Evaluating Sediment Resuspension and Internal Nutrient Loading in Tappan Lake Using Remote Sensing, Acoustic Doppler Current Profiler Observations, and EFDC+ Modeling
Questo studio integra il telerilevamento, le osservazioni di un profiler di correnti acustico Doppler e la modellazione EFDC+ per dimostrare che la risospensione dei sedimenti guidata dal vento e dal flusso nella zona centrale del lago Tappan è il principale motore del carico interno di nutrienti e delle fioriture algali persistenti, indipendentemente dagli input esterni del bacino idrografico.
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I laghi e i bacini idrici d'acqua dolce sono spesso visti come corpi d'acqua statici, ma sono sistemi dinamici dove acqua, sedimenti e nutrienti interagiscono costantemente. Una grande sfida nel gestire queste acque è capire perché le fioriture algali persistano anche quando il territorio circostante viene mantenuto pulito. Sebbene sia noto che il deflusso da fattorie e città possa immettere nutrienti in eccesso in un lago, causando schiume verdi di alghe, gli scienziati sospettano da tempo che il fondale stesso agisca come un serbatoio nascosto. Nel corso di decenni, i sedimenti sul fondo possono assorbire nutrienti come fosforo e azoto. Quando le condizioni cambiano, questi nutrienti accumulati possono essere rilasciati nuovamente nell'acqua, nutrendo le alghe dal basso piuttosto che dall'alto. Questo riciclo interno è difficile da osservare perché avviene sott'acqua, nascosto alle telecamere satellitari che guardano solo la superficie e ai semplici campioni d'acqua prelevati in un singolo punto. Comprendere questo meccanismo nascosto è crucialo perché, se il problema proviene dal fondo, semplicemente pulire i fiumi che alimentano il lago potrebbe non bastare a fermare le fioriture.
I ricercatori hanno concentrato la loro attenzione su Tappan Lake, un bacino di medie dimensioni nella contea di Harrison, Ohio. Nonostante l'area circostante sia prevalentemente boschiva con un limitato deflusso agricolo, il lago soffre di ricorrenti fioriture algali che degradano la qualità dell'acqua e minacciano l'uso ricreativo. Per risolvere questo mistero, un team di scienziati ha combinato tre diversi modi di osservare il lago: immagini satellitari per vedere la superficie, strumenti acustici subacquei per misurare il flusso e le particelle, e un modello informatico per simulare il movimento dell'acqua. Volevano scoprire se le alghe fossero alimentate dai nutrienti provenienti dai sedimenti del fondo, rimescolati dal movimento dell'acqua stessa.
Il team ha iniziato osservando la superficie dallo spazio. Utilizzando immagini di un satellite che passa sopra la Terra ogni pochi giorni, hanno tracciato la quantità di pigmento verde delle alghe, noto come clorofilla-a, attraverso l'intero lago dal 2020 al 2025. Hanno prima verificato che le loro misurazioni satellitari corrispondessero ai campioni d'acqua reali prelevati dalle barche, confermando l'accuratezza della tecnologia. I risultati hanno mostrato un modello chiaro: il lago era costantemente pieno di alghe. Ogni estate durante questo periodo, l'intera superficie del lago mostrava segni di eutrofizzazione, una condizione in cui l'acqua è ricca di nutrienti e sostiene una crescita eccessiva di piante. I livelli di alghe erano abbastanza alti da essere considerati una fioritura in ogni singolo anno, senza che alcuna parte del lago tornasse a uno stato pulito e a basso contenuto di nutrienti. Ciò ha confermato che il problema non era solo un picco temporaneo, ma una condizione cronica che colpiva l'intero bacino.
Per capire perché le alghe fossero così persistenti, i ricercatori avevano bisogno di guardare sotto la superficie. Hanno impiegato uno strumento specializzato chiamato profiler di corrente Doppler acustico, che utilizza onde sonore per misurare la velocità con cui l'acqua si muove a diverse profondità e per rilevare quante particelle vi siano in sospensione. Hanno navigato con questo dispositivo attraverso dieci diverse linee che tagliavano il lago. I dati hanno rivelato una differenza sorprendente tra la parte occidentale profonda del lago, vicino alla diga, e le sezioni centrali più basse. Nel bacino profondo occidentale, l'acqua si muoveva molto lentamente, quasi come un laghetto immobile. Tuttavia, nel mezzo del lago, dove l'acqua era più bassa e il canale si restringeva, l'acqua si muoveva molto più velocemente.
Ancora più importante, le onde sonore rimbalzate hanno rivelato dove il sedimento veniva rimescolato. Lo strumento ha rilevato un aumento significativo della quantità di particelle sospese proprio vicino al fondo del lago in quella zona centrale. Questo "potenziamento vicino al letto" (near-bed enhancement) significava che l'acqua che scorreva attraverso il centro del lago era abbastanza forte da sollevare il fango dai sedimenti del fondale e mantenerlo in sospensione. Al contrario, nel bacino profondo occidentale non si verificava tale attività, con le particelle che si depositavano e l'acqua che rimaneva limpida. Ciò suggeriva che la forza fisica del movimento dell'acqua attraverso il centro del lago stesse costantemente rimescolando il fondo, rilasciando i nutrienti intrappolati nel fango.
Per confermare questo quadro, gli scienziati hanno utilizzato un modello informatico che simula la fisica del lago, inclusi il modo in cui il vento e il flusso d'acqua spostano i sedimenti. Il modello ha prodotto una mappa dei solidi sospesi che corrispondeva perfettamente alle misurazioni del mondo reale. Mostrava alte concentrazioni di sedimenti nei bracci orientali poco profondi e nella parte centrale del lago, diminuendo fino a quasi zero nel bacino occidentale profondo vicino alla diga. Questa simulazione supportava l'idea che il lago agisca come una trappola per i sedimenti provenienti dai fiumi, ma che la sezione centrale sia una zona di costante disturbo dove il sedimento viene raccolto ancora e ancora.
Quando i ricercatori hanno messo insieme tutti questi pezzi, è emerso un meccanismo chiaro. Il vento e il flusso dell'acqua creano una zona specifica nel mezzo del Tappan Lake dove il sedimento del fondo viene costantemente rimescolato. Questo processo rilascia i nutrienti immagazzinati nel fango nuovamente nell'acqua, fornendo una fonte costante di cibo per le alghe. Poiché questo riciclo interno avviene indipendentemente da quanto siano puliti i fiumi, il lago rimane fertile e incline alle fioriture. Lo studio suggerisce che le alghe non sono solo il risultato dell'inquinamento proveniente dalla terra, ma sono sostenute dalla dinamica fisica stessa del lago. Questa scoperta indica che la gestione del lago richiederà molto più della semplice riduzione dell'inquinamento esterno; le strategie devono affrontare anche il riciclo interno dei nutrienti causato dal rimescolamento dei sedimenti nella parte centrale del lago.
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