In un periodo di 36 ore ad agosto, L'uragano Henri ha prodotto precipitazioni record a New York City, dove un vecchio sistema fognario non è stato costruito per gestire il diluvio, con conseguente allagamento delle strade. Nel frattempo, una siccità in corso in California ha continuato a sovraccaricare le falde acquifere e ad estendere le restrizioni idriche a tutto lo stato. Poiché il cambiamento climatico amplifica la frequenza e l'intensità degli eventi estremi negli Stati Uniti e nel mondo, e le popolazioni e le economie che minacciano crescono e cambiano, c'è un bisogno critico di rendere l'infrastruttura più resiliente. Ma come può essere fatto in modo tempestivo, modo conveniente?

Una disciplina emergente chiamata dinamica multisettoriale (MSD) offre una soluzione promettente. L'MSD si concentra su rischi composti e potenziali punti di non ritorno tra i sistemi naturali e umani interconnessi. I punti di svolta si verificano quando questi sistemi non possono più sostenere più, stress co-evoluzione, come eventi estremi, crescita demografica, degrado del suolo, carenza di acqua potabile, inquinamento dell'aria, infrastrutture obsolete, e accresciute esigenze umane. I ricercatori MSD utilizzano osservazioni e modelli informatici per identificare i principali indicatori precursori di tali punti critici, fornendo ai decisori informazioni critiche che possono essere applicate per mitigare i rischi e aumentare la resilienza delle infrastrutture e delle risorse gestite.

Al MIT, il programma congiunto sulla scienza e la politica del cambiamento globale dal 2018 ha sviluppato competenze e strumenti di modellazione MSD e li ha utilizzati per esplorare rischi composti e potenziali punti di non ritorno in regioni selezionate degli Stati Uniti. In un webinar di due ore il 15 settembre, I ricercatori del MIT Joint Program hanno presentato una panoramica del set di strumenti di ricerca MSD del programma e delle sue applicazioni.

MSD e la piattaforma di valutazione del rischio

"La dinamica multisettoriale esplora le interazioni e le interdipendenze tra i sistemi umani e naturali, e come questi sistemi possono adattarsi, interagire, e co-evolvono in risposta a shock a breve termine e influenze e stress a lungo termine, " afferma il vicedirettore del programma congiunto del MIT C. Adam Schlosser, osservando che tale analisi può rivelare e quantificare potenziali rischi che probabilmente eluderebbero il rilevamento nelle indagini isolate. "Questi sistemi possono subire effetti a cascata o guasti dopo aver attraversato i punti critici. La vera domanda non è solo dove si trovano questi punti critici in ciascun sistema, ma come si manifestano e interagiscono in tutti i sistemi."

Per rispondere a questa domanda, i ricercatori MSD del programma hanno sviluppato la piattaforma MIT Socio-Environmental Triage (MST), ora disponibile pubblicamente per la prima volta. Incentrato sugli Stati Uniti continentali, la prima versione della piattaforma analizza i rischi attuali legati all'acqua, terra, clima, l'economia, energia, demografia, Salute, e infrastrutture, e dove questi composti per creare punti caldi di rischio. È essenzialmente uno strumento di visualizzazione a livello di screening che consente agli utenti di esaminare i rischi, identificare i punti caldi quando si combinano i rischi, e prendere decisioni su come implementare analisi più approfondite per risolvere problemi complessi a livello regionale e locale. Per esempio, MST può identificare i punti caldi per i rischi combinati di inondazioni e povertà nel bacino del fiume Mississippi inferiore, e quindi avvisare i decisori su dove sono necessarie risorse più concentrate per il controllo delle inondazioni.

Le versioni successive della piattaforma incorporeranno proiezioni basate sul framework IGSM (Integrated Global System Modeling) del Programma congiunto del MIT su come diversi sistemi e fattori di stress possono co-evolvere in futuro e quindi cambiare il panorama del rischio. Questa capacità potenziata potrebbe aiutare a scoprire percorsi convenienti per mitigare e adattarsi a un'ampia gamma di rischi ambientali ed economici.

Applicazioni MSD

Cinque presentazioni webinar hanno esplorato il modo in cui i ricercatori del programma congiunto del MIT stanno applicando la piattaforma di valutazione del rischio del programma e altri strumenti di modellazione MSD per identificare potenziali punti critici e rischi in cinque domini chiave:qualità dell'acqua, uso del suolo, economia ed energia, Salute, e infrastrutture.

La ricercatrice principale del programma congiunto Xiang Gao ha descritto i suoi sforzi per applicare un modello di qualità dell'acqua degli Stati Uniti ad alta risoluzione per calcolare un luogo specifico, indice di qualità dell'acqua superiore a 2, 000 bacini fluviali nel paese. Tenendo conto delle interazioni tra il clima, agricoltura, e sistemi socioeconomici, si possono ottenere varie misure di qualità dell'acqua che vanno dai livelli di nitrati e fosfati alle concentrazioni di fitoplancton. Questo approccio di modellazione fa avanzare una capacità unica di identificare potenziali punti critici a rischio per la qualità dell'acqua per le risorse di acqua dolce.

Il ricercatore del programma congiunto Angelo Gurgel ha discusso la sua analisi basata su MSD su come il cambiamento climatico, crescita demografica, cambiare dieta, i miglioramenti della resa delle colture e altre forze che guidano il cambiamento dell'uso del suolo a livello globale possono in definitiva avere un impatto sul modo in cui la terra viene utilizzata negli Stati Uniti. Basandosi sui dati osservativi nazionali e sul quadro IGSM, l'analisi mostra che mentre si prevede che le attuali tendenze nell'uso del suolo negli Stati Uniti persisteranno o si intensificheranno da qui al 2050, non ci sono prove di punti di non ritorno che si sono verificati durante questo periodo.

Jennifer Morris, ricercatrice del programma congiunto del MIT, ha presentato diversi esempi di come la piattaforma di valutazione del rischio può essere utilizzata per combinare i set di dati statunitensi esistenti e il quadro IGSM per valutare i rischi energetici ed economici a livello regionale. Per esempio, aggregando flussi di dati separati sull'occupazione e la povertà dei combustibili fossili, si possono prendere di mira contee selezionate per programmi di formazione professionale sull'energia pulita mentre la nazione si muove verso un futuro a basse emissioni di carbonio.

"I nostri quadri di modellizzazione e di valutazione del rischio possono fornire immagini di scenari economici ed energetici futuri attuali e previsti, " dice Morris. "Possono anche evidenziare le interazioni tra diversi umani, costruito, e sistemi naturali, compresi i rischi di capitalizzazione che si verificano nello stesso luogo."

Sebastian Eastham, affiliato di ricerca del programma congiunto del MIT, un ricercatore presso il MIT Laboratory for Aviation and the Environment, ha descritto un approccio MSD allo studio dell'inquinamento atmosferico e della salute pubblica. Collegando l'IGSM con un modello di chimica atmosferica, Eastham in definitiva mira a capire meglio dove si trovano i maggiori rischi per la salute negli Stati Uniti e come possono aggravarsi nel corso di questo secolo in diversi scenari politici. Utilizzando lo strumento di valutazione del rischio per combinare le attuali metriche di rischio per la qualità dell'aria e la povertà in una contea selezionata in base alla popolazione attuale e ai dati sulla qualità dell'aria, ha mostrato come è possibile identificare rapidamente i punti caldi del rischio di malattie cardiovascolari e di altro tipo indotto dall'inquinamento atmosferico.

Finalmente, Alyssa McCluskey, affiliata di ricerca del programma congiunto del MIT, un docente presso l'Università del Colorado a Boulder, ha mostrato come lo strumento di valutazione del rischio può essere utilizzato per individuare potenziali rischi per le strade, corsi d'acqua, e linee di distribuzione elettrica da allagamenti, temperature estreme, crescita demografica, e altri fattori di stress. Inoltre, McCluskey ha descritto come lo sviluppo e l'espansione delle infrastrutture di trasporto ed energia possono minacciare gli habitat critici della fauna selvatica.

Abilitazione globale, analisi specifiche per località dei rischi e dei punti caldi all'interno e tra più domini, gli strumenti di modellazione MSD del Programma congiunto possono essere utilizzati per informare l'elaborazione delle politiche e gli investimenti dal livello municipale a quello globale.

"MSD accetta la sfida di collegare umani, naturale, e sistemi infrastrutturali al fine di informare l'analisi dei rischi e il processo decisionale, " afferma Schlosser. "Attraverso la nostra piattaforma di valutazione del rischio e altri modelli MSD, abbiamo in programma di valutare interazioni importanti e punti di non ritorno, e fornire lungimiranza che supporti l'azione verso una sostenibilità, resiliente, e prospero mondo".