Simulazione degli impatti delle tempeste di ghiaccio sugli ecosistemi forestali

Riepilogo

Le tempeste di ghiaccio sono eventi meteorologici importanti che sono difficili da studiare a causa delle difficoltà nel prevedere il loro verificarsi. Qui, descriviamo un nuovo metodo per simulare tempeste di ghiaccio che comporta l'spruzzo di acqua su un baldacchino della foresta durante le condizioni di sottocongelamento.

Abstract

Le tempeste di ghiaccio possono avere effetti profondi e duraturi sulla struttura e sulla funzione degli ecosistemi forestali nelle regioni che sorprendono condizioni di congelamento. I modelli attuali suggeriscono che la frequenza e l'intensità delle tempeste di ghiaccio potrebbero aumentare nei prossimi decenni in risposta ai cambiamenti climatici, aumentando l'interesse per la comprensione del loro impatto. A causa della natura stocastica delle tempeste di ghiaccio e delle difficoltà nel prevedere quando e dove si verificheranno, la maggior parte delle indagini passate sugli effetti ecologici delle tempeste di ghiaccio si sono basate su studi di casi a seguito di forti tempeste. Poiché le intense tempeste di ghiaccio sono eventi estremamente rari, è poco pratico studiarli in attesa del loro verificarsi naturale. Qui presentiamo un nuovo approccio sperimentale alternativo, che coinvolge la simulazione di eventi di ghiaccio smalto su appezzamenti forestali in condizioni di campo. Con questo metodo, l'acqua viene pompata da un ruscello o da un lago e spruzzata sopra il baldacchino della foresta quando le temperature dell'aria sono al di sotto dello zero. L'acqua piove e congela a contatto con superfici fredde. Mentre il ghiaccio si accumula sugli alberi, i boli e i rami si piegano e si rompono; che possono essere quantificati attraverso confronti con supporti di riferimento non trattati. L'approccio sperimentale descritto è vantaggioso perché consente il controllo sulla tempistica e la quantità di ghiaccio applicato. La creazione di tempeste di ghiaccio di diversa frequenza e intensità consente di identificare le soglie ecologiche critiche necessarie per prevedere e preparare gli impatti delle tempeste di ghiaccio.

Introduzione

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.

Protocollo

1. Sviluppare il progetto sperimentale

1. Determinare l'intensità e la frequenza della glassa in base a valori realistici.
2. Determinare le dimensioni e la forma dei grafici.
   1. Se l'obiettivo è valutare le risposte degli alberi, selezionare una dimensione del tracciato sufficientemente grande da includere più alberi e la maggior parte dei loro sistemi di radici, che varia a seconda di fattori come le specie di alberi e l'età.
   2. Per motivi di sicurezza, progettare i lotti in modo che l'intera area del tracciato possa essere spruzzata dall'esterno del contorno.
   3. Lo spazio trame abbastanza distanti tra loro (ad esempio, 10 m) in modo che un trattamento in un grafico non influisca su un altro.
   4. Stabilire una zona cuscinetto (ad esempio, 5 m) intorno ai terreni per ridurre gli effetti del bordo e garantire una distribuzione più uniforme della copertura del ghiaccio.
   5. Stabilire sottotrame all'interno dei grafici più grandi per esigenze di campionamento specifiche.
3. Decidere il numero di grafici replicati.

2. Selezionare e stabilire un luogo di studio

1. Selezionare un supporto forestale omogeneo con caratteristiche simili, come la composizione delle specie arboree, terreni, litologia e idrologia.
2. Selezionare una posizione per l'applicazione in un'area in cui è possibile accedere a una fonte d'acqua durante l'inverno.
3. Assicurarsi che l'approvvigionamento idrico sia adeguato per l'applicazione del ghiaccio in base al tasso di pompaggio e ad altri fattori quali il diametro del tubo flessibile, la lunghezza del tubo, l'ugello utilizzato e la pressione dell'acqua.
4. Contrassegnare il limite dei grafici, della zona cuscinetto e delle sottotrame.
5. Conduci un inventario completo della foresta con descrizioni delle condizioni di salute degli alberi, incluse le valutazioni degli alberi morti, morenti e danneggiati. Inoltre, registrare eventuali fattori di stress potenziali (ad esempio, prove di danni da insetti o malattie) per aiutare a interpretare la risposta al trattamento del ghiaccio.
6. Se si utilizzano UTV per spruzzare acqua, creare sentieri percorribili lungo i lati dei lotti, facendo attenzione a ridurre al minimo i disturbi.
7. Una volta che i lotti sono stabiliti, assegnare casualmente un trattamento a ogni trama e tipo di campionamento che sarà condotto in ogni sottotrama (ad esempio, detriti di legno grossolano, lettiera fine, campioni di suolo).

3. Tempistica dell'applicazione

1. Selezionare un intervallo di tempo appropriato per eseguire l'irrorazione.
2. Eseguire l'esperimento quando le condizioni atmosferiche sono favorevoli (ad esempio, quando la temperatura dell'aria è inferiore a -4 gradi centigradi e la velocità del vento è inferiore a 5 m/s).
3. Se si spruzza di notte, distribuire luci ad alta potenza intorno al bordo dei terreni ed eseguirle sui generatori se l'elettricità non è disponibile.

4. Impostare l'approvvigionamento idrico

1. Impostare una pompa di alimentazione presso la fonte d'acqua e collegare un tubo di aspirazione.
2. Collegare un colino alla fine del tubo di aspirazione per tenere i detriti fuori dalle linee.
3. Sfondare qualsiasi ghiaccio di superficie e sommergere completamente il colino. La profondità minima dell'approvvigionamento idrico deve essere di circa 20 cm.
4. Posizionare una pompa di richiamo nel letto di un UTV per migliorare la pressione dell'acqua. In alcuni casi, una pompa di richiamo potrebbe non essere necessario, soprattutto per la vegetazione a bassa statura.
5. Eseguire un tubo antincendio dalla pompa di alimentazione alla pompa di richiamo.
6. Utilizzare un monitor antincendio per consentire un controllo sicuro e manuale sul tubo ad alta pressione. Il monitor può essere libero in piedi o montato sul retro di un UTV.
7. Evitare situazioni che possono interrompere il flusso di acqua come pieghe nel tubo, prelievo di acqua alla fonte di alimentazione, e l'esaurimento della benzina per le pompe.

5. Creare il ghiaccio

1. Creare ghiaccio spruzzando acqua verticalmente attraverso le fessure del baldacchino. Assicurarsi che l'acqua si estenda sopra l'altezza del baldacchino in modo che si depositi verticalmente e si congeli a contatto con superfici sub-congelanti. Evitare di rimuovere rami e corteccia dagli alberi come l'acqua viene spruzzata verso l'alto.
2. Distribuisci uniformemente lo spray sul baldacchino della foresta guidando lentamente l'UTV avanti e indietro lungo il bordo dell'area di applicazione. Se si utilizzano monitor indipendenti, spostarli manualmente per assicurarsi che la copertura sia uniforme.
3. Tenere traccia dei tempi dell'applicazione per aiutare a determinare fattori come le condizioni meteorologiche durante l'applicazione e il volume di acqua spruzzata.

6. Misurare l'accrescimento del ghiaccio

1. Effettuare misurazioni di calibro a terra dello spessore del ghiaccio radiale su rami o ramoscelli di livello inferiore vicino al bordo dell'area di applicazione per monitorare l'accrescimento del ghiaccio durante l'applicazione e determinare quando lo spessore di destinazione è stato raggiunto.
2. Ottenere stime più accurate dell'accrescimento del ghiaccio con i raccoglitori di ghiaccio passivi dopo l'applicazione (Figura 1).
   1. Prima dell'applicazione, costruire raccoglitori di ghiaccio passivi con due tasselle orientati su tre assi cardinali³⁰ per creare collettori con sei bracci componenti.
   2. Tagliare 2,54 cm dowels ad una lunghezza di 30 cm.
   3. Unire gli wels con un connettore in acciaio a 6 vie.
   4. Utilizzare un arborista gettare peso per corda cavo paracadute su rami robusti che possono sopportare il carico di ghiaccio.
   5. Attaccare i raccoglitori di ghiaccio passivi al cavo e sollevarli nel baldacchino.
   6. Una volta completata l'applicazione, abbassare i collettori a terra, facendo attenzione a non perdere ghiaccio dal collettore.
   7. Effettuare misurazioni verticali e orizzontali dello spessore del ghiaccio con pinze in più posizioni sul collettore (ad esempio, tre misure verticali e tre orizzontali in tre posizioni lungo ciascun braccio) prima e subito dopo l'applicazione del ghiaccio.
   8. Calcolare lo spessore del ghiaccio su ogni collettore come differenza tra le misurazioni prima e dopo l'applicazione.
   9. Per determinare lo spessore del ghiaccio con il metodo del volume d'acqua, utilizzare una sega reciproca per tagliare ogni wel.
   10. Portare gli orditi in un edificio riscaldato, metterli in secchi e lasciare che il ghiaccio si sciolga a temperatura ambiente.
   11. Misurare il volume dell'acqua di disgelo con un cilindro graduato.
   12. Calcolare lo spessore del ghiaccio in base al volume dell'acqua e alla densità del ghiaccio³¹.

7. Considerazioni sulla sicurezza

1. Rimanere ben al di fuori dell'area di trattamento del ghiaccio durante l'irrorazione perché i carichi di ghiaccio possono causare la rottura e la caduta di rami e arti.
2. Indossare cappelli duri o caschi per fornire protezione durante l'applicazione del ghiaccio e durante qualsiasi campionamento che si verifica nell'area trattata dopo l'applicazione.
3. Utilizzare un monitor per stabilizzare il tubo durante l'irrorazione.
4. Vestirsi in modo appropriato per condizioni pericolose e condizioni congelanti. Indossare abiti luminosi e visibili. Preparatevi a trascorrere lunghi periodi in condizioni umide e fredde indossando attrezzi da pioggia e strati di vestiti caldi. Portare più cambi di vestiti, soprattutto per il personale che sono designati per spruzzare.
5. Se si lavora in una posizione remota, impostare una tenda riscaldante temporanea dotata di un riscaldatore portatile.
6. Consentire al personale di avere un tempo adeguato per le pause, il cambio di vestiti bagnati, e affrontare i problemi che sorgono con le attrezzature, ecc.
7. Utilizzare le radio per comunicare tra il personale durante l'esperimento. Mantenere il contatto con il personale di una stazione base.
8. Sviluppare un piano di sicurezza in caso di emergenze mediche. Disporre di personale medico (ad esempio, tecnici medici di emergenza) e attrezzature e forniture di emergenza in loco durante l'esperimento.

Risultati

Una simulazione di tempesta di ghiaccio è stata eseguita in una foresta di boscheggi settentrionali di 70-u2012100 anni presso l'Hubbard Brook Experimental Forest nel new hampshire centrale (43'56'56'N', 71'45'W). L'altezza del supporto è di circa 20 m e le specie arboree dominanti nell'area dell'applicazione del ghiaccio sono faggio americano (Fagusfoli grandia), acero di zucchero (Acer saccharum), acero rosso (Acer rubrum) e betulla gialla (Betula alleghaniensis). Sono stati stabil...

Discussione

È fondamentale eseguire simulazioni sperimentali di tempeste di ghiaccio in condizioni meteorologiche appropriate per garantirne il successo. In uno studio precedente³⁰, abbiamo scoperto che le condizioni ottimali per l'irrorazione sono quando le temperature dell'aria sono inferiori a -4 gradi centigradi e le velocità del vento sono inferiori a 5 m/s. Le tempeste di ghiaccio naturali si verificano più comunemente quando le temperature dell'aria sono leggermente inferiori al congelamento (-1 a 0...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Booster pump	Waterax	BB-4-23P	401 L min-1 maximum flow; 30.3 bar maximum pressure
Firefighting hose	ATI Forest Products	Forest-Lite G55H1F50N	3.8 cm diameter, polyester, single jacket
Monitor (ground placement)	Task Force Tips	Blitzfire XX111A	2000 L min-1 maximum flow; fits 3.8 cm hose
Monitor (UTV mount)	Potter Roemer	Fire Pro FP1S-125	1325 L min-1 maximum flow; fits 3.8 cm hose
Nozzle	Crestar	ST2675	Smooth bore; double stacked; 3.8 cm intake; 1.3 cm orifice
Strainer	Northern Tool	107902	7.6 cm hose fitting, 17.6 cm outside diameter
Suction hose	JGB Enterprises	A007-0489-1615	7.6 cm diameter; 4.6 m long
Water pump	NorthStar	106471E	665 L min-1; fits 7.6 cm hose