Simulazione degli impatti delle tempeste di ghiaccio sugli ecosistemi forestali
Summary
Le tempeste di ghiaccio sono eventi meteorologici importanti che sono difficili da studiare a causa delle difficoltà nel prevedere il loro verificarsi. Qui, descriviamo un nuovo metodo per simulare tempeste di ghiaccio che comporta l’spruzzo di acqua su un baldacchino della foresta durante le condizioni di sottocongelamento.
Abstract
Le tempeste di ghiaccio possono avere effetti profondi e duraturi sulla struttura e sulla funzione degli ecosistemi forestali nelle regioni che sorprendono condizioni di congelamento. I modelli attuali suggeriscono che la frequenza e l’intensità delle tempeste di ghiaccio potrebbero aumentare nei prossimi decenni in risposta ai cambiamenti climatici, aumentando l’interesse per la comprensione del loro impatto. A causa della natura stocastica delle tempeste di ghiaccio e delle difficoltà nel prevedere quando e dove si verificheranno, la maggior parte delle indagini passate sugli effetti ecologici delle tempeste di ghiaccio si sono basate su studi di casi a seguito di forti tempeste. Poiché le intense tempeste di ghiaccio sono eventi estremamente rari, è poco pratico studiarli in attesa del loro verificarsi naturale. Qui presentiamo un nuovo approccio sperimentale alternativo, che coinvolge la simulazione di eventi di ghiaccio smalto su appezzamenti forestali in condizioni di campo. Con questo metodo, l’acqua viene pompata da un ruscello o da un lago e spruzzata sopra il baldacchino della foresta quando le temperature dell’aria sono al di sotto dello zero. L’acqua piove e congela a contatto con superfici fredde. Mentre il ghiaccio si accumula sugli alberi, i boli e i rami si piegano e si rompono; che possono essere quantificati attraverso confronti con supporti di riferimento non trattati. L’approccio sperimentale descritto è vantaggioso perché consente il controllo sulla tempistica e la quantità di ghiaccio applicato. La creazione di tempeste di ghiaccio di diversa frequenza e intensità consente di identificare le soglie ecologiche critiche necessarie per prevedere e preparare gli impatti delle tempeste di ghiaccio.
Introduction
Le tempeste di ghiaccio sono un importante disturbo naturale che può avere un impatto sia a breve che a lungo termine sull’ambiente e sulla società. Le intense tempeste di ghiaccio sono problematiche perché danneggiano alberi e colture, interrompono le utenze e danneggiano le strade e altre infrastrutture1,,2. Le condizioni pericolose che le tempeste di ghiaccio creano possono causare incidenti con conseguenti lesioni e morti2. Le tempeste di ghiaccio sono costose; perdite finanziarie in media 313 milioni di dollari all’anno negli Stati Uniti (USA)3, con alcune tempeste individuali superiori a 1 miliardo di dollari4. Negli ecosistemi forestali, le tempeste di ghiaccio possono avere conseguenze negative, tra cui la riduzione della crescita e la mortalità degli alberi5,6,7, aumento del rischio di incendio e la proliferazione di parassiti e patogeni8,9,10. Possono anche avere effetti positivi sulle foreste, come una maggiore crescita degli alberi sopravvissuti5 e una maggiore biodiversità11. Migliorare la nostra capacità di prevedere gli impatti delle tempeste di ghiaccio ci permetterà di prepararci e rispondere meglio a questi eventi.
Le tempeste di ghiaccio si verificano quando uno strato di aria umida, che è al di sopra del congelamento, prevale su uno strato di aria sottogelante più vicina al suolo. La pioggia che cade dallo strato più caldo di aria supercools come passa attraverso lo strato freddo, formando ghiaccio smalto quando depositato su superfici sub-congelamento. Negli Stati Uniti, questa stratificazione termica può derivare da modelli meteorologici sinottici che sono caratteristici di regioni specifiche12,13. Il congelamento della pioggia è più comunemente causato dai fronti artici che si muovono verso sud-est attraverso gli Stati Uniti davanti ai forti anticicloni13. In alcune regioni, la topografia contribuisce alle condizioni atmosferiche necessarie per le tempeste di ghiaccio attraverso la diga dell’aria fredda, un fenomeno meteorologico che si verifica quando l’aria calda di una tempesta in arrivo prevale sull’aria fredda che si radica lungo una catena montuosa14,15.
Negli Stati Uniti, le tempeste di ghiaccio sono più comuni nella “cintura di ghiaccio” che si estende dal Maine al Texas occidentale16,17. Tempeste di ghiaccio si verificano anche in una regione relativamente piccola del Pacifico nord-occidentale, specialmente intorno al bacino del fiume Columbia di Washington e Oregon. Gran parte degli Stati Uniti sperimenta almeno qualche pioggia gelida, con la maggior quantità nel nord-est dove la maggior parte delle aree soggette a ghiaccio hanno una mediana di sette o più giorni di pioggia gelata (giorni durante i quali si è verificata almeno un’osservazione oraria della pioggia gelata) ogni anno16. Molte di queste tempeste sono relativamente minori, anche se si verificano tempeste di ghiaccio più intense, anche se con intervalli di recidiva molto più lunghi. Ad esempio, nel New England, l’intervallo nello spessore del ghiaccio radiale è compreso tra 19 e 32 mm per le tempeste con un intervallo di ricorrenza di 50 anni18. Le prove empiriche indicano che le tempeste di ghiaccio stanno diventando più frequenti alle latitudini settentrionali e meno frequenti a sud19,20,21. Questa tendenza dovrebbe continuare sulla base di simulazioni al computer utilizzando le future proiezioni sui cambiamenti climatici22,23. Tuttavia, la mancanza di dati e la comprensione fisica rendono più difficile individuare e proiettare le tendenze nelle tempeste di ghiaccio rispetto ad altri tipi di eventi estremi24.
Poiché le grandi tempeste di ghiaccio sono relativamente rare, sono difficili da studiare. È difficile prevedere quando e dove si verificheranno, ed è generalmente impraticabile “inseguire” le tempeste per scopi di ricerca. Di conseguenza, la maggior parte degli studi sulle tempeste di ghiaccio sono state valutazioni post-hoc non pianificate che si sono verificate in seguito a grandi tempeste. Questo approccio di ricerca non è ideale a causa dell’incapacità di raccogliere dati di base prima di una tempesta. Inoltre, può essere difficile trovare aree non interessate per il confronto con le aree danneggiate quando le tempeste di ghiaccio coprono una grande estensione geografica. Invece di aspettare che si verifichino tempeste naturali, gli approcci sperimentali possono offrire vantaggi perché consentono uno stretto controllo sulla tempistica e l’intensità degli eventi di ghiaccio e consentono condizioni di riferimento adeguate per valutare chiaramente gli effetti.
Anche gli approcci sperimentali pongono sfide, soprattutto negli ecosistemi forestali. L’altezza e la larghezza degli alberi e del baldacchino li rende difficili da manipolare sperimentalmente, rispetto alle praterie o agli arbusti di bassa statura. Inoltre, il disturbo da tempeste di ghiaccio è diffuso, sia verticalmente attraverso il baldacchino della foresta e attraverso il paesaggio, che è difficile da simulare. Conosciamo solo un altro studio che ha tentato di simulare gli impatti delle tempeste di ghiaccio in un ecosistemaforestale 25. In questo caso, un fucile è stato utilizzato per rimuovere fino al 52% della corona in un chiosco di pino loblolly in Oklahoma. Anche se questo metodo ha prodotto risultati che sono caratteristici delle tempeste di ghiaccio, non è efficace a rimuovere rami più grandi e non causa gli alberi a piegarsi, che è comune con le tempeste di ghiaccio naturali. Anche se non sono stati utilizzati altri metodi sperimentali per studiare specificamente le tempeste di ghiaccio, ci sono alcuni parallelismi tra il nostro approccio e altri tipi di manipolazioni per disturbo forestale. Ad esempio, le dinamiche di gap sono state studiate abbattendo singoli alberi26, invasioni di parassiti forestali da alberi cintura27, e gli uragani da potatura28 o tirando giù interi alberi con un verricello e cavo29. Di questi approcci, la potatura imita più da vicino gli impatti delle tempeste di ghiaccio, ma è laboriosa e costosa. Gli altri approcci causano la mortalità di alberi interi, piuttosto che la rottura parziale di arti e rami che è tipica delle tempeste di ghiaccio naturali.
Il protocollo descritto in questo documento è utile per imitare da vicino le tempeste di ghiaccio naturali e prevede l’spruzzo di acqua sul baldacchino della foresta durante le condizioni di sub-congelamento per simulare gli eventi di ghiaccio smaltato. Il metodo offre vantaggi rispetto ad altri mezzi perché i danni possono essere distribuiti in modo relativamente uniforme in tutte le foreste su una vasta area con meno sforzo rispetto alla potatura o all’abbattimento di alberi interi. Inoltre, la quantità di accrescimento del ghiaccio può essere regolata attraverso il volume di acqua applicata e selezionando un tempo per spruzzare quando le condizioni atmosferiche sono favorevoli per la formazione ottimale del ghiaccio. Questo nuovo e relativamente poco costoso approccio sperimentale consente di controllare l’intensità e la frequenza della formazione di ghiaccio, che è essenziale per identificare le soglie ecologiche critiche negli ecosistemi forestali.
Protocol
Representative Results
Discussion
È fondamentale eseguire simulazioni sperimentali di tempeste di ghiaccio in condizioni meteorologiche appropriate per garantirne il successo. In uno studio precedente30, abbiamo scoperto che le condizioni ottimali per l’irrorazione sono quando le temperature dell’aria sono inferiori a -4 gradi centigradi e le velocità del vento sono inferiori a 5 m/s. Le tempeste di ghiaccio naturali si verificano più comunemente quando le temperature dell’aria sono leggermente inferiori al congelamento (-1 a 0…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
I finanziamenti per questa ricerca sono stati forniti dalla National Science Foundation (DEB-1457675). Ringraziamo i molti partecipanti all’Ice Storm Experiment (ISE) che hanno contribuito con l’applicazione del ghiaccio e il lavoro sul campo e in laboratorio associato, in particolare Geoff Schwaner, Gabe Winant e Brendan Leonardi. Questo manoscritto è un contributo dell’Hubbard Brook Ecosystem Study. Hubbard Brook fa parte della rete di ricerca ecologica a lungo termine (LTER), supportata dalla National Science Foundation (DEB-1633026). L’Hubbard Brook Experimental Forest è gestita e gestita dall’USDA Forest Service, Northern Research Station, Madison, WI. Video e immagini sono di Jim Surette e Joe Klementovich, per gentile concessione della Hubbard Brook Research Foundation.
Materials
| Booster pump | Waterax | BB-4-23P | 401 L min-1 maximum flow; 30.3 bar maximum pressure |
| Firefighting hose | ATI Forest Products | Forest-Lite G55H1F50N | 3.8 cm diameter, polyester, single jacket |
| Monitor (ground placement) | Task Force Tips | Blitzfire XX111A | 2000 L min-1 maximum flow; fits 3.8 cm hose |
| Monitor (UTV mount) | Potter Roemer | Fire Pro FP1S-125 | 1325 L min-1 maximum flow; fits 3.8 cm hose |
| Nozzle | Crestar | ST2675 | Smooth bore; double stacked; 3.8 cm intake; 1.3 cm orifice |
| Strainer | Northern Tool | 107902 | 7.6 cm hose fitting, 17.6 cm outside diameter |
| Suction hose | JGB Enterprises | A007-0489-1615 | 7.6 cm diameter; 4.6 m long |
| Water pump | NorthStar | 106471E | 665 L min-1; fits 7.6 cm hose |
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