Simulación de impactos de tormentas de hielo en los ecosistemas forestales
Summary
Las tormentas de hielo son eventos meteorológicos importantes que son difíciles de estudiar debido a las dificultades para predecir su ocurrencia. Aquí, describimos un método novedoso para simular tormentas de hielo que consiste en rociar agua sobre un dosel del bosque durante las condiciones de subcongelación.
Abstract
Las tormentas de hielo pueden tener efectos profundos y duraderos en la estructura y función de los ecosistemas forestales en regiones que experimentan condiciones de congelación. Los modelos actuales sugieren que la frecuencia y la intensidad de las tormentas de hielo podrían aumentar en las próximas décadas en respuesta a los cambios climáticos, lo que aumenta el interés en comprender sus impactos. Debido a la naturaleza estocástica de las tormentas de hielo y las dificultades para predecir cuándo y dónde ocurrirán, la mayoría de las investigaciones anteriores sobre los efectos ecológicos de las tormentas de hielo se han basado en estudios de caso después de tormentas importantes. Dado que las intensas tormentas de hielo son eventos extremadamente raros, no es práctico estudiarlas esperando su ocurrencia natural. Aquí presentamos un novedoso enfoque experimental alternativo, que implica la simulación de eventos de hielo glaseado en parcelas forestales en condiciones de campo. Con este método, el agua se bombea desde un arroyo o lago y se rocía por encima del dosel del bosque cuando las temperaturas del aire están por debajo de la congelación. El agua llueve y se congela al contacto con superficies frías. A medida que el hielo se acumula en los árboles, los boles y las ramas se doblan y se rompen; daños que pueden cuantificarse mediante comparaciones con soportes de referencia no tratados. El enfoque experimental descrito es ventajoso porque permite controlar el tiempo y la cantidad de hielo aplicado. La creación de tormentas de hielo de diferente frecuencia e intensidad permite identificar los umbrales ecológicos críticos necesarios para predecir y prepararse para los impactos de tormentas de hielo.
Introduction
Las tormentas de hielo son una perturbación natural importante que puede tener impactos tanto a corto como a largo plazo en el medio ambiente y la sociedad. Las intensas tormentas de hielo son problemáticas porque dañan árboles y cultivos, interrumpen los servicios públicos y deterioran las carreteras y otras infraestructuras1,,2. Las condiciones peligrosas que crean las tormentas de hielo pueden causar accidentes que resultan en lesiones y muertes2. Las tormentas de hielo son costosas; pérdidas financieras promedio $313 millones por año en los Estados Unidos (EE.UU.)3, con algunas tormentas individuales que superan los $1.000 millones4. En los ecosistemas forestales, las tormentas de hielo pueden tener consecuencias negativas, como la reducción del crecimiento y la mortalidad de los árboles5,6,7, mayor riesgo de incendio, y la proliferación de plagas y patógenos8,,9,10. También pueden tener efectos positivos en los bosques, como un mayor crecimiento de los árboles supervivientes5 y un aumento de la biodiversidad11. Mejorar nuestra capacidad de predecir los impactos de las tormentas de hielo nos permitirá prepararnos mejor y responder a estos eventos.
Las tormentas de hielo se producen cuando una capa de aire húmedo, que está por encima de la congelación, anula una capa de aire subcongelante más cerca del suelo. La lluvia cae de la capa más cálida de aire se sobrecoola a medida que pasa a través de la capa fría, formando hielo de esmalte cuando se deposita en superficies de subencongelación. En los Estados Unidos, esta estratificación térmica puede ser el resultado de patrones meteorológicos sinópticos que son característicos de regiones específicas12,,13. La lluvia helada es más comúnmente causada por los frentes árticos que se mueven hacia el sureste a través de los EE.UU. por delante de los fuertes anticiclones13. En algunas regiones, la topografía contribuye a las condiciones atmosféricas necesarias para las tormentas de hielo a través de la represa de aire frío, un fenómeno meteorológico que ocurre cuando el aire caliente de una tormenta entrante anula el aire frío que se afianza junto a una cordillera14,,15.
En los Estados Unidos, las tormentas de hielo son más comunes en el “cinturón de hielo” que se extiende desde Maine hasta el oeste de Texas16,,17. Las tormentas de hielo también ocurren en una región relativamente pequeña del noroeste del Pacífico, especialmente alrededor de la cuenca del río Columbia de Washington y Oregón. Gran parte de los Estados Unidos experimentan al menos algunas lluvias heladas, con las mayores cantidades en el noreste donde las zonas más propensas al hielo tienen una mediana de siete o más días de lluvia helada (días durante los cuales se produjo al menos una observación por hora de lluvia helada) anualmente16. Muchas de estas tormentas son relativamente menores, aunque se producen tormentas de hielo más intensas, aunque con intervalos de recurrencia mucho más largos. Por ejemplo, en Nueva Inglaterra, el rango en espesor de hielo radial es de 19 a 32 mm para tormentas con un intervalo de periodicidad de 50 años18. La evidencia empírica indica que las tormentas de hielo son cada vez más frecuentes en las latitudes septentrionales y menos frecuentes al sur19,,20,,21. Se espera que esta tendencia continúe basándose en simulaciones por ordenador utilizando futuras proyecciones de cambio climático22,,23. Sin embargo, la falta de datos y comprensión física hacen que sea más difícil detectar y proyectar tendencias en tormentas de hielo que otros tipos de eventos extremos24.
Dado que las tormentas de hielo importantes son relativamente raras, son difíciles de estudiar. Es difícil predecir cuándo y dónde ocurrirán, y generalmente no es práctico “perseguir” tormentas con fines de investigación. En consecuencia, la mayoría de los estudios de tormentas de hielo han sido evaluaciones post hoc no planeadas que se han producido a raíz de tormentas importantes. Este enfoque de investigación no es ideal debido a la incapacidad de recopilar datos de referencia antes de una tormenta. Además, puede ser difícil encontrar áreas no afectadas para comparar con áreas dañadas cuando las tormentas de hielo cubren una gran extensión geográfica. En lugar de esperar a que se produzcan tormentas naturales, los enfoques experimentales pueden ofrecer ventajas porque permiten un control estrecho sobre el tiempo y la intensidad de los eventos de hielo y permiten condiciones de referencia adecuadas para evaluar claramente los efectos.
Los enfoques experimentales también plantean desafíos, especialmente en los ecosistemas boscosos. La altura y anchura de los árboles y el dosel hace que sean difíciles de manipular experimentalmente, en comparación con pastizales o arbustos de baja estatura. Además, la perturbación de las tormentas de hielo es difusa, tanto verticalmente a través del dosel del bosque como a través del paisaje, lo cual es difícil de simular. Sólo conocemos otro estudio que intentó simular los impactos de la tormenta de hielo en un ecosistema forestal25. En este caso, se utilizó un rifle para quitar hasta el 52% de la corona en un soporte de pino loblolly en Oklahoma. Aunque este método produjo resultados característicos de las tormentas de hielo, no es eficaz para eliminar ramas más grandes y no hace que los árboles se doblen, lo que es común con las tormentas de hielo naturales. Si bien no se han utilizado otros métodos experimentales para estudiar específicamente las tormentas de hielo, hay algunos paralelismos entre nuestro enfoque y otros tipos de manipulaciones de perturbaciones forestales. Por ejemplo, la dinámica de la brecha se ha estudiado talando árboles individuales26,invasiones de plagas forestales por ceñimientos27,y huracanes mediante la poda de28 o tirando de árboles enteros con un cabrestante y cable29. De estos enfoques, la poda imita más estrechamente los impactos de las tormentas de hielo, pero es laboriosa y costosa. Los otros enfoques causan la mortalidad de árboles enteros, en lugar de la rotura parcial de extremidades y ramas que es típica de las tormentas de hielo natural.
El protocolo descrito en este documento es útil para imitar de cerca las tormentas de hielo naturales e implica rociar agua sobre el dosel del bosque durante las condiciones de subcongelación para simular eventos de hielo glaseado. El método ofrece ventajas sobre otros medios porque el daño se puede distribuir relativamente uniformemente a través de los bosques sobre un área grande con menos esfuerzo que la poda o derribo de árboles enteros. Además, la cantidad de acreción de hielo se puede regular a través del volumen de agua aplicada y seleccionando un tiempo para rociar cuando las condiciones climáticas son propicias para una formación óptima de hielo. Este enfoque experimental novedoso y relativamente barato permite controlar la intensidad y la frecuencia de la formación de hielo, que es esencial para identificar umbrales ecológicos críticos en los ecosistemas forestales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Es fundamental realizar simulaciones experimentales de tormentas de hielo en condiciones climáticas adecuadas para garantizar su éxito. En un estudio anterior30, encontramos que las condiciones óptimas para la pulverización son cuando las temperaturas del aire están por debajo de -4 oC y las velocidades del viento son inferiores a 5 m/s. Las tormentas de hielo naturales ocurren con mayor frecuencia cuando las temperaturas del aire son ligeramente inferiores a la congelación (-1 a 0 oC), y au…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La financiación de esta investigación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias (DEB-1457675). Agradecemos a los muchos participantes en el Experimento Tormenta de Hielo (ISE) que ayudaron con la aplicación de hielo y el trabajo de campo y laboratorio asociado, especialmente Geoff Schwaner, Gabe Winant y Brendan Leonardi. Este manuscrito es una contribución del Estudio del Ecosistema Hubbard Brook. Hubbard Brook es parte de la red de Investigación Ecológica a Largo Plazo (LTER), que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation (DEB-1633026). El bosque experimental Hubbard Brook es operado y mantenido por el Servicio Forestal del USDA, Northern Research Station, Madison, WI. El vídeo y las imágenes son de Jim Surette y Joe Klementovich, cortesía de la Fundación de Investigación Hubbard Brook.
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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