Natural and anthropogenic tipping points in a Mediterranean karstic lake: evidence from Lake Estanya (NE Spain)

I laghi non sono meri bacini statici d'acqua; sono sistemi dinamici che respirano, si mescolano e cambiano in risposta al cielo sopra di loro e alla terra intorno a loro. In molte parti del mondo, particolarmente in regioni con estati calde e secche e inverni umidi, questi corpi idrici sono incredibilmente sensibili ai cambiamenti del clima e dell'attività umana. Gli scienziati che studiano la storia dei laghi, noti come paleolimnologi, esaminano gli strati di fango sul fondo per leggere una registrazione del passato. Monitorano anche l'acqua in tempo reale per vedere come reagisce al meteo attuale. Un concetto chiave in questo campo è il "punto di non ritorno" (tipping point), un momento in cui un piccolo cambiamento nelle condizioni spinge un sistema verso uno stato completamente nuovo dal quale non può tornare facilmente. Ad esempio, un lago potrebbe improvvisamente smetere di mescolare i suoi strati superficiali e profondi, intrappolando l'acqua profonda in uno stato permanente di bassa ossigenazione. Comprendere quando e perché avvengono questi cambiamenti è vitale, perché la salute di un lago determina la qualità dell'acqua per bere, per l'agricoltura e per la sopravvivenza delle creature che vi vivono.

Nei monti Pirenei, nel nord-est della Spagna, un piccolo lago poco profondo chiamato Estanya è diventato un caso di studio critico per questi cambiamenti. Questo lago siede in un bacino circondato da gesso e calcare, un contesto geologico che rende la sua acqua naturalmente ricca di sali e minerali. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che Estanya fosse un lago "mono-mictico caldo", un termine tecnico che significa che si riscaldava in estate, si stratificava in strati e poi si mescolava completamente dall'alto verso il basso durante i mesi freddi dell'inverno. Questo mescolamento annuale è essenziale perché porta ossigeno nelle acque profonde, mantenendo in vita l'ecosistema. Tuttavia, un nuovo studio che combina il monitoraggio moderno con antiche registrazioni dei sedimenti ha rivelato che questo lago ha superato una soglia importante. È passato dall'essere un lago che si mescola ogni anno a uno permanentemente stratificato, con le sue acque profonde isolate dalla superficie e dall'ossigeno di cui hanno bisogno.

La storia di questo cambiamento inizia con un attento esame degli ultimi anni. Tra il 2018 e il 2023, i ricercatori hanno posizionato sensori automatizzati nel lago per tracciare la temperatura dell'acqua a diverse profondità ogni ora. Hanno anche raccolto campioni d'acqua per misurare i livelli di sale e le firme chimiche. I dati hanno raccontato una storia drammatica. Nel 2018, dopo un periodo di grave siccità, l'acqua superficiale del lago è evaporata pesantemente, diventando molto più salata e densa. Quando sono arrivate finalmente le piogge autunnali, queste hanno riversato acqua dolce e leggera sulla superficie. Inveve di affondare e mescolarsi, quest'acqua dolce è rimasta galleggiante sopra l'acqua profonda, densa e salata. I due strati si sono rifiutati di fondersi. Nell'inverno successivo, l'acqua superficiale si è raffreddata, ma non è mai diventata abbastanza fredda da diventare abbastanza pesante da affondare attraverso lo strato salato sottostante. L'acqua profonda, intrappolata sul fondo, è rimasta isolata, calda e priva di ossigeno. Questo stato, noto come meromissi chimica, è persistito ogni anno dal 2018, creando una barriera permanente tra la superficie e le profondità.

Per capire come sia successo questo, il team ha scavato nel passato del lago. Ha estratto un carotaggio di sedimento, un cilindro di fango lungo circa 41 centimetri, che conteneva una storia del lago risalente a circa 300 anni. Analizzando la chimica degli strati di fango, potevano vedere come si era comportato il lago nel corso dei secoli. La registrazione mostrava che il lago non era sempre stato così. Intorno alla metà del XIX secolo, mentre il mondo emergeva da un periodo più freddo noto come la Piccola Era Glaciale, il lago subì il suo primo grande cambiamento. Il clima divenne più caldo e secco, portando a una maggiore evaporazione. Questo cambiamento naturale spinse il lago verso uno stato più salino e più ristretto, segnando un punto di non ritorno naturale in cui il lago divenne meno capace di mescolarsi completamente.

Tuttavia, lo spostamento più recente e più allarmante è avvenuto dopo l'anno 2000. Gli strati di sedimento di questo periodo raccontavano una storia diversa, guidata dalle mani dell'uomo. Il fango mostrava un forte aumento di azoto, un nutriente essenziale per la crescita delle piante ma pericoloso in eccesso. La firma chimica di questo azoto puntava direttamente ai fertilizzanti agricoli e ai rifiuti di bestiame provenienti dalle fattorie che circondano il lago. Allo stesso tempo, gli isotopi del carbonio nel sedimento indicavano un massiccio boom della crescita algale. Il lago era diventato eutrofico, una condizione in cui troppi nutrienti causano una crescita selvaggia di piante e alghe. Quando questi organismi muoiono, affondano sul fondo e vengono consumati dai batteri, un processo che consuma ossigeno. Poiché il lago era già stratificato e l'acqua profonda era isolata dalla superficie, questo consumo di ossigeno ha creato una zona permanente e priva di ossigeno sul fondo. I ricercatori hanno scoperto che questo non era solo una fluttuazione naturale; era un punto di non ritorno antropico senza precedenti, dove l'agricoltura intensiva, combinata con il cambiamento climatico, ha spinto il lago in uno stato nuovo e instabile.

Lo studio ha esaminato anche lo zolfo, un altro elemento presente nel letto di gesso del lago. La storia chimica dello zolfo nel fango ha mostrato una chiara transizione. Per secoli, gli isotopi dello zolfo hanno indicato un sistema che si mescolava e ciclava l'ossigeno. Ma man mano che il lago si muoveva verso la sua condizione attuale, il record dello zolfo è cambiato, riflettendo uno spostamento verso un ambiente più stagnante ed evaporativo. Questa evidenza chimica, combinata con i dati sulla temperatura e i picchi di azoto, ha confermato che il lago aveva superato una linea. Non stava più solo reagendo al meteo; era entrato in un nuovo regime in cui l'acqua profonda era permanentemente isolata.

Le implicazioni di questa scoperta si estendono ben oltre un singolo lago montano. I ricercatori sostengono che il Lago Estanya sia un segnale di avvertimento per altri laghi carsici nella regione mediterranea. Questi sono laghi formati in aree di calcare o gesso, spesso bassi e sensibili all'evaporazione. Se una siccità prolungata concentra i sali nell'acqua profonda, e una successiva pioggia crea uno strato fresco sopra, il lago può rimanere intrappolato in questo stato stratificato. Una volta che ciò accade, l'acqua profonda diventa una "capsula del tempo" della siccità precedente, trattenendo alte concentrazioni di sale e sostanze chimiche tossiche. Se il lago rimane in questo stato, la mancanza di ossigeno può portare al rilascio di composti tossici dal sedimento, danneggiando potenzialmente l'intero ecosistema.

Il team sottolinea che, sebbene il primo spostamento nel XIX secolo sia stato guidato da cambiamenti climatici naturali, la situazione attuale è diversa. La combinazione di modelli meteorologici estremi e l'uso intensivo di fertilizzanti agricoli ha creato una tempesta perfetta. Il lago è ora in uno stato in cui è altamente produttivo in superficie ma morto sul fondo. I ricercatori suggeriscono che senza cambiamenti urgenti nella gestione del territorio circostante, specificamente riducendo la quantità di deflusso di fertilizzanti, il lago potrebbe non essere in grado di recuperare. La finestra per prevenire questo danno irreversibile si sta chiudendo. Comprendendo il momento preciso in cui il lago ha superato il suo punto di non ritorno, gli scienziati sperano di fornire un modello per proteggere questi fragili ecosistemi. La storia del Lago Estanya è un chiaro promemoria del fatto che, quando il cambiamento climatico e l'attività umana lavorano insieme, possono spingere i sistemi naturali in territori nuovi e pericolosi, cambiando la natura stessa dell'acqua di cui facciamo affidamento.