Simulazione degli impatti delle tempeste di ghiaccio sugli ecosistemi forestali

Le tempeste di ghiaccio sono un importante disturbo naturale che può avere un impatto sia a breve che a lungo termine sull’ambiente e sulla società. Le intense tempeste di ghiaccio sono problematiche perché danneggiano alberi e colture, interrompono le utenze e danneggiano le strade e altre infrastrutture^1,,2. Le condizioni pericolose che le tempeste di ghiaccio creano possono causare incidenti con conseguenti lesioni e morti². Le tempeste di ghiaccio sono costose; perdite finanziarie in media 313 milioni di dollari all’anno negli Stati Uniti (USA)³, con alcune tempeste individuali superiori a 1 miliardo di dollari⁴. Negli ecosistemi forestali, le tempeste di ghiaccio possono avere conseguenze negative, tra cui la riduzione della crescita e la mortalità degli alberi^5,6,7, aumento del rischio di incendio e la proliferazione di parassiti e patogeni^8,9,10. Possono anche avere effetti positivi sulle foreste, come una maggiore crescita degli alberi sopravvissuti⁵ e una maggiore biodiversit๹. Migliorare la nostra capacità di prevedere gli impatti delle tempeste di ghiaccio ci permetterà di prepararci e rispondere meglio a questi eventi.

Le tempeste di ghiaccio si verificano quando uno strato di aria umida, che è al di sopra del congelamento, prevale su uno strato di aria sottogelante più vicina al suolo. La pioggia che cade dallo strato più caldo di aria supercools come passa attraverso lo strato freddo, formando ghiaccio smalto quando depositato su superfici sub-congelamento. Negli Stati Uniti, questa stratificazione termica può derivare da modelli meteorologici sinottici che sono caratteristici di regioni specifiche^12,13. Il congelamento della pioggia è più comunemente causato dai fronti artici che si muovono verso sud-est attraverso gli Stati Uniti davanti ai forti anticicloni¹³. In alcune regioni, la topografia contribuisce alle condizioni atmosferiche necessarie per le tempeste di ghiaccio attraverso la diga dell’aria fredda, un fenomeno meteorologico che si verifica quando l’aria calda di una tempesta in arrivo prevale sull’aria fredda che si radica lungo una catena montuosa^14,15.

Negli Stati Uniti, le tempeste di ghiaccio sono più comuni nella “cintura di ghiaccio” che si estende dal Maine al Texas occidentale^16,17. Tempeste di ghiaccio si verificano anche in una regione relativamente piccola del Pacifico nord-occidentale, specialmente intorno al bacino del fiume Columbia di Washington e Oregon. Gran parte degli Stati Uniti sperimenta almeno qualche pioggia gelida, con la maggior quantità nel nord-est dove la maggior parte delle aree soggette a ghiaccio hanno una mediana di sette o più giorni di pioggia gelata (giorni durante i quali si è verificata almeno un’osservazione oraria della pioggia gelata) ogni anno¹⁶. Molte di queste tempeste sono relativamente minori, anche se si verificano tempeste di ghiaccio più intense, anche se con intervalli di recidiva molto più lunghi. Ad esempio, nel New England, l’intervallo nello spessore del ghiaccio radiale è compreso tra 19 e 32 mm per le tempeste con un intervallo di ricorrenza di 50 anni¹⁸. Le prove empiriche indicano che le tempeste di ghiaccio stanno diventando più frequenti alle latitudini settentrionali e meno frequenti a sud^19,20,21. Questa tendenza dovrebbe continuare sulla base di simulazioni al computer utilizzando le future proiezioni sui cambiamenti climatici^22,23. Tuttavia, la mancanza di dati e la comprensione fisica rendono più difficile individuare e proiettare le tendenze nelle tempeste di ghiaccio rispetto ad altri tipi di eventi estremi²⁴.

Poiché le grandi tempeste di ghiaccio sono relativamente rare, sono difficili da studiare. È difficile prevedere quando e dove si verificheranno, ed è generalmente impraticabile “inseguire” le tempeste per scopi di ricerca. Di conseguenza, la maggior parte degli studi sulle tempeste di ghiaccio sono state valutazioni post-hoc non pianificate che si sono verificate in seguito a grandi tempeste. Questo approccio di ricerca non è ideale a causa dell’incapacità di raccogliere dati di base prima di una tempesta. Inoltre, può essere difficile trovare aree non interessate per il confronto con le aree danneggiate quando le tempeste di ghiaccio coprono una grande estensione geografica. Invece di aspettare che si verifichino tempeste naturali, gli approcci sperimentali possono offrire vantaggi perché consentono uno stretto controllo sulla tempistica e l’intensità degli eventi di ghiaccio e consentono condizioni di riferimento adeguate per valutare chiaramente gli effetti.

Anche gli approcci sperimentali pongono sfide, soprattutto negli ecosistemi forestali. L’altezza e la larghezza degli alberi e del baldacchino li rende difficili da manipolare sperimentalmente, rispetto alle praterie o agli arbusti di bassa statura. Inoltre, il disturbo da tempeste di ghiaccio è diffuso, sia verticalmente attraverso il baldacchino della foresta e attraverso il paesaggio, che è difficile da simulare. Conosciamo solo un altro studio che ha tentato di simulare gli impatti delle tempeste di ghiaccio in un ecosistema^{forestale 25}. In questo caso, un fucile è stato utilizzato per rimuovere fino al 52% della corona in un chiosco di pino loblolly in Oklahoma. Anche se questo metodo ha prodotto risultati che sono caratteristici delle tempeste di ghiaccio, non è efficace a rimuovere rami più grandi e non causa gli alberi a piegarsi, che è comune con le tempeste di ghiaccio naturali. Anche se non sono stati utilizzati altri metodi sperimentali per studiare specificamente le tempeste di ghiaccio, ci sono alcuni parallelismi tra il nostro approccio e altri tipi di manipolazioni per disturbo forestale. Ad esempio, le dinamiche di gap sono state studiate abbattendo singoli alberi²⁶, invasioni di parassiti forestali da alberi cintura²⁷, e gli uragani da potatura²⁸ o tirando giù interi alberi con un verricello e cavo²⁹. Di questi approcci, la potatura imita più da vicino gli impatti delle tempeste di ghiaccio, ma è laboriosa e costosa. Gli altri approcci causano la mortalità di alberi interi, piuttosto che la rottura parziale di arti e rami che è tipica delle tempeste di ghiaccio naturali.

Il protocollo descritto in questo documento è utile per imitare da vicino le tempeste di ghiaccio naturali e prevede l’spruzzo di acqua sul baldacchino della foresta durante le condizioni di sub-congelamento per simulare gli eventi di ghiaccio smaltato. Il metodo offre vantaggi rispetto ad altri mezzi perché i danni possono essere distribuiti in modo relativamente uniforme in tutte le foreste su una vasta area con meno sforzo rispetto alla potatura o all’abbattimento di alberi interi. Inoltre, la quantità di accrescimento del ghiaccio può essere regolata attraverso il volume di acqua applicata e selezionando un tempo per spruzzare quando le condizioni atmosferiche sono favorevoli per la formazione ottimale del ghiaccio. Questo nuovo e relativamente poco costoso approccio sperimentale consente di controllare l’intensità e la frequenza della formazione di ghiaccio, che è essenziale per identificare le soglie ecologiche critiche negli ecosistemi forestali.