La "mega siccità" che ha colpito il sistema del fiume Colorado quest'anno è stata devastante per i 40 milioni di persone che vi si affidano per l'acqua. Ma questa siccità poteva essere prevista? Riusciremo a prevedere il prossimo?

I bacini idrografici di montagna forniscono dal 60 al 90% delle risorse idriche in tutto il mondo, ma c'è ancora molto che gli scienziati non sanno sui processi fisici e sulle interazioni che influenzano l'idrologia in questi ecosistemi. E quindi, i migliori modelli informatici del sistema Terra faticano a prevedere i tempi e la disponibilità delle risorse idriche provenienti dalle montagne.

Ora un team di scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) mira a colmare questa lacuna, con un'ambiziosa campagna per raccogliere una vasta gamma di misurazioni che consentiranno agli scienziati di comprendere meglio il futuro dell'acqua in Occidente. Il 1° settembre partirà la campagna Surface Atmosphere Integrated Field Laboratory (SAIL) quando gli scienziati azionano l'interruttore su una sfilza di macchinari che sono stati ammassati nell'Upper Colorado River Basin.

Nel corso di due cadute, due inverni, due sorgenti, e un'estate, più di tre dozzine di strumenti scientifici, tra cui una varietà di radar, lidar, macchine fotografiche, palloncini, e altre attrezzature all'avanguardia, raccoglieranno un tesoro di dati sulle precipitazioni, vento, nuvole, aerosol, energia solare e termica, temperatura, umidità, ozono, e altro ancora. Questi dati possono quindi essere utilizzati per potenziare le capacità dei modelli del sistema terrestre e rispondere a molte domande scientifiche su come, perché, dove, e quando pioverà e nevicherà. In stretta collaborazione con ricercatori specializzati nella superficie e nel sottosuolo terrestre, la campagna SAIL aiuterà la comunità scientifica a capire come le montagne estraggono l'umidità dall'atmosfera e poi elaborano l'acqua fino al substrato roccioso sotto la superficie terrestre. In definitiva, questo fornirà gli strumenti agli scienziati per prevedere meglio la futura disponibilità di acqua.

"Il fiume Upper Colorado alimenta più di 1 trilione di dollari in attività economiche e fornisce un'immensa quantità di energia idroelettrica, ma è molto poco studiato rispetto a quanto sia importante, ", ha affermato lo scienziato del Berkeley Lab Daniel Feldman, l'investigatore capo SAIL. "Stiamo iniziando a vedere conseguenze davvero drammatiche dal cambiamento delle risorse idriche, ma i dettagli di ciò che sta realmente accadendo in questi luoghi da cui proviene l'acqua, quei dettagli contano, ed è su questo che SAIL si concentra."

Dall'Artico alle Montagne Rocciose

SAIL è una campagna di ricerca gestita dalla struttura utente della misurazione delle radiazioni atmosferiche (ARM) del DOE, un contributore chiave alla ricerca climatica con i suoi osservatori climatici fissi e mobili situati negli Stati Uniti e in tutto il mondo. Gran parte dell'attrezzatura utilizzata in SAIL è appena tornata da una spedizione artica di un anno.

"SAIL è una campagna tempestiva a causa della siccità in corso negli Stati Uniti occidentali, " ha detto Sally McFarlane, DOE Program Manager per la struttura utente ARM. "Il fiume Colorado è particolarmente preoccupante perché fornisce acqua a 40 milioni di persone. SAIL sta riunendo i dati di ARM e altri programmi di ricerca all'interno del DOE per aiutare in definitiva a fornire approfondimenti sui processi atmosferici e sulle interazioni terra-atmosfera che influiscono su pioggia e neve nello spartiacque del fiume Colorado superiore."

SAIL è veramente un ampio, Sforzo collaborativo. ARM è co-gestito da nove laboratori nazionali DOE; Los Alamos National Lab guida la gestione generale e le operazioni dell'osservatorio mobile ARM mentre gli scienziati di molti altri laboratori DOE, tra cui Argonne, Brookhaven, Nordovest del Pacifico, e laboratori nazionali di Oak Ridge, lavorare a stretto contatto con Los Alamos e Berkeley Lab per supportare la scienza e le operazioni SAIL. Un certo numero di ricercatori universitari della Colorado State University, UC Berkeley, UC Irvine, UC Davis, Università statale dell'Oregon, Università dell'Indiana, Università statale della Pennsylvania, Università dello Utah, Istituto di ricerca sul deserto, e la Boise State University sono anche coinvolte nella ricerca.

Gli strumenti sono per lo più alloggiati in grandi contenitori situati nella pittoresca cittadina di montagna di Gothic, Colorado, una vecchia città mineraria vicino a Crested Butte, Colorado. La struttura è ospitata dal Laboratorio Biologico delle Montagne Rocciose, che si dedica alla ricerca sugli ecosistemi d'alta quota. Uno staff di tre tecnici monitorerà gli strumenti 24 ore su 24.

"Questa è un'opportunità profonda e incredibilmente unica e rappresenta un esperimento unico nel suo genere nei sistemi montuosi di tutto il mondo, colmare i processi dall'atmosfera fino al substrato roccioso, ", ha detto lo scienziato del Berkeley Lab Ken Williams, il capo ricercatore in loco per SAIL.

SAIL science:modelli migliori per rispondere a domande difficili

Avere questo volume di dati su un'ampia gamma di scale spaziali e temporali consentirà agli scienziati di iniziare a comprendere i processi fisici che possono influenzare l'idrologia montana e rispondere a domande come come la polvere, incendio selvaggio, siccità calda, mortalità degli alberi, e altri fenomeni potrebbero influenzare lo spartiacque. In definitiva, i dati verranno inseriti nei modelli del sistema terrestre in modo che possano "ottenere il giusto equilibrio idrico".

"I nostri modelli che prevedono quale sarà l'acqua futura:la loro risoluzione è ora di circa 100 chilometri [62 miglia], ma c'è un sacco di attività che accade in 100 chilometri, molta variabilità del terreno, molte differenze nelle precipitazioni, e processi superficiali e sotterranei, " Feldman ha detto. "Quindi in realtà la domanda è, quali sono tutti i dettagli che devono entrare in quei grandi modelli, in modo che possiamo fargli ottenere il giusto equilibrio idrico? Ed è per questo che è davvero entusiasmante:misureremo gli input e gli output a un livello fondamentale per sviluppare un set di dati di riferimento per la comunità scientifica per valutare e migliorare i loro modelli".

Il programma Atmospheric System Research (ASR) del DOE lavora a stretto contatto con ARM per migliorare la comprensione dei processi chiave che influenzano l'equilibrio radiativo della Terra e il ciclo idrologico.

"I progetti di ricerca ASR durante la campagna SAIL ci aiuteranno a conoscere meglio il cloud, aerosol, precipitazione, e processi di radiazione che influenzano il ciclo dell'acqua nello spartiacque del fiume Colorado superiore, "ha detto Jeff Stehr, un DOE Program Manager per ASR. "In definitiva, questo lavoro ci aiuterà a migliorare i modelli climatici in modo che possano essere utilizzati per comprendere meglio, prevedere, e pianificare le minacce alle risorse idriche nell'arido Occidente e nel mondo".

SAIL fa leva sui notevoli sforzi che Berkeley Lab ha già intrapreso in questo settore:dal 2014 conduce studi sul campo presso lo spartiacque dell'East River del Colorado Upper Gunnison Basin. nell'ambito del progetto Scientific Focus Area della funzione Watershed finanziato dal DOE. SAIL si baserà su questo sforzo di ricerca, riunendo una vasta gamma di discipline scientifiche per creare il primo laboratorio da campo integrato al mondo tra roccia e atmosfera.

"Per avere idrologi che lavorano con scienziati del processo di precipitazione, ricercatori di aerosol che lavorano con ricercatori del processo della neve, questa è una parte davvero importante qui, ed è unico ed emozionante, " ha detto Feldman.

Alcune delle domande pratiche a cui la campagna SAIL potrebbe aiutare a rispondere includono:

• Come pianifichiamo un futuro di neve bassa o di nevicate che si trasformino in precipitazioni? "La nostra pianificazione per il fiume Colorado si basa in gran parte su modelli meteorologici storici che potrebbero cambiare, dalla neve alla pioggia, " ha detto Feldman.
• In che modo le attività e i disturbi nella foresta influenzano la qualità e la disponibilità dell'acqua? "Non si tratta solo del volume totale di acqua che esce da questi sistemi, "Ha detto Williams. "Vedremo anche come le attività sulla terra, come gli incendi boschivi e la gestione delle foreste, influenzano le concentrazioni dei costituenti nell'acqua e la qualità complessiva dell'acqua".
• Le dighe traboccheranno? Il Bureau of Reclamation degli Stati Uniti, l'agenzia federale incaricata di gestire le dighe negli Stati Uniti occidentali, utilizzerà i nuovi dati provenienti dal sistema radar per aiutare con le operazioni controllate di dighe e serbatoi. Feldman ha osservato:"Ci sono state alcune situazioni piuttosto spaventose che si sono verificate quando la pioggia cade sulla neve. Il disastro della diga di Oroville [in California nel 2017] è solo uno dei tanti esempi".

Inoltre, uno dei radar meteorologici sarà situato in un'area sciistica di proprietà di Vail Resorts, una delle principali stazioni sciistiche del Colorado, che potrebbe avvantaggiare gli appassionati di attività all'aperto e gli scienziati. E la ricerca sarà utile anche a organizzazioni come le società di servizi idrici e il Bureau of Reclamation che stanno sperimentando tecnologie di modifica del clima, come il cloud seeding.

Altre agenzie federali si uniscono al carrozzone

Tutti i dati raccolti da SAIL saranno a disposizione dei ricercatori gratuitamente. Cosa c'è di più, uno stuolo di ricercatori di altre agenzie federali sta intraprendendo campagne sul campo nell'area con sforzi di ricerca complementari.

L'Amministrazione nazionale oceanica e atmosferica (NOAA), un'agenzia del Dipartimento del Commercio, ha lanciato un progetto chiamato SPLASH, o lo studio delle precipitazioni, l'atmosfera e la superficie inferiori per l'idrometeorologia, per migliorare le previsioni del tempo e dell'acqua nelle montagne del Colorado e oltre. Effettuerà inoltre dettagliate co-osservazioni atmosferiche nell'area di studio SAIL.

Il Servizio Geologico degli Stati Uniti (USGS), un'agenzia del Dipartimento dell'Interno, ha sviluppato un sistema di osservazione dell'acqua di nuova generazione dell'Upper Colorado (NGWOS) per fornire dati in tempo reale sulla quantità e la qualità dell'acqua in modi più convenienti e rapidi di quanto fosse possibile in precedenza, e in più località.

"È abbastanza raro per una singola domanda di ricerca, il futuro dell'acqua in Occidente, integrare le attività di ricerca degli investigatori in più agenzie federali, " ha osservato Williams.

Ma la portata della sfida, e la prospettiva di un futuro senza neve, richiede niente di meno che una risposta completa da parte degli scienziati. "Dobbiamo capire la gamma di rischi che stiamo affrontando andando avanti, " Feldman ha detto. "Il termine 'futuro non analogico' è molto importante per noi".