Lavoro sul campo in prima persona: inserire le mangrovie nei modelli costieri per una migliore previsione del clima

Per comprendere meglio le importanti dinamiche in gioco nelle aree costiere soggette a inondazioni, gli scienziati dell’Oak Ridge National Laboratory che lavorano su simulazioni dei cicli del carbonio e dei nutrienti della Terra hanno fatto visita agli sperimentatori che raccoglievano dati in una zona umida del Texas. Lì, il ritorno di una specie chiave di mangrovie contiene importanti indizi sugli impatti climatici attuali e futuri sugli ecosistemi costieri.

Ben Sulman e Shannon Jones di ORNL si sono recati quest’estate a Port Aransas, in Texas, dove le mangrovie nere stanno vivendo una rinascita dopo essere state devastate da un gelo estremo nel 2021. Le mangrovie, che prosperano in acque salate e salmastre, difendono gli ecosistemi costieri dalle tempeste e forniscono habitat importante per pesci, rettili e uccelli. Sostengono l’industria della pesca, rimuovono il carbonio dall’atmosfera e potrebbero espandersi lungo le coste del Golfo degli Stati Uniti man mano che il clima si riscalda.

Le mangrovie e altri processi costieri che influenzano i cicli del carbonio e dell’azoto sono sottorappresentati negli attuali modelli di sistemi terrestri su scala terrestre. Osservando la raccolta di dati lungo la costa del Texas, Sulman e Jones hanno acquisito una migliore comprensione delle condizioni e delle dinamiche necessarie per migliorare le simulazioni della Terra su larga scala in grado di prevedere e aiutare a preparare meglio le comunità costiere alle inondazioni e ad altri rischi legati al clima.

Jones è un ricercatore post-dottorato con esperienza in idrologia e modellistica delle inondazioni. Sta lavorando con Sulman sulla rappresentazione dei processi biogeochimici nei modelli delle zone umide costiere per prevedere meglio le risposte dell’ecosistema ai cambiamenti climatici, all’attività umana e all’innalzamento del livello del mare.​​​​​​​ Il lavoro fa parte di un premio del Dipartimento dell’Energia per il programma di ricerca sulla carriera precoce guidato da Sulman. L’obiettivo di Jones è valutare i cambiamenti nel ciclo del carbonio e dell’azoto in questi ecosistemi nel modello terrestre Exascale Earth System, o E3SM, del DOE, noto come ELM, con particolare attenzione agli effetti dell’espansione delle mangrovie nelle aree paludose salmastre.

Gli scienziati dell’ORNL si sono uniti ai responsabili delle escursioni sul campo dell’Università del Texas, ad Austin, e ai collaboratori dell’US Geological Survey e dell’Università della Louisiana, a Lafayette. In questo resoconto di prima mano, Jones descrive l’esperienza di lavoro sul campo e come questa sta informando la sua ricerca attuale.

Veleggiando verso il recupero dell’ecosistema di mangrovie

Ho contattato gli scienziati dell’UT-Austin per discutere le principali caratteristiche del ciclo dei nutrienti delle mangrovie che le differenziano da altre specie di piante delle zone umide. Un team universitario guidato da Ashley Matheny ha raccolto dati in un sito di mangrovie costiero del Texas che sta fornendo informazioni uniche su come l’ecosistema si sta riprendendo dopo un evento di gelata nel 2021. Ciò ha suscitato il mio interesse e quello di Ben mentre siamo concentrati sulla definizione, o parametrizzazione dei limiti di sopravvivenza delle piante nel modello per simulare in modo più accurato le piante delle zone umide che vivono in aree altamente dinamiche. Abbiamo deciso di partecipare a un’escursione sul campo organizzata e guidata da Matheny.

Abbiamo iniziato presto il giorno della gita di campionamento, partendo dal Marine Science Institute dell’Università del Texas, o UT MSI, a Port Aransas. Il sito di mangrovie, accessibile solo in barca, si trova su un’isola nella baia di Aransas tra la terraferma e l’isola barriera. Alle 7 del mattino ci siamo incontrati con Ashley Matheny, Melinda Martinez dell’US Geological Survey e due studenti laureati, Robert Bordelon e Aaron Gondran dell’UL, Lafayette, per un rapido briefing sulla sicurezza, per discutere il piano del campo e caricare l’attrezzatura nel barca. La barca a otto posti è di proprietà e gestita da UT MSI ed è stata guidata da un capitano di barca con licenza UT MSI.

Le onde erano calme quando la barca decollò dal molo. Una nebbia di sale e onde riempiva l’aria mentre la barca si dirigeva verso l’isola. Il viaggio in barca è durato circa 20 minuti attraverso un canale marittimo fino a Harbour Island, vicino a uno storico faro.

Varo dalla banchina con i nostri collaboratori e le attrezzature. Credito: Shannon Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

Una volta arrivati ​​al sito, siamo scesi dalla barca nel fango soffice circondato da un’inquietante “foresta fantasma” di mangrovie rachitiche e morte in 2 piedi d’acqua. Prima del gelo del 2021, l’ecosistema era sano e denso, con radici che fornivano stabilità al fango. Ora, tutto ciò che restava della maggior parte delle mangrovie mature erano i rami morti che non tenevano più insieme i sedimenti, facendo affondare un po’ i nostri stivali, rendendo difficile camminare.

Ashley Matheny esegue la manutenzione su una torre di flusso di 10 piedi in 1 piede di acqua stagnante all’interno della foresta fantasma di mangrovie nella Baia di Aransas. Crediti: Ben Sulman/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

Una volta caricata l’attrezzatura dalla barca su una zattera galleggiante, ciascuno dei collaboratori ha iniziato a lavorare su diversi compiti di raccolta dati mentre osservavamo e assistevamo. Matheny si è diretta dall’altra parte del banco di mangrovie per ricalibrare e raccogliere dati da una torre di flusso che ha installato alcuni anni fa. La torre misura, tra gli altri dati meteorologici, lo scambio di anidride carbonica e gas metano tra l’ecosistema e l’atmosfera, nonché la temperatura, le precipitazioni, la direzione e la velocità del vento.

Mentre Matheny lavorava sulla torre del flusso, gli altri collaboratori raccoglievano dati utilizzando due strumenti principali: sippers di acqua interstiziale e una camera di flusso di gas serra. L’acqua interstiziale, ovvero l’acqua che si trova negli spazi aperti sotto la superficie del suolo, è stata raccolta utilizzando un “sipper”, un dispositivo costituito da tubi di acciaio inossidabile con una porta di campionamento inserita in piccoli fori nel sedimento. I sipper utilizzano una pompa per estrarre l’acqua dal suolo, che viene riportata in laboratorio e analizzata per le concentrazioni di anidride carbonica, metano e protossido di azoto. Una camera galleggiante trasparente collegata a un analizzatore portatile è stata utilizzata per misurare le emissioni di anidride carbonica e metano dalle singole mangrovie – sia vive che morte – e dalla superficie dell’acqua.

Misurare questi gas che riscaldano il clima è prezioso per determinare in che modo i componenti dell’ecosistema – piante, atmosfera e suolo – assorbono e rilasciano gas. Questi dati aiutano gli scienziati a confermare e comprendere i flussi di gas complessivi dell’ecosistema misurati dalla torre di flusso.

La giornata campale è stata lunga, ma abbiamo beneficiato del bel tempo. A causa della posizione del sito nel mezzo di una zona umida allagata, non c’era posto dove sedersi, quindi siamo rimasti in piedi tutto il giorno!

Misurazioni delle acque interstiziali nei sedimenti all’interno dell’habitat delle mangrovie. Credito: Shannon Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Interagendo con i collaboratori durante la raccolta, abbiamo appreso un contesto importante sulle mangrovie che avremmo potuto trascurare se non avessimo visitato il sito. È interessante notare che in questa località e in tutto il Golfo, queste mangrovie sono considerate specie nane alte da 1 a 2 piedi. Le mangrovie nere, che crescono come alberi ad alto fusto nei climi più tropicali, diventano più piccole e più arbustive lungo la costa degli Stati Uniti, dove la loro distribuzione delle specie è limitata dalle gelate periodiche.

Misurazione dello scambio di gas su una mangrovia morta (a sinistra) e su una mangrovia viva (a destra). Crediti: Ben Sulman/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

La giornata campale è stata lunga, ma abbiamo beneficiato del bel tempo. A causa della posizione del sito nel mezzo di una zona umida allagata, non c’era posto dove sedersi, quindi siamo rimasti in piedi tutto il giorno! Interagendo con i collaboratori durante la raccolta, abbiamo appreso un contesto importante sulle mangrovie che avremmo potuto trascurare se non avessimo visitato il sito. È interessante notare che in questa località e in tutto il Golfo, queste mangrovie sono considerate specie nane alte da 1 a 2 piedi. Le mangrovie nere, che crescono come alberi ad alto fusto nei climi più tropicali, diventano più piccole e più arbustive lungo la costa degli Stati Uniti, dove la loro distribuzione delle specie è limitata dalle gelate periodiche.

Shannon Jones in piedi tra le mangrovie nane sopravvissute. Credito: Shannon Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

Osservando in prima persona come l’ecosistema sta rispondendo all’indomani di un forte gelo e utilizzando queste informazioni per aggiungere limiti alle simulazioni delle zone umide, possiamo aiutare a prevedere come gli habitat delle mangrovie potrebbero cambiare o espandersi con un clima più caldo in futuro. Dopo un’intera giornata di lavoro sul campo, siamo tornati a riva, dove abbiamo scaricato l’attrezzatura e festeggiato una giornata campale di successo con una cena al The Gaff, uno dei locali preferiti.

Il giorno successivo, Ben e io ci siamo incontrati con Katie Swanson, coordinatrice della gestione della Mission Aransas National Estuarine Research Reserve, e Matheny per un tour delle strutture dell’UT MSI e un incontro finale con i collaboratori. Ben e io abbiamo richiesto dati osservativi che sarebbero stati utili per calibrare e confrontare con i dati modellati. Abbiamo discusso di articoli e dati già pubblicati, di altri collaboratori con possibili dati e dei prossimi passi avanti nella nostra collaborazione. Siamo partiti entusiasti per il successo della gita e per la continua collaborazione.

Sfruttare i dati per approfondimenti sulle mangrovie

Il duro lavoro di raccolta dei dati ha un valore inestimabile e potrebbe non essere sempre riconosciuto nella modellizzazione del sistema Terra. Pertanto, questo viaggio di ricerca è stato importante per stabilire collegamenti con i collaboratori e per fornire una migliore comprensione generale delle condizioni e delle dinamiche importanti da includere nelle simulazioni dei modelli. Ben e io abbiamo adottato l’approccio integrato modello-osservazione-esperimento del programma di ricerca biologica e ambientale, o ModEx, per garantire che il modello utilizzi le conoscenze sul campo più aggiornate sugli ecosistemi di mangrovie e per aiutare a informare le aree in cui il modello e la ricerca sul campo può migliorare. Come parte della preparazione al viaggio, abbiamo testato un nuovo riassunto sulla sicurezza della ricerca ORNL che semplifica il processo per il personale non sul campo, come i modellisti, per condurre in sicurezza visite sul posto per acquisire familiarità con un sito e con i metodi di osservazione.

Definire un nuovo impianto di zone umide di mangrovie per rappresentare meglio il ciclo del carbonio e dei nutrienti nel modello ELM è importante per simulare come sono e cambieranno i diversi tipi di zone umide lungo la costa degli Stati Uniti in diversi scenari climatici. Ora sto definendo le mangrovie nell’ELM sulla base delle informazioni ottenute dalla visita sul campo e dei dati della letteratura. Il prossimo passo sarà confrontare le simulazioni del modello dell’ecosistema delle mangrovie in scenari climatici estremi con i modelli ricavati dai dati osservati. Testerò diversi scenari per prevedere come il ciclo del carbonio e dell’azoto negli ecosistemi di mangrovie potrebbe cambiare a causa dell’innalzamento a lungo termine del livello del mare, di un forte gelo e di un grande uragano. L’obiettivo è quello di arrivare a simulazioni regionali di estinzione ed espansione delle mangrovie.

Una singola piantina di mangrovie in una “foresta fantasma” di mangrovie morte. Credito: Shannon Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Ufficio della Scienza 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. Per ulteriori informazioni, visitare Energy.gov/science.

Articolo per gentile concessione dell’Oak Ridge National Laboratory. Di Shannon Jones.