waves, Floods, and Droughts in the United States for more information on these extremes and scientists&rsquo collective state of knowledge.

See Analyses of Maximum Precipitation Estimates: Impacts of a Wetter Future for more information on a recent report about rising atmospheric concentrations of greenhouse gases and their effects on extreme precipitation events.

See NOAA&rsquos Atlantic Hurricanes, Climate Variability, and Global Warming Fact Sheetfor a summary and assessment on the relationship between Atlantic hurricanes and climate change.

See the Special Report on Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation to learn more about policies to avoid, prepare for, respond to, and recover from the risks of extreme events.


Ver el vídeo: Webinar: Las bases físicas del cambio climático, encuentro con los autores del Sexto Informe IPCC (Octubre 2022).