Un team di ricercatori della Syracuse University e della Texas A&M University ha applicato un modello di apprendimento automatico per esplorare dove e in che misura le attività umane stanno contribuendo ai cambiamenti idrogeochimici, come l’aumento della salinità e dell’alcalinità nei fiumi degli Stati Uniti. Il gruppo ha utilizzato i dati di 226 siti di monitoraggio fluviale negli Stati Uniti e ha creato due modelli di apprendimento automatico per prevedere i livelli mensili di salinità e alcalinità in ciascun sito.
Dalla protezione della biodiversità alla sicurezza dell’acqua potabile, la composizione biochimica di fiumi e corsi d’acqua negli Stati Uniti è fondamentale per il benessere umano e ambientale. Gli studi hanno scoperto che l’attività umana e l’urbanizzazione stanno guidando la salinizzazione (aumento del contenuto di sale) delle fonti di acqua dolce in tutto il paese. In eccesso, la salinità può rendere l’acqua imbevibile, aumentare il costo del trattamento dell’acqua e danneggiare i pesci d’acqua dolce e la fauna selvatica.
Insieme all’aumento della salinità c’è stato anche un aumento dell’alcalinità nel tempo e ricerche passate suggeriscono che la salinizzazione può migliorare l’alcalinizzazione. Ma a differenza dell’eccesso di salinità, l’alcalinizzazione può avere un impatto positivo sull’ambiente grazie alla sua capacità di neutralizzare l’acidità dell’acqua e assorbire l’anidride carbonica nell’atmosfera terrestre, una componente chiave per combattere il cambiamento climatico. Pertanto, la comprensione dei processi in gioco che influenzano la salinità e l’alcalinità ha importanti implicazioni per l’ambiente e la salute.
Un team di ricercatori della Syracuse University e della Texas A&M University ha applicato un modello di apprendimento automatico per esplorare dove e in che misura le attività umane stanno contribuendo ai cambiamenti idrogeochimici, come l’aumento della salinità e dell’alcalinità nei fiumi degli Stati Uniti.
Il gruppo ha utilizzato i dati di 226 siti di monitoraggio fluviale negli Stati Uniti e ha creato due modelli di apprendimento automatico per prevedere i livelli mensili di salinità e alcalinità in ciascun sito. Questi siti sono stati selezionati perché le misurazioni continue della qualità dell’acqua a lungo termine sono state registrate per almeno 30 anni. Dagli ambienti urbani a quelli rurali, il modello ha esplorato una vasta gamma di bacini idrografici, ovvero aree in cui tutte le acque superficiali che scorrono convergono in un unico punto, come un fiume o un lago. Ha valutato 32 fattori di spartiacque che vanno dall’idrologia, al clima, alla geologia, alla chimica del suolo, all’uso del suolo e alla copertura del suolo per individuare i fattori che contribuiscono all’aumento della salinità e dell’alcalinità. I modelli del team hanno determinato che le attività umane contribuiscono maggiormente alla salinità dei fiumi statunitensi, mentre l’aumento dell’alcalinità è stato principalmente attribuito più ai processi naturali che alle attività umane.
Il team, che comprendeva i ricercatori della Syracuse University Tao Wen, assistente professore presso il Dipartimento di scienze della terra e dell’ambiente (EES) del College of Arts and Sciences, Beibei E, uno studente laureato in EES, Charles T. Driscoll, professore universitario di sistemi ambientali e Distinguished Professor presso il College of Engineering and Computer Science, e Shuang Zhang, assistente professore di Texas A&M, hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista Scienza dell’ambiente totale.
Cosa sta guidando la salinizzazione e l’alcalinizzazione?
I risultati del modello di previsione del sodio del gruppo, che ha rilevato attività umane come l’applicazione del sale stradale come i principali contributi alla salinità dei fiumi degli Stati Uniti, erano coerenti con gli studi precedenti. Questo modello ha rivelato in particolare la densità della popolazione e la percentuale di superficie impermeabile (superfici artificiali come le strade) come i due fattori più importanti che contribuiscono all’aumento del contenuto di sale nei fiumi degli Stati Uniti.
Secondo Wen, l’accuratezza del modello di salinità ha fornito un’importante prova di concetto per il gruppo di ricerca.
“Per quanto riguarda le cause della salinità nei fiumi, i risultati del nostro modello di apprendimento automatico corrispondevano a quelli di studi precedenti incentrati sull’osservazione sul campo, sul lavoro di laboratorio e sull’analisi statistica”, afferma Wen. “Questo ha dimostrato che il nostro approccio stava funzionando”.
Con i risultati sulla salinità che confermano l’accuratezza del modello del team, hanno poi rivolto la loro attenzione all’alcalinità. Il loro modello ha identificato i processi naturali come contributo predominante alla variazione dell’alcalinità del fiume, in contrasto con la ricerca precedente che ha identificato le attività umane come il principale contributo all’alcalinizzazione (Kaushal et al., 2018). Hanno scoperto che le condizioni climatiche e idrogeologiche locali, tra cui il deflusso, i sedimenti, il pH del suolo e l’umidità, erano le caratteristiche che maggiormente influenzavano l’alcalinità del fiume.
Fondamentale per il ciclo del carbonio
Le loro scoperte hanno importanti implicazioni ambientali e climatiche poiché l’alcalinità nei fiumi costituisce un collegamento vitale nel ciclo del carbonio. Considera il movimento del carbonio durante un temporale. Quando piove, l’anidride carbonica dell’atmosfera si combina con l’acqua per formare acido carbonico. Quando l’acido carbonico raggiunge il suolo ed entra in contatto con alcune rocce, innesca una reazione chimica che estrae l’anidride carbonica gassosa dall’atmosfera e la trasporta nell’oceano attraverso sistemi idrici terrestri come laghi e fiumi. Conosciuto come alterazione delle rocce, questo processo naturale erode continuamente le rocce e sequestra la CO2 atmosferica per milioni di anni. È anche un regolatore chiave dei gas serra che contribuiscono al riscaldamento globale.
“L’erosione delle rocce è la principale fonte di alcalinità nelle acque naturali ed è uno dei modi principali per abbattere l’anidride carbonica nell’aria”, afferma Wen. Pensalo come un ciclo di feedback: quando c’è troppa anidride carbonica nell’atmosfera, le temperature aumentano portando a un aumento degli agenti atmosferici delle rocce. Con più roccia che viene dissolta nei bacini idrografici a causa dell’aumento degli agenti atmosferici della roccia, l’alcalinità aumenta e, a sua volta, abbassa l’anidride carbonica.
“L’alcalinità è una componente fondamentale del ciclo del carbonio”, afferma Wen. “Anche se abbiamo scoperto che i processi naturali sono i principali motori dell’alcalinizzazione, questi fattori naturali possono ancora essere modificati dall’uomo. Possiamo alterare il livello di alcalinità nei fiumi cambiando i parametri naturali, quindi dobbiamo investire di più per ripristinare le condizioni naturali di spartiacque e affrontare il riscaldamento globale e i cambiamenti climatici per affrontare l’alcalinizzazione nei fiumi degli Stati Uniti”.
I risultati dello studio del team possono aiutare a informare la ricerca futura sugli sforzi potenziati di erosione delle rocce, dove le rocce vengono macinate e sparse nei campi. Distribuendo la polvere di roccia su vaste aree, aumenta la quantità di contatto tra pioggia e roccia, il che migliora la rimozione del carbonio dall’atmosfera. Wen afferma che il modello del team può aiutare a rispondere a domande sull’evoluzione delle condizioni naturali in diverse regioni, un passo importante necessario per implementare in modo più efficace l’alterazione delle rocce.
Il lavoro è stato finanziato attraverso una sovvenzione della National Science Foundation di $ 460.000 assegnata a Wen.
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