Il monsone estivo nei deserti del sud-ovest degli Stati Uniti è noto per portare torrenti d'acqua, spesso riempiendo letti di torrenti asciutti e inondando le strade urbane. Un malinteso comune quando si osserva l'acqua in rapido movimento generata dalle tempeste monsoniche è che la maggior parte dell'acqua viene spazzata via in grandi fiumi, con pochissimo di esso percolando nelle falde acquifere sotterranee.

Utilizzando una combinazione di strumentazione da campo, veicoli aerei senza equipaggio e un modello idrologico, un team di ricercatori dell'Arizona State University e del Jornada Long Term Ecological Research Program della National Science Foundation ha studiato il destino delle piogge monsoniche e il suo impatto sulla ricarica delle acque sotterranee nel deserto di Chihuahuan nel New Mexico.

Le loro scoperte, recentemente pubblicato sulla rivista Ricerca sulle risorse idriche , spiegare come una quantità sorprendente di pioggia, quasi il 25 per cento, dalle tempeste monsoniche viene assorbito in piccoli letti di torrenti e percola nel sistema idrico sotterraneo. I ricercatori hanno identificato i fattori che influenzano il processo di percolazione attraverso l'uso di un modello numerico che riproduceva le osservazioni a lungo termine ottenute in un sito di ricerca altamente strumentato.

"I risultati di questo studio mostrano che le tempeste monsoniche svolgono un ruolo importante nella ricarica delle falde acquifere sotterranee vicino al punto di generazione del deflusso, " afferma Enrique Vivoni, idrologo dell'ASU, della School of Earth and Space Exploration e della School of Sustainable Engineering and Built Environment. mondo."

Otto anni di lavoro sul campo portano a nuove intuizioni

Dal 2010 al 2018, Il gruppo, che includeva diversi studenti universitari e laureati dell'ASU e collaboratori della New Mexico State University e del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti, dati raccolti da una rete di monitoraggio dei bacini idrografici istituita presso la Jornada Experimental Range nel New Mexico. Si sono concentrati in particolare sulla misurazione delle condizioni idrologiche ed ecologiche sui versanti pedemontani, localmente noto come "bajadas, " che collegano catene montuose a valli fluviali, ma sono state spesso ignorate come fonti di ricarica delle acque sotterranee.

Adam Schreiner-McGraw, attualmente borsista post-dottorato presso l'Università della California, Riverside e autore principale dello studio, era uno studente laureato presso la School of Earth and Space Exploration dell'ASU quando è stata condotta la ricerca pubblicata. Il Dr. Schreiner-McGraw ha visitato il sito spartiacque ogni tre settimane per oltre sei anni per raccogliere dati idrologici, mantenere la vasta rete di strumenti, ed eseguire il campionamento del sito necessario per impostare e testare il modello idrologico destinato a comprendere ulteriormente le condizioni del campo.

"In idrologia, "dice Vivoni, "devi aspettare che si verifichino determinate condizioni. In questo studio, abbiamo beneficiato del fatto che una sequenza di monsoni estivi umidi fornisce precipitazioni superiori alla media".

Durante questo periodo, il team ha raccolto dati ad alta risoluzione sulle precipitazioni, flusso di corrente, umidità del suolo ed evapotraspirazione utilizzando una varietà di strumenti operanti in maniera coordinata. Utilizzando i dati a lungo termine di questi sensori, Schreiner-McGraw ha identificato che grandi quantità di pioggia in arrivo, soprattutto durante i monsoni umidi, non veniva disperso nell'atmosfera per evapotraspirazione né dal sistema di canali come flusso di corrente. Anziché, il deflusso si stava perdendo come percolazione in piccoli canali non più larghi di due piedi:una scoperta inaspettata.

Simulazione della direzione dell'acqua:un modello idrologico migliorato

Seguendo il destino delle piogge monsoniche, il team di ricerca si è proposto di spiegare come i pendii ei canali del versante pedemontano possano portare alla ricarica delle falde acquifere. "I suoli sui pendii sono molto diversi da quelli dei canali, " spiega Schreiner-McGraw. "Sono compatti e non assorbono l'acqua molto rapidamente, e hanno anche strati di carbonato di calcio a circa 12-20 pollici sotto la superficie che limitano l'infiltrazione. Canali, d'altra parte, hanno sedimenti grossolani e permeabili che possono assorbire l'acqua molto più rapidamente."

Queste informazioni sono state utilizzate per modificare un modello idrologico del bacino strumentato, originariamente sviluppato durante gli studi universitari di Vivoni presso il Massachusetts Institute of Technology. Sulla base del loro lavoro sul campo, il team di ricerca ha testato il modello rispetto a una suite di dati a lungo termine, compresa l'evapotraspirazione, umidità del suolo, flusso e percolazione. "È raro che un modello idrologico venga testato così a fondo, " afferma Vivoni. "Eseguendo iterazioni di osservazioni sul campo e sviluppi del modello, abbiamo dimostrato il valore della ricerca a lungo termine."

Il team di ricerca ha quindi utilizzato il modello numerico per isolare due importanti fattori che influenzano il processo di percolazione:le proprietà di infiltrazione dei pendii e dei tratti dei canali. Le simulazioni hanno indicato effetti divergenti di questi fattori sulla proporzione di pioggia che ricarica i sistemi di acque sotterranee. Questi risultati sono applicabili ai pendii aridi del Piemonte ovunque sulla Terra. "Comprendere il processo di ricarica delle acque sotterranee nelle regioni aride può aiutarci a gestire in modo sostenibile l'uso delle acque sotterranee in questi ambienti climatici, " dice Schreiner-McGraw.

Con l'acqua che diventa una risorsa sempre più preziosa, una migliore comprensione di come vengono ricaricate le acque sotterranee potrebbe aiutare le comunità di tutto il mondo. "Groundwater è molto simile a un conto in banca, " spiega Vivoni. "Le falde acquifere sotterranee possono immagazzinare acqua proveniente da sistemi di superficie che può essere successivamente estratta in periodi di scarsità d'acqua".

Effetti del cambiamento della vegetazione attraverso il collegamento terra-acqua

Il deserto del Chihuahua, come molte aree del sud-ovest degli Stati Uniti, ha sperimentato una transizione nelle comunità di vegetazione dalle praterie alle terre arbustive. "Storicamente abbiamo utilizzato grandi aree aperte degli Stati Uniti occidentali e del Messico settentrionale per il pascolo del bestiame, " afferma Vivoni. "Di conseguenza, molte praterie sono scomparse e sono state sostituite da arbusti del deserto". la siccità e la soppressione degli incendi hanno contribuito alla conversione delle erbe in terreni arbustivi.

Rimane aperta la questione se questa transizione abbia influito sul processo di ricarica delle acque sotterranee nei versanti pedemontani. "Abbiamo esaminato come lo spartiacque strumentato contribuisce alla ricarica delle acque sotterranee nelle condizioni attuali, " dice Schreiner-McGraw. "Il prossimo passo nella ricerca è determinare come questi contributi verrebbero alterati in diverse comunità vegetali." Qui, il modello idrologico sarà impiegato come laboratorio numerico per determinare come i cambiamenti della vegetazione alterano la ricarica delle acque sotterranee, ad esempio in uno scenario storico di praterie o in un caso di desertificazione e assenza di vegetazione.

"Il futuro delle risorse idriche per l'uomo e la fauna selvatica è incerto, "aggiunge John Schade, direttore del programma di ricerca ecologica a lungo termine della National Science Foundation, che ha finanziato la ricerca. "Studi come questo sono essenziali per una corretta gestione dell'acqua di fronte al rapido cambiamento ambientale, soprattutto nelle terre aride dove l'acqua scarseggia. Questo studio è un esempio del ruolo fondamentale svolto dalla ricerca a lungo termine nello scoprire cosa controlla la disponibilità di acqua dolce. Migliora la nostra capacità di prevedere come cambierà la disponibilità di acqua dolce negli anni e nei decenni a venire".