Simulando impactos de tempestades de gelo em ecossistemas florestais

As tempestades de gelo são uma importante perturbação natural que pode ter impactos de curto e longo prazo no meio ambiente e na sociedade. Tempestades de gelo intensas são problemáticas porque danificam árvores e culturas, interrompem as concessionárias e prejudicam estradas e outras infraestruturas^1,2. As condições perigosas que as tempestades de gelo criam podem causar acidentes resultando em ferimentos e fatalidades². Tempestades de gelo são caras; perdas financeiras médias de US $ 313 milhões por ano nos Estados Unidos (EUA)³, com algumas tempestades individuais excedendo US $ 1 bilhão⁴. Nos ecossistemas florestais, as tempestades de gelo podem ter consequências negativas, incluindo redução do crescimento e mortalidade de árvores^5,,6,,7, aumento do risco de incêndio e proliferação de pragas e patógenos^8,,9,,10. Eles também podem ter efeitos positivos sobre as florestas, como o crescimento aprimorado das árvores sobreviventes⁵ e o aumento da biodiversidade¹¹. Melhorar nossa capacidade de prever impactos de tempestades de gelo nos permitirá nos preparar melhor e responder a esses eventos.

Tempestades de gelo ocorrem quando uma camada de ar úmido, que está acima do congelamento, substitui uma camada de ar subcongelante mais perto do solo. Chuva caindo da camada mais quente de supercools de ar à medida que passa pela camada fria, formando gelo de esmalte quando depositado em superfícies subcongelantes. Nos EUA, essa estratificação térmica pode resultar de padrões climáticos sinópticos característicos de regiões específicas^12,13. A chuva gelada é mais comumente causada por frentes árticas que se movem para sudeste através dos EUA à frente de fortes anticiclones¹³. Em algumas regiões, a topografia contribui para as condições atmosféricas necessárias para tempestades de gelo através da represagem de ar frio, um fenômeno meteorológico que ocorre quando o ar quente de uma tempestade de entrada substitui o ar frio que se entrincheira ao lado de uma cadeia de montanhas^14,15.

Nos EUA, tempestades de gelo são mais comuns no “cinturão de gelo” que se estende do Maine ao oeste do Texas^16,17. Tempestades de gelo também ocorrem em uma região relativamente pequena do Noroeste do Pacífico, especialmente ao redor da Bacia do Rio Columbia de Washington e Oregon. Grande parte dos EUA experimenta pelo menos alguma chuva congelante, com as maiores quantidades no Nordeste, onde as áreas mais propensas ao gelo têm uma mediana de sete ou mais dias de chuva congelante (dias durante os quais ocorreram pelo menos uma observação por hora de chuva congelante) anualmente¹⁶. Muitas dessas tempestades são relativamente pequenas, embora ocorram tempestades de gelo mais intensas, embora com intervalos de recorrência muito mais longos. Por exemplo, na Nova Inglaterra, a faixa na espessura do gelo radial é de 19 a 32 mm para tempestades com um intervalo de recorrência de 50 anos¹⁸. Evidências empíricas indicam que as tempestades de gelo estão se tornando mais frequentes nas latitudes do norte e menos frequentes ao sul^19,,20,21. Espera-se que essa tendência continue com base em simulações de computador usando projeções futuras de mudanças climáticas^22,23. No entanto, a falta de dados e compreensão física dificultam a detecção e o projeto de tendências em tempestades de gelo do que outros tipos de eventos extremos²⁴.

Uma vez que as grandes tempestades de gelo são relativamente raras, elas são desafiadoras para estudar. É difícil prever quando e onde elas ocorrerão, e geralmente é impraticável “perseguir” tempestades para fins de pesquisa. Consequentemente, a maioria dos estudos de tempestades de gelo foram avaliações pós-hoc não planejadas ocorrendo na sequência de grandes tempestades. Esta abordagem de pesquisa não é ideal devido à incapacidade de coletar dados da linha de base antes de uma tempestade. Além disso, pode ser difícil encontrar áreas não afetadas para comparação com áreas danificadas quando tempestades de gelo cobrem uma grande extensão geográfica. Em vez de esperar que tempestades naturais ocorram, abordagens experimentais podem oferecer vantagens porque permitem um controle próximo sobre o tempo e intensidade dos eventos de gelo e permitem condições de referência adequadas para avaliar claramente os efeitos.

Abordagens experimentais também representam desafios, especialmente em ecossistemas florestais. A altura e largura das árvores e do dossel as torna difíceis de manipular experimentalmente, em comparação com pastagens de baixa estatura ou arbustos. Além disso, a perturbação das tempestades de gelo é difusa, tanto verticalmente através do dossel da floresta quanto através da paisagem, o que é difícil de simular. Sabemos de apenas um outro estudo que tentou simular impactos de tempestades de gelo em um ecossistema florestal²⁵. Neste caso, um rifle foi usado para remover até 52% da coroa em uma cabana de pinheiro loblolly em Oklahoma. Embora este método tenha produzido resultados característicos de tempestades de gelo, não é eficaz na remoção de galhos maiores e não faz com que as árvores se desbingam, o que é comum com tempestades de gelo naturais. Embora nenhum outro método experimental tenha sido usado para estudar tempestades de gelo especificamente, existem alguns paralelos entre nossa abordagem e outros tipos de manipulações de distúrbios florestais. Por exemplo, a dinâmica das lacunas tem sido estudada pela derrubada de árvores individuais²⁶, invasões de pragas florestais por árvores de cinta²⁷e furacões podando²⁸ ou derrubando árvores inteiras com um guincho e cabo²⁹. Dessas abordagens, a poda imita mais de perto os impactos da tempestade de gelo, mas é trabalhosa e cara. As outras abordagens causam mortalidade de árvores inteiras, em vez da quebra parcial de membros e galhos típicos de tempestades de gelo naturais.

O protocolo descrito neste artigo é útil para imitar de perto tempestades de gelo naturais e envolve pulverizar água sobre o dossel da floresta durante condições de subcongelamento para simular eventos de gelo de esmalte. O método oferece vantagens sobre outros meios porque os danos podem ser distribuídos relativamente uniformemente em florestas sobre uma grande área com menos esforço do que podar ou derrubar árvores inteiras. Além disso, a quantidade de acreção de gelo pode ser regulada através do volume de água aplicada e selecionando um tempo para pulverizar quando as condições climáticas são propícias para a formação ideal do gelo. Esta nova e relativamente barata abordagem experimental permite o controle sobre a intensidade e a frequência do glacê, que é essencial para identificar limiares ecológicos críticos nos ecossistemas florestais.