La geologia lungo il fiume Coca in Ecuador sta avanzando rapidamente. In un campo scientifico in cui le meraviglie naturali si formano nel corso dei millenni, ma i disastri naturali si verificano in pochi minuti, la velocità è tutt'altro che auspicabile.
Negli ultimi quattro anni, il fiume e l'area circostante all'interno del bacino amazzonico hanno subito il crollo di una diga di lava, 500 milioni di tonnellate di sedimenti spostati lungo il fiume, smottamenti e la formazione di quello che alcuni hanno soprannominato il "Grand Canyon ecuadoriano". /P>
Sulla scia di questi eventi, ponti e condutture sono crollati, il crollo degli argini dei fiumi ha minacciato case e attività commerciali e gli ingegneri ecuadoriani temevano che il rapido abbassamento delle sorgenti del fiume potesse distruggere una centrale idroelettrica che fornisce elettricità a un terzo del paese. /P>
Questi impatti e minacce hanno riunito un gruppo internazionale di esperti, tra cui Matt Larson e Brandon Stockwell del gruppo Autonomous Systems presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia. Larson e Stockwell hanno utilizzato i droni per mappare una sezione del fiume Coca precedentemente non studiata.
Le immagini visive, termiche e multispettrali ad alta risoluzione del team verranno utilizzate per aggiornare le mappe nazionali dell'Ecuador e creare modelli ingegneristici migliori per mitigare l'erosione.
Per comprendere meglio la gravità della loro missione, riavvolgiamo il nastro. Il 2 febbraio 2020 la cascata San Rafael è scomparsa. Giornalisti e geologi hanno usato varie parole per descrivere cosa è successo alla cascata più grande dell'Ecuador quattro anni fa. Che la meraviglia naturale sia "fallita", "crollata" o "abbandonata", il singolare fenomeno sul fiume Coca quel giorno ha dato inizio a una cascata di eventi geografici che continuano a incidere sul paesaggio, sulle infrastrutture e sulla sicurezza del paese.
Pedro Barrera Crespo, ingegnere idraulico e consulente della Corporación Eléctrica del Ecuador, o CELEC, la principale azienda elettrica del paese, non ha avuto problemi a trovare una parola per definirlo:"allarmante".
Cosa è successo realmente? La cascata San Rafael si è formata migliaia di anni fa quando i detriti vulcanoclastici del vicino vulcano Reventador formarono una diga di lava naturale nel fiume Coca. Un tempo era la cascata più alta dell'Ecuador, precipitando da un'altezza di circa 150 metri, o 490 piedi, in mezzo a una fitta foresta pluviale tropicale. Il fiume scorreva sopra la diga di lava, attraverso la cascata in un bacino da dove proseguiva per altre 400 miglia prima di incontrare il Rio delle Amazzoni.
Appena a monte della diga lavica si è formata una dolina nel letto del fiume. Il 2 febbraio 2020, il tetto della dolina è crollato, facendo cadere il flusso del fiume sotto la diga di lava anziché sopra di essa. Il fiume ha continuato a scorrere, ma una delle maggiori attrazioni turistiche dell'Ecuador è andata perduta per sempre.
Le perdite avrebbero continuato ad aumentare nei mesi successivi man mano che si svolgevano gli effetti di questo evento unico. È più semplice esplorare le conseguenze del crollo della cascata in due sezioni, a monte e a valle, della diga di lava.
Il crollo della dolina ha lasciato dietro di sé un brusco cambiamento nella pendenza del letto del fiume, noto come headcut, appena a monte della diga di lava. Il materiale del letto del fiume appena esposto in corrispondenza di un taglio è instabile, provocando l'erosione della roccia e del suolo nella direzione opposta del flusso dell'acqua. Nei primi 18 mesi successivi all'evento della cascata, il taglio del fiume Coca regredì di 12 chilometri, poco più di 7,4 miglia, a monte mentre l'acqua spazzava via la terra sottostante.
Se l'erosione fosse continuata a questo ritmo, la più grande centrale idroelettrica dell'Ecuador, situata a soli 19 chilometri a monte della cascata, probabilmente avrebbe perso il funzionamento.
L'impianto idroelettrico di Coca Codo Sinclair fornisce il 26% dell'elettricità del paese.
Pablo Espinoza Girón, che guida la sottocommissione CELEC sul fiume Coca, ha affermato che la CELEC ha inizialmente avviato uno studio dopo il crollo della dolina per comprendere le implicazioni del prossimo futuro per la centrale idroelettrica.
"È stato davvero un grande avvertimento per il CELEC dopo quello studio perché i risultati erano allarmanti", ha detto Girón. "Le potenziali implicazioni erano davvero disastrose per l'impianto."
Le implicazioni sono le seguenti:se il taglio del fiume dovesse erodere il suo percorso a monte della centrale idroelettrica, il fiume minerebbe la presa d'acqua della centrale. Senza acqua, l'impianto non può generare elettricità, con conseguenze enormi per la popolazione e il commercio dell'Ecuador.
"Sarebbe l'equivalente statunitense di un'interruzione di corrente che coinvolgerebbe tutta la costa orientale e alcuni stati adiacenti", ha affermato Larson dell'ORNL.
Fortunatamente, l’erosione del taglio è rallentata a causa di una combinazione di materiali più stabili del letto del fiume più vicini alla centrale idroelettrica e di condizioni insolitamente secche del bacino fluviale dal 2022. Tuttavia, l’erosione è preoccupante per l’approvvigionamento energetico del paese, nonché per il paesaggio e le infrastrutture circostanti. La minaccia di collasso rimane sempre presente mentre il fiume continua a scorrere.
Mentre l’erosione a monte e le frane continuano, le rocce, la sabbia, il suolo e altri detriti naturali del letto del fiume scorrono a valle. In totale, ci sono 500 milioni di tonnellate di sedimenti che si spostano lungo il fiume Coca. Questo sedimento pesante e in movimento costituisce una forza poiché scava il terreno nel fiume, provocando il collasso di oleodotti, ponti e parti di un'importante strada.
Adriel McConnell del Corpo degli Ingegneri dell'Esercito degli Stati Uniti, o USACE, ha tentato di mettere in prospettiva il carico di sedimenti del fiume Coca dopo il crollo della cascata del 2020.
"Il sedimento di cui stiamo parlando che si è spostato in questo tratto del Rio Coca che ora misura 12 chilometri, o circa 7,5 miglia, è 1,25 volte più sedimento di quello che si muove attraverso la foce del fiume Mississippi su base annuale", McConnell ha detto.
Per ulteriori informazioni, il fiume Mississippi è lungo oltre 300 volte il segmento del fiume Coca attraversato dall'onda di sedimenti.
Similmente ai dilemmi a monte, il maggiore impatto potenziale a valle del crollo della cascata coinvolge la centrale idroelettrica di Coca Coda. Durante il normale funzionamento, l'impianto convoglia l'acqua dalla presa a monte alla centrale idroelettrica, a 65 chilometri, o circa 40 miglia, a valle. Quindi scarica l'acqua usata nel fiume.
Mentre i fanghi d’acqua usati si fanno strada a valle, l’onda di sedimenti da 500 milioni di tonnellate potrebbe eventualmente bloccare la struttura di scarico della centrale elettrica, portando all’arresto della produzione di elettricità. Questa chiusura avrebbe un impatto equivalente alla perdita di elettricità dell'intera costa orientale degli Stati Uniti.
Chiamata rinforzi
Con una duplice situazione che minaccia un’importante fonte di servizi pubblici, oltre alle infrastrutture e alle risorse naturali, il governo ecuadoriano e l’ambasciatore degli Stati Uniti in Ecuador hanno chiesto aiuto. I rinforzi includevano il team USACE di McConnell nonché esperti di altre organizzazioni nazionali come la National Geospatial-Intelligence Agency, o NGA, per contribuire a mitigare gli effetti di questo fenomeno unico. Inoltre, l'U.S. Geological Survey ha iniziato a contribuire allo sviluppo di un piano di monitoraggio dei sedimenti per caratterizzare meglio i suoli nell'area, mentre il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti ha condotto test del getto del suolo per determinare l'erodibilità del suolo.
"La nostra missione è focalizzata su progetti per controllare questo profilo di erosione e stabilizzarlo prima che raggiunga la presa. Stiamo aiutando l'Ecuador a monitorare i sedimenti a valle mentre avanza per determinare, non tanto se, ma quando sarà necessario realizzare un progetto di massa per spostare la struttura di sbocco più a valle," ha detto McConnell.
L'Ambasciatore ha anche fatto una richiesta speciale affinché Larson e Stockwell dell'ORNL si uniscano allo sforzo. Insieme, hanno portato alla missione precedenti esperienze, competenze avanzate e competenze nella conduzione di operazioni a distanza. E i droni.
"In alcune zone ci sono più di 1.000 piedi di profondità fino al fiume", ha detto Larson. "Non puoi proprio andare a vedere cosa sta succedendo. L'unico modo per farlo davvero è utilizzare i droni."
Larson è un ricercatore del gruppo Autonomous Systems dell'ORNL con un background in geologia e tecnologia geospaziale. In effetti, Larson ha detto che mentre era alla scuola di specializzazione ha usato lo stesso modello di drone che hanno portato in Ecuador per mappare i sedimenti fluviali. In altre parole, era adatto per il lavoro.
"Questo era proprio nel mio vicolo", ha detto Larson. "Non avrei mai pensato di mappare nuovamente i sedimenti nella mia carriera di ricercatore, ma eccola qui."
La mappatura è solo una parte del lavoro:Larson ha anche contribuito a elaborare tutti i dati raccolti dai droni utilizzando le risorse informatiche ad alte prestazioni dell'ORNL. Tradotti e compilati, questi dati sono stati utilizzati dal CELEC per creare modelli per mitigare gli effetti del disastro naturale sul fiume Coca e sulle infrastrutture dell'Ecuador.
Il governo ecuadoriano, USACE e NGA avevano effettuato alcuni rilevamenti iniziali dopo il crollo della cascata di San Rafael, ma le capacità di ORNL sul campo e in laboratorio hanno portato capacità senza pari di mettersi al passo con Madre Natura.
"I dati sono sovrani", ha affermato McConnell di USACE. "La modellazione numerica e la modellazione computerizzata per prevedere queste tempistiche di erosione e sedimentazione è il luogo in cui Oak Ridge è diventato un attore molto importante per noi."
Sebbene Larson abbia portato nella missione il background scientifico e di elaborazione dei dati, non era abituato a operare in ambienti remoti. Entra Stockwell, uno specialista di sistemi autonomi presso l'ORNL e pilota del Corpo dei Marines degli Stati Uniti. A complemento di Larson, è esperto nell'uso dei droni e ha portato le sue competenze al team di Coca River nel novembre 2023.
"Per quanto riguarda le implementazioni e gli ambienti austeri, non è una novità per me", ha detto Stockwell. "Ho effettuato molti spostamenti, quindi è quasi una seconda natura partecipare a operazioni di spedizione."
Larson, Stockwell e il loro team hanno pianificato di mappare il tratto precedentemente non mappato del fiume Coca, che si estende per 100 chilometri o 62 miglia. Avevano il sostegno dell'USACE, incluso McConnell; Mike Shellenberger e Shawn Smith della NGA; e dal CELEC che ha superato le barriere linguistiche e fornito conoscenze regionali e storiche. Grazie all'esperienza di veterani del team nel Corpo dei Marines, nell'Esercito e nell'Aeronautica Militare, la loro pianificazione rispecchiava naturalmente le operazioni delle missioni militari.
Il team si è riunito per fare il punto e coordinare le proprie risorse "e dire:'Possiamo realizzare questo obiettivo con le risorse che abbiamo a portata di mano?'" Ha detto Shellenberger, appaltatore dell'NGA Warfighter Support Office ed ex soldato delle forze speciali dell'esercito che faceva parte del progetto. "Fa tutto parte della pianificazione di un'operazione militare, essenzialmente."
Sebbene il team disponesse delle persone giuste, il lavoro era adatto a loro:mappare 100 chilometri di un fiume in 15 giorni con due droni e zero mappe esistenti non è stata un’impresa da poco. La copertura nuvolosa costante sul fiume Coca è così fitta che non esistevano immagini satellitari utili. Anche la vegetazione inflessibile del bacino amazzonico ha reso apparentemente impossibile la creazione di mappe.
"Si trattava di una grande missione che Matt ha accettato per quanto riguarda la quantità di mappatura che avremmo fatto con i droni... in due settimane", ha detto Stockwell. "Le mappe che usavamo per pianificare le missioni erano semplicemente nuvole, oppure erano immagini così vecchie che era come indovinare dove fosse sicuro volare."
Queste condizioni hanno reso i droni cruciali per la missione:potevano volare sotto le nuvole e lanciarsi verticalmente, offrendo flessibilità al team in un paesaggio accidentato. Con un programma limitato nel tempo, il team ha tracciato i chilometri che intendeva percorrere ogni giorno, con una certa flessibilità per le condizioni.
"È sempre nuvoloso. Piove sempre. Le immagini satellitari non sono buone", ha detto Larson. "I droni sono l'unico modo per mappare quest'area."
Anche Shellenberger lo ha riconosciuto, sottolineando che, sebbene avessero l'attrezzatura giusta, Madre Natura porta i suoi programmi.
"È uno degli ambienti più limitati dal punto di vista geografico e meteorologico in cui sia mai stato", ha detto Shellenberger. "Abbiamo dovuto inserirlo nella nostra sequenza temporale." Shellenberger ha aggiunto che il team ha dovuto considerare anche "Murphy" nella propria pianificazione, un termine militare che richiama la legge di Murphy, secondo la quale tutto ciò che potrebbe andare storto andrà storto. E la squadra ha sicuramente incontrato Murphy durante la missione.
Sebbene il tempo imprevedibile fosse una variabile nota, fattori come le rocce magnetiche presentavano sfide inaspettate. "Devi dare a Murphy ciò che gli è dovuto", ha detto Shellenberger. "Puoi pianificare e pensare a tutto ciò che potrebbe andare storto e includere tutte queste contingenze nel tuo piano, ma c'è questa cosa su cui non hai alcun controllo e che può creare problemi a ciò che stai cercando di realizzare."
Rocce ricche di ferro e sedimenti provenienti dai vulcani della zona ricoprivano il terreno dove la squadra aveva bisogno di lanciare i propri droni. Inoltre, la qualità magnetica interferiva con le bussole dei droni, rendendo i lanci una sfida.
"Lo metteremmo a terra e riceveremmo un errore", ha detto Larson. "Abbiamo dovuto essere creativi su come lanciare i droni."
Larson e Stockwell hanno descritto il lancio di droni da casse di attrezzature impilate e persino dalle loro stesse mani. Murphy è emerso anche sotto forma di condizioni di volo inaspettate. Stockwell ha affermato che la combinazione di valle, acqua e montagne che li circondano crea velocità e direzioni variabili del vento. A volte il team aveva anche bisogno di far volare i droni da una prospettiva diversa dal solito:in genere, i piloti di droni guardano il dispositivo che stanno controllando. La squadra ha fatto questo mentre si trovava nel letto del fiume Coca.
Tuttavia, la squadra ha pilotato il drone anche dall’alto, mentre si trovava sul Clias, a 300 metri sopra il fiume. Questo angolo potrebbe influenzare sia le connessioni di navigazione che quelle di comunicazione.
Larson ha affermato che l'esercito ecuadoriano ha concesso loro l'autorizzazione a contrastare alcune norme di volo dei droni per completare la missione, come volare al di sotto dei 400 piedi e mantenere il drone in visibilità diretta.
"Siamo stati in grado di spingere davvero i limiti delle operazioni con i droni laggiù", ha detto Larson. "Questo ci ha dato la possibilità di volare a qualunque altitudine desiderassimo e oltre la linea di vista visiva."
"Se non fosse stato per [l'esercito ecuadoriano], non credo che avremmo effettivamente mappato i 100 chilometri."
La squadra ha fatto affidamento anche sull'aiuto dei civili ecuadoriani. A volte, gli unici posti dove lanciarsi erano campi o cortili di proprietà privata. In questi casi, i rappresentanti del CELEC hanno collaborato bussando alle porte e parlando con le persone della missione. La maggior parte della comunità non ha avuto problemi a lasciare che il team lanciasse droni sulla loro proprietà.
Larson ha detto che le persone non solo erano comprensive ma anche accoglienti. Sorrise mentre raccontava una storia particolare che metteva in risalto questa ospitalità. Un giorno trovarono il luogo di lancio perfetto nel campo di calcio di una scuola che si affacciava su 10-15 chilometri del fiume che dovevano mappare. Dopo aver parlato con diversi cittadini, Larson ha detto che la squadra ha trovato la casa del preside della scuola. Hanno bussato alla porta e hanno chiesto il permesso di accedere al cortile della scuola per lanciare droni.
Il preside ha obbligato. Ha mandato suo figlio in età elementare ad aprire il cancello della scuola. Saltò sul suo scooter e condusse il camion della squadra fino alla scuola, a poche centinaia di metri di distanza.
"È stato un momento importante e critico per noi perché se non avessimo avuto accesso a quella scuola, avremmo avuto difficoltà a trovare un buon posto per il lancio", ha detto Larson. "Il popolo ecuadoriano è così gentile e capisce cosa sta succedendo laggiù."
Le frane causate dall'erosione e dalla sedimentazione del fiume stavano distruggendo le strade del villaggio lungo il fiume. Molti utilizzavano i mezzi pubblici per recarsi a Quito, la capitale del paese, per lavoro. Altri facevano affidamento sulla strada principale per trasportare le merci dentro e fuori il villaggio. Larson ha detto che se un particolare ponte lungo la strada principale dovesse essere minato dalle frane, ci vorrebbero altre 10 ore per guidare dal villaggio alla capitale.
Il team ha completato la missione di mappare oltre 100 chilometri del fiume Coca in meno di 15 giorni. Larson tornò negli Stati Uniti e iniziò a elaborare i due terabyte di dati raccolti dai droni. Le capacità di elaborazione ad alte prestazioni dell'ORNL sono state cruciali per questa parte della missione.
"Non vorrai prendere un laptop e provare a elaborare 52 voli. Ci vorrà un'eternità", ha detto Larson. "L'utilizzo delle nostre risorse informatiche in laboratorio è stato davvero vantaggioso."
Prima che Larson e Stockwell visitassero l'Ecuador, i team CELEC raccoglievano dai 10 ai 20 chilometri di informazioni topografiche ogni due mesi circa utilizzando droni e tecnologie di base.
Il team dell'ORNL è riuscito a realizzare in due settimane ciò che in precedenza avrebbe potuto richiedere otto mesi o più. Larson ha contribuito a trasformare le mappe dei droni in modelli 2D e 3D con risoluzione centimetrica che ora vengono utilizzati per aggiornare le mappe nazionali dell'Ecuador e per creare modelli ingegneristici migliori per il CELEC e il Corpo degli Ingegneri dell'Esercito.
Questi modelli aiuteranno il CELEC e i suoi partner a superare i tassi di erosione e sedimentazione. "Li aiuterà davvero a comprendere i luoghi ad alto potenziale di frana", ha affermato Larson.
"Ma possono anche chiedersi 'ok, se abbiamo bisogno di ricostruire un ponte, dove possiamo ricostruirlo?' Quando diciamo "chilometro 60" sappiamo esattamente dove si trova."
McConnell ha affermato che il team innanzitutto stabilizzerà la zona di erosione a monte dell'ex cascata nella primavera del 2024. Poi, ha affermato, l'attenzione si concentrerà sul contenimento degli effetti del carico di sedimenti che si sposta a valle.
"È professionalmente esaltante lavorare insieme per trovare una soluzione", ha detto McConnell. "Sai che ti stai lanciando verso il grande sconosciuto:non esiste una tabella di marcia per questo." Espinoza Girón ha affermato che, dopo aver esaminato i modelli, il gruppo sta valutando diverse opzioni per mitigare la sedimentazione, incluso un tunnel di deviazione che porterebbe la struttura di scarico della centrale idroelettrica più a valle per evitare di essere sepolta nei sedimenti.
Un'altra opzione menzionata da lui è stata la creazione di punti artificiali, o dislivelli taglienti, nel letto del fiume, che ricreerebbero il modo in cui un fiume potrebbe formarsi naturalmente e rallenterebbero l'erosione del sedimento che scorre.
Il percorso scelto potrebbe essere un indicatore di futuri eventi geologici di questo tipo. Barrera Crespo ha aggiunto che la velocità con cui sono progredite l’erosione e la sedimentazione del fiume Coca ha creato un caso di studio unico per il campo dell’idrogeologia. Spera che ciò evidenzi la necessità di un'adeguata gestione dei sedimenti man mano che vengono costruite nuove dighe, ora che gli effetti possono essere visti nel corso di mesi invece che dei normali decenni necessari affinché un alveo fluviale si assesti ed si eroda.
"I problemi legati al trasporto di sedimenti nei fiumi non sono così facili da vedere in tempi normali", ha detto Barrera Crespo. "Si tratta fondamentalmente di un'opportunità irripetibile per affrontare questo problema. Con l'aiuto di competenze di fama mondiale, questa è stata un'opportunità preziosa per tutti."
Per Larson, la parte più importante della missione è la capacità di aiutare il popolo dell'Ecuador e la sua terra. Ma è anche un momento di svolta per la sua carriera.
"Incontrare tutte le persone laggiù e vedere l'impatto che potremmo fornire sarà sicuramente uno dei momenti salienti della mia carriera", ha detto Larson. "Lo ricorderò per il resto della mia vita."
L'UT-Battelle gestisce l'ORNL per l'Oaice of Science del Dipartimento dell'Energia, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L'Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.
Fornito da Oak Ridge National Laboratory
