Trascorri del tempo in una delle grandi foreste del mondo e inizierai a vedere gli alberi come immensi pilastri che tengono alto il cielo mentre sono saldamente ancorati alla terra. È tanto un fatto quanto un sentimento. Gli alberi collegano davvero la terra al cielo scambiando energia e materia tra il suolo e l'atmosfera. I ricercatori ritengono che la comprensione di questa connessione potrebbe fornire sia una vasta gamma di informazioni scientifiche sugli ecosistemi sia applicazioni pratiche che affrontano sfide come la conservazione e la gestione delle risorse idriche.

Un recente studio condotto da Marc Mayes dell'UC Santa Barbara indaga su come i modelli nella perdita di acqua degli alberi nell'atmosfera, tracciato con immagini satellitari, riguarda gli approvvigionamenti di acque sotterranee. I risultati convalidano su scala paesaggistica le idee che gli scienziati hanno proposto sulla base di decenni di ricerche nei laboratori e nelle serre. Cosa c'è di più, le tecniche si prestano ad un accurato, modo efficiente di monitorare le risorse idriche sotterranee su vaste aree. I risultati appaiono sulla rivista Processi idrologici .

Per tutta la loro diversità, la maggior parte delle piante ha un piano di gioco molto semplice. Utilizzando l'energia della luce solare, combinano l'acqua del suolo con l'anidride carbonica dell'aria per produrre zuccheri e ossigeno. Durante la fotosintesi, le piante aprono piccoli pori nelle foglie per assorbire CO ₂ , che permette anche all'acqua di fuoriuscire. Questo processo di perdita di acqua è chiamato evapotraspirazione, abbreviazione di evaporazione del suolo e traspirazione delle piante, ed è essenzialmente un costo di transazione per il trasporto degli ingredienti per la fotosintesi alle foglie dove avviene il processo.

Proprio come l'evaporazione del sudore raffredda i nostri corpi, l'evapotraspirazione degli alberi raffredda il bosco. Con la giusta comprensione e tecnologia, gli scienziati possono utilizzare i dati delle immagini termiche dei satelliti e degli aerei con e senza equipaggio per comprendere la relazione tra piante e acque sotterranee:le temperature più fredde sono correlate a una maggiore evapotraspirazione.

"L'ipotesi centrale di questo documento è che è possibile utilizzare le relazioni tra l'uso dell'acqua delle piante [come] misurato dai dati di immagine [satellite], e dati climatici, compresa la temperatura dell'aria e le precipitazioni, valutare la disponibilità di e cambiamenti in, risorse idriche sotterranee, " disse Mayes, uno scienziato della Terra ed esperto di telerilevamento con sede presso l'Earth Research Institute (ERI) dell'università.

Mayes e i suoi colleghi si sono concentrati sulla flora dei fiumi delle terre aride, quelli nei deserti e nei climi mediterranei. In tutte queste regioni, molte piante hanno evoluto adattamenti che riducono al minimo la perdita d'acqua, come una crescita lenta, ritenzione idrica o cicli di vita boom-bust. Però, piante che dominano i canali fluviali, specie come il sicomoro, pioppi neri americani e salici:si sono evoluti per sfruttare l'eccesso di acque sotterranee che l'habitat offre rispetto al paesaggio circostante.

"Piuttosto che rallentare l'uso dell'acqua quando l'acqua scarseggia, questa vegetazione fondamentalmente si berrà fino alla morte, " Ha detto Mayes. Questo lo rende una buona finestra sulle condizioni sotto la superficie.

Il team ha utilizzato la termografia satellitare per osservare le temperature lungo il corridoio del fiume San Pedro nel sud dell'Arizona. Nei giorni senza nuvole i satelliti possono raccogliere dati sulle temperature superficiali ad alta risoluzione su vaste aree di terra. Confrontando le temperature lungo il fiume con quelle nelle vicinanze, aree più scarsamente vegetate, i ricercatori sono stati in grado di determinare l'entità dell'evapotraspirazione lungo diverse parti del fiume in momenti diversi. Hanno scoperto che era correlato con la temperatura dell'aria in ambienti ricchi di acqua e con le precipitazioni in ambienti con scarsità d'acqua.

I risultati supportano i recenti progressi nella nostra comprensione dell'uso dell'acqua delle piante. Più l'aria è calda e secca, più forte estrae l'acqua dalle foglie, e più acqua usa la pianta. Di conseguenza, Mayes e i suoi colleghi si aspettavano di vedere l'evapotraspirazione variare con la temperatura dell'aria fintanto che il flusso ha abbondanti acque sotterranee a cui le piante possono attingere.

D'altra parte, dove le acque sotterranee sono scarse, le piante chiuderanno le aperture sulle foglie per evitare perdite d'acqua; è più importante evitare di seccarsi che approfittare del sole extra in una giornata calda. Di conseguenza, l'evapotraspirazione sarà correlata molto più fortemente con le precipitazioni e il flusso dei corsi d'acqua, che aumenta la fornitura di acqua agli alberi attraverso le loro radici.

Gli scienziati avevano dimostrato l'effetto prevedibile dell'evapotraspirazione nell'abbassare le temperature superficiali in esperimenti di laboratorio e su piccoli campi. Però, questo è il primo studio a dimostrare il suo impatto su vaste aree. La tecnologia che lo ha reso possibile è maturata solo negli ultimi cinque anni.

"Questo metodo di telerilevamento è molto promettente per identificare i controlli climatici rilevanti rispetto ad altri controlli sulla crescita e la salute degli alberi, anche all'interno di strette fasce di vegetazione lungo i fiumi, " ha detto il coautore Michael Singer, ricercatore presso ERI e ricercatore capo del progetto che ha finanziato il lavoro di Mayes.

Infatti, questi ecosistemi sono di vitale importanza per il sud-ovest degli Stati Uniti "Nonostante occupino circa il 2% del paesaggio, oltre il 90% della biodiversità nel sud-ovest dipende da questi ecosistemi, " ha detto la coautrice Pamela Nagler, uno scienziato ricercatore presso il Southwest Biological Science Center dell'U.S. Geological Survey.

Le stesse tecniche utilizzate nel documento potrebbero essere applicate alla sfida perenne del monitoraggio delle acque sotterranee. Infatti, questa idea ha aiutato in primo luogo a motivare lo studio. "È molto difficile monitorare la disponibilità delle acque sotterranee e i cambiamenti nelle risorse delle acque sotterranee alle scale realmente locali che contano, " ha detto Mayes. "Stiamo parlando di campi coltivati ​​o corridoi fluviali a valle di nuovi sviluppi abitativi".

I pozzi di monitoraggio sono efficaci, ma fornire informazioni solo per un punto sulla mappa. Cosa c'è di più, sono costosi da perforare e mantenere. Le torri di flusso possono misurare lo scambio di gas tra la superficie e l'atmosfera, compreso il vapore acqueo. Ma hanno svantaggi simili ai pozzi in termini di costi e dimensioni. Gli scienziati e le parti interessate vogliono affidabili, metodi economici per monitorare le falde acquifere che forniscono un'ampia copertura allo stesso tempo ad alta risoluzione. È un compito arduo.

Anche se potrebbe non essere altrettanto preciso, l'imaging termico remoto da aerei e satelliti può spuntare tutte queste caselle. Offre un'ampia copertura e un'alta risoluzione utilizzando l'infrastruttura esistente. E sebbene funzioni solo lungo i corridoi dei torrenti, "una quantità eccessiva di terreni agricoli e insediamenti umani in luoghi aridi finisce per essere dove c'è l'acqua, lungo i sentieri dei torrenti, " disse Mayes.

L'idea è di cercare cambiamenti nel tempo nelle relazioni tra l'evapotraspirazione e le variabili climatiche. Questi cambiamenti segnaleranno un passaggio tra condizioni ricche d'acqua e povere d'acqua. "Rilevare quel segnale su vaste aree potrebbe essere un prezioso segnale di avvertimento precoce dell'esaurimento delle risorse idriche sotterranee, " Mayes ha detto. La tecnica potrebbe informare il monitoraggio e il processo decisionale pragmatico sull'uso delle acque sotterranee.

Questo studio fa parte di un più ampio progetto del Dipartimento della Difesa (DOD) volto a comprendere quanto siano vulnerabili gli habitat fluviali alla siccità su basi DOD nelle regioni aride degli Stati Uniti "Stiamo usando più metodi per capire quando e perché queste piante diventano stressate a causa di mancanza d'acqua, " ha detto il cantante, scienziato capo del progetto. "[Speriamo] che questa nuova conoscenza possa supportare la gestione di questi biomi ecologici sensibili, in particolare su basi militari nelle regioni delle terre aride, dove questi habitat incontaminati ospitano numerose specie minacciate e in via di estinzione".

Mayes ha aggiunto, "Ciò che sta venendo giù dal tubo è un intero insieme di lavoro che esamina le risposte dell'ecosistema alla scarsità d'acqua e allo stress idrico nello spazio e nel tempo che informa i modi in cui comprendiamo la risposta dell'ecosistema e anche miglioriamo il monitoraggio".