Un americano su 10 dipende dal fiume Colorado per fare il bagno e bere. Le temperature record dello scorso autunno hanno ridotto il manto nevoso del Colorado nell'inverno 2018 al 66 percento del normale, suscitando preoccupazione per la scarsità d'acqua a valle e lasciando i gestori dell'acqua timorosi di una ripetizione.

La diminuzione del manto nevoso non è tutto ciò che influisce sulle riserve idriche. In molti siti dell'ovest dove il servizio federale di conservazione delle risorse naturali misura la quantità di acqua contenuta nella neve, questo equivalente neve-acqua era inferiore alla metà dei valori medi dal 1981 al 2010. Allo stesso tempo, la neve si sta sciogliendo vicino alle sorgenti del fiume Colorado quasi un mese prima rispetto a 25 anni fa. Questa prima fusione da sola ha causato cambiamenti nelle comunità vegetali che funzionano per assorbire i nutrienti, inquinanti di processo, e filtrare i sedimenti mentre l'acqua si sposta a valle, aumentando le probabilità che la qualità dell'acqua, non solo approvvigionamento idrico, sarà messo a rischio da un'atmosfera calda.

L'esperta di scienze idrologiche e geochimica Bhavna Arora fa parte di un team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia che studia i cambiamenti a queste comunità vegetali in un'area di ricerca lungo il bacino dell'East River vicino alle sorgenti del fiume Upper Colorado. Gli studi del team, parte del programma Watershed Function Scientific Focus Area (SFA), sono utili per prevedere come i disturbi ai bacini idrografici montuosi – come inondazioni, siccità, cambiamento del manto nevoso e scioglimento anticipato della neve - influiscono sulla fornitura di acqua a valle, nutrienti, carbonio, e metalli.

D. C'è qualcosa che ti preoccupa di ciò che la tua squadra sta osservando nello spartiacque dell'East River?

R. La neve si sta sciogliendo in media 26 giorni prima rispetto a 25 anni fa, un fenomeno che ha costretto a un drastico cambiamento nelle comunità vegetali all'interno e intorno all'Upper Colorado River. Quando la neve si scioglie molto prima del previsto, i nitrati prodotti naturalmente sotto la neve possono essere rilasciati molto prima nello spartiacque. Le piante regionali che storicamente hanno funzionato in modo sincrono all'interno dell'ecosistema per assorbire i nutrienti dall'acqua all'interno dello scioglimento della neve sono state sostituite o rischiano di essere sostituite da piante più resistenti alla siccità che potrebbero non essere così abili nell'assorbimento dell'azoto.

All'East River, Colorado, bacino di utenza che è il banco di prova del progetto, una comunità di arbusti dalle radici profonde ha sostituito erbe e fiori di campo, che assorbono rapidamente azoto e altri elementi dall'acqua all'interno dello scioglimento della neve. Non è ancora chiaro se questi nuovi impianti possano assumere rapidamente i ruoli dei loro predecessori e impedire ai nitrati o ad altri elementi di entrare nel fiume e viaggiare a valle.

In poco meno di due anni da quando il nostro team ha iniziato a studiare lì, abbiamo assistito a un precedente scioglimento della neve accompagnato dal manto nevoso diminuito che è diventato così familiare in intere regioni dell'ovest montuoso. Volevamo quantificare l'influenza dei cambiamenti nei tempi di scioglimento della neve e nella profondità del manto nevoso sui flussi di azoto e sulla fenologia delle piante nel nostro sito di studio.

Usiamo il telerilevamento e pozzi che penetrano in profondità nella roccia per monitorare continuamente la vegetazione, temperature stagionali del suolo, disponibilità di acqua, e chimica in tutto il suolo e nel sottosuolo del sito dell'East River. Le nostre osservazioni e simulazioni al computer mostrano che un picco di nitrati più precoce e più ampio si verifica con lo scioglimento della neve precoce rispetto a uno scenario normale di scioglimento della neve. Abbiamo anche scoperto che le differenze nelle profondità del manto nevoso modificano il tampone di nutrienti sotto la neve e la concentrazione di ammoniaca. In entrambi gli scenari di scioglimento precoce delle nevi e diminuzione del manto nevoso, gli arbusti hanno sostituito erbe e fiori selvatici come vegetazione dominante.

Anche se molto più studio deve essere fatto, questo è un eccellente esempio della complessità della natura.

D:Queste osservazioni indicano problemi per l'acqua che finisce come acqua di irrigazione per le colture o come acqua potabile per i residenti a valle?

R. I bacini idrografici delle sorgenti come l'East River rappresentano una sezione del fiume che non è stata influenzata dai cambiamenti nell'uso del suolo come l'agricoltura. Ciò che preoccupa non sono le concentrazioni che vediamo in questi siti di ricerca incontaminati, ma cosa significa per l'acqua mentre si sposta a valle. I picchi di nitrati dopo un lungo, la siccità prolungata sono particolarmente preoccupanti perché i rischi dell'eccesso di nitrati per la salute umana sono ben noti e meritevoli della nostra attenzione. Le precipitazioni intense come quelle che abbiamo sperimentato portano alla lisciviazione di nitrati in eccesso nel fiume, che potrebbero mettere a rischio gli approvvigionamenti idrici a valle.

Senza indagare su molti altri siti nel corso di più anni, è troppo presto per dire in che modo l'aumento della concentrazione di nitrati nei bacini idrografici potrebbe influire sul deflusso mentre si sposta a valle. Ma è ragionevole credere che potrebbe. Prendi le regioni agricole, Per esempio. Storicamente abbiamo aggiunto azoto ai terreni agricoli come fertilizzante. Di conseguenza, c'è stato un accumulo di nitrati nelle acque sotterranee e emissioni di protossido di azoto nell'aria nelle principali regioni agricole. Così, mentre i nitrati in eccesso nell'acqua vicino al nostro sito di ricerca remoto potrebbero non rappresentare una minaccia significativa per la salute umana, non possiamo essere sicuri che lo stesso sia vero a valle nelle acque all'interno e intorno a terreni che sono utilizzati intensivamente.

D. Abbiamo iniziato discutendo della siccità e del caldo record in Colorado e negli Stati Uniti occidentali. Se le temperature estive e la mancanza di precipitazioni sono indicative, sembra improbabile che ci si possa aspettare che l'autunno e l'inverno siano più in linea con la norma storica. Sono questi modelli irregolari di preoccupazione?

R. Il tempismo dello scioglimento delle nevi è fondamentale per la crescita delle piante e la durata della stagione di crescita, impostando il punto di partenza per quando le piante emergono dalla loro dormienza invernale e iniziano a crescere. Anche il momento esatto dello scioglimento della neve è fondamentale per il nostro lavoro in quanto rappresenta uno dei periodi più importanti e dinamici dell'anno, un periodo in cui c'è molto da studiare e da capire.

I modellisti geochimici come me traggono vantaggio dall'avere accesso a dati di qualità sui modelli di neve, temperatura, umidità, e altri fattori che possono causare cambiamenti all'interno dei bacini idrografici montuosi. Per decenni, gli idrologi potrebbero cronometrare le loro osservazioni sul campo in base ai tempi relativamente prevedibili dello scioglimento della neve e alla profondità del manto nevoso in base a modelli storici. La consistenza relativa delle precipitazioni e della temperatura ci consente anche di prevedere la risposta futura dello spartiacque a questi fattori sulla base delle tendenze precedenti, oltre alle attuali osservazioni.

Le enormi fluttuazioni nell'accumulo e nello scioglimento della neve ci hanno richiesto di sviluppare una rete di sensori che misurano autonomamente la temperatura del suolo e l'acqua del suolo e acquisiscono continuamente video della superficie della neve. In questo modo possiamo "osservare" l'inizio dello scioglimento della neve attraverso i cambiamenti dell'acqua e della temperatura e prevedere il probabile intervallo di date delle condizioni senza neve una o due settimane in anticipo. Quindi mobilitiamo le nostre squadre e le nostre attrezzature e usciamo!

Con i cambiamenti nelle comunità vegetali dovuti allo scioglimento precoce delle nevi, non sappiamo ancora quanto bene queste nuove comunità vegetali lavoreranno insieme per assorbire azoto e altri nutrienti. Poiché queste nuove comunità vegetali potrebbero impiegare anni per stabilirsi, dobbiamo usare modelli informatici per prevedere cosa potrebbe accadere. Con lo spostamento dei tempi di scioglimento delle nevi rispetto alle tendenze storiche - e in flusso anche di anno in anno, diventa ancora più difficile prevedere cosa significheranno i cambiamenti di temperatura e modelli di precipitazioni per l'approvvigionamento idrico in due anni, molto meno 10 o 50 anni.

La nostra migliore speranza è costruire i migliori modelli di computer possibili che possano esplorare numericamente tutti questi fattori (tempo di scioglimento della neve, siccità, monsoni, specie vegetali, ecc.) combinati, e testare quei modelli con i dati dal campo. In questo modo speriamo di prevedere la quantità e la qualità future della nostra acqua mentre scorre a valle e ha un impatto su utenti ed ecosistemi molto lontani dalla sua origine nell'Upper Colorado River.