Riscaldamento delle acque profonde nei laghi italiani: un ... - CNR

Riscaldamento delle acque profonde nei laghi
italiani: un indicatore di cambiamenti climatici
W. Ambrosetti, L. Barbanti, E.A. Carrara
Istituto per lo Studio degli Ecosistemi, CNR, Verbania, Italia
w.ambrosetti@ise.cnr.it
SOMMARIO: Nell’ipolimnio del Lago Maggiore (z max =370m) è stato individuato uno strato d’acqua che contiene
una memoria climatica questa è stata determinata nella sua collocazione spazio-temporale e nella sua
dimensione energetica in base alla profondità di mescolamento invernale, agli scambi di calore entro la
massa lacustre ed alle correlazioni K Z -N 2 durante la stratificazione estiva. La presenza di tale strato è stata
rilevata anche in altri laghi italiani e dalla loro evoluzione appare visibile un andamento pressoché identico.
Il quadro osservato è simile a quello delle serie storiche di temperatura dell’acqua rilevata in altri laghi e
mari del mondo e suggerisce che si tratti di un fenomeno che si manifesta su ampia scala e che può essere
interpretato nell’ottica di un cambiamento climatico attualmente in atto. Ciò comporta per i laghi italiani un
isolamento dell’ipolimnio profondo favorendo la stagnazione ed il conseguente processo di meromissi.
1 PROBLEMA SCIENTIFICO
In seguito al cambiamento climatico in atto
sulla Terra, anche le grandi masse lacustri
hanno visto mutati i rapporti tra le varie forme
di energia di scambio che avvengono tra la
loro superficie e l’atmosfera sovrastante.
Conseguentemente, si sono alterati anche i
rapporti all’interno delle masse d’acqua con
modificazioni sostanziali dell’idrodinamica
durante il ciclo annuo, con effetti negativi sull’ecosistema
lago. I segnali che evidenziano
queste modifiche sono già evidenti anche se il
loro livello è ancora tale che in alcuni laghi potrebbero
rientrare in una naturale variabilità
climatica. Certo che se le spinte al disequilibrio
atmosferico prevarranno, si potrebbero innestare
pericolose e incontrollabili conseguenze
con mutamenti particolarmente evidenti alle
medie latitudini, quelle proprie dei laghi profondi
italiani: nelle loro acque infatti, si è assistito,
in questi ultimi 50 anni, ad un notevole e
progressivo incremento del loro contenuto
energetico, soprattutto negli strati profondi.
Lo studio dei contenuti calorici nei grandi laghi,
soprattutto se disponibili per un lungo periodo
di tempo, risultano quindi essere buoni indicatori
del riscaldamento globale in atto, al pari di
altri quali il ritiro dei ghiacciai, l’aumento della
desertificazione e del livello del mare.
2 ATTIVITÀ DI RICERCA
Serie storiche di dati sono state raccolte
dall’Istituto degli Ecosistemi del CNR di
Pallanza, coprono circa 50 anni e riguardano
la temperatura, l’ossigeno disciolto e altre variabili
chimiche misurate con cadenza mensile
e/o decadica da 0 a 370 metri di profondità
nelle acque del Lago Maggiore; esse possono
essere considerate tra le più lunghe esistenti in
questo campo. Sono altresì disponibili le serie
giornaliere dei parametri meteorologici ed
idrologici, innescanti i fenomeni idrodinamici
e responsabili dei processi di scambio di energia
all’interno della massa d’acqua. È stato
fatto uso di un modello matematico per la determinazione
della profondità raggiunta dal
mescolamento verticale invernale e si è provveduto
ad un aggiornamento dei dati del Lago
Maggiore e di altri laghi italiani per la verifica
di particolari fenomeni di circolazione interna.
Con la collaborazione di Bob Banens
(University of NEA, Australia) è stato messo a
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Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNR
punto un programma (LIMNOX), che ha permesso
di determinare la distribuzione metro
per metro dalla superficie al fondo del contenuto
di calore, nonché della stabilità e del lavoro
del vento anche negli altri laghi profondi
della zona pre-alpina (Orta, Como, Iseo e
Garda) dove sono già evidenti sintomi di variabilità
legati ai mutamenti climatici. Inoltre
attraverso un modello matematico CFD
(Computational Fluid Dynamics) si è eseguita
una simulazione dell’idrodinamica lacustre a
partire dallo scambio energetico entro il lago e
con l’atmosfera (Ambrosetti et al., 2006).
3 RISULTATI
Valutate le quantità energetiche in gioco nei
processi di stratificazione e destratificazione
termica, nonché le profondità di mescolamento
invernale (determinanti per identificare gli
strati di lago potenzialmente interessati al ricambio
idrico), si è visto che negli ultimi 50
anni e, in particolare, a partire dalla metà
degli anni ottanta è aumentata sensibilmente
la stabilità della massa d’acqua e si sono ridotte
le profondità raggiunte dal mescolamento
convettivo invernale proprio nel momento
in cui nel lago viene a formarsi la cosiddetta
“massa d’acqua nuova”. All’incremento del
lavoro necessario alla piena circolazione delle
acque, per l’aumento di temperatura entro
tutta la colonna d’acqua, si è affiancato un minore
effetto destabilizzante invernale esercitato
dall’azione delle forze esterne. È quindi venuta
a mancare l’energia cinetica necessaria al
processo di destratificazione che è progressivamente
diminuita nell’ultimo ventennio.
Le profondità di mescolamento verticale
(Fig. 1), essenzialmente dovute ai movimenti
convettivi innescati durante la fase di raffreddamento
sono state valutate nel Lago
Maggiore per il periodo 1951-2007 sulla base
della distribuzione verticale della temperatura
dell’acqua, delle concentrazioni di ossigeno
disciolto, di nitrati e silicati utilizzati come
traccianti; è stata anche messa a punto una
formulazione che individua le forze meteorologiche
che intervengono nel processo e cioè
Figura 1. Profondità di mescolamento verticale delle
acque del Lago Maggiore per moti convettivi alla fine
dell’inverno limnologico nel periodo 1963-2007.
la quantità giornaliera di vento filato, la differenza
fra le temperature medie giornaliere
dell’acqua superficiale e dell’aria e la radiazione
solare attraverso un parametro M.
(Ambrosetti e Barbanti, 1999).
Come si può osservare in Figura 1 ad un ciclo
di 7 anni riscontrabile sino al 1970 è succeduto
un periodo di 36 anni nel quale lo strato
mescolato invernale per moti convettivi non
ha superato i 200 metri di profondità. Da sottolineare
il fatto che la piena circolazione del
1956 è avvenuta con una temperatura dell’acqua
su tutta la colonna di 5,8 °C, mentre nel
1963 è stata di 5,9 °C e nel 1970 di 6,0 °C; il
processo è avvenuto nel 2006 a 6,22°C. Con
l’uso della stepwise multiple regression si è
potuto verificare che il parziale mescolamento
degli anni dal 1970 al 1980 fu dovuto principalmente
ad una diminuzione di vento filato
sulla superficie del lago mentre nella seconda
fase (1987-2006) esso è invece da accreditare
ad un incremento della temperatura dell’aria
rispetto a quella dell’acqua superficiale. E’
una prima constatazione del fatto che nel
corso di questi ultimi 50 anni si è verificato un
notevole accumulo di calore entro tutta la
massa d’acqua del Lago Maggiore negli anni
dal 1963 al 2006: il suo andamento mostra la
presenza di un evidente ciclo stagionale molto
netto ed un trend generale in ascesa (Fig. 2).
Sulla base delle profondità raggiunte dal mescolamento
verticale al termine dell’anno limnologico,
del bilancio termico annuo, nonché
della distribuzione lungo la verticale del contenuto
calorico e del rapporto tra il logaritmo
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Impatti dei cambiamenti climatici
Figura 2. Andamento del contenuto totale di calore nelle
acque del Lago Maggiore nel periodo 1963 2006.
Figura 3: Andamento della memoria climatica contenuta
nei Laghi profondi italiani, Maggiore (strato compreso
mediamente tra 150-370m), Garda (180-350m) e Orta
(75-143m). I valori del Lago d’Orta sono riferiti all’asse
di destra.
del coefficienti di mescolamento verticale
(K z ) e il logaritmo della frequenza di galleggiamento
di Brunt-Vaisala (N 2 ) nel periodo
Aprile-Agosto, si sono valutate le profondità
di scambio percentuale del calore annuo all’interno
della massa d’acqua dei laghi profondi
(Ambrosetti e Barbanti, 1999)
Attraverso questa procedura si è potuto isolare
nella parte di lago sotto il livello ove K z e
N 2 si equivalgono, uno strato che è stato denominato
ipolimino profondo e che ha la possibilità
di mantenere una sorta di “memoria
climatica”. L’andamento del suo contenuto
energetico mostra variazioni che si adeguano
ad una scala dei tempi comparabile con quella
delle variazioni climatiche permettendo
così di conoscere la risposta degli ecosistemi
lacustri ai mutamenti del clima e di stabilire
che tipo di legame ci sia tra climate forcing e
la risposta del lago (Ambrosetti e Barbanti,
1999; Ambrosetti e Sala, 2006).
L’ andamento del contenuto energetico di questo
strato nei Laghi Maggiore (z max =370m),
Garda (z max =350m) e Orta (z max =143m) dal
1963 al 2006, rappresentato in Figura 3, è in
continua ascesa e mostra delle variazioni
energetiche che si adeguano ad una scala dei
tempi più lunga di quella stagionale e comparabile
alle ricorrenze di eventi meteorologici
importanti.
Dal confronto dell’evoluzione temporale
delle “memorie climatiche” nei tre bacini considerati
risulta un andamento pressoché identico,
con un generale trend crescente e con variazioni,
positive e/o negative, che si manifestano
contemporaneamente e che corrispondono
a particolari eventi idrometeorologici.
Particolarmente evidenti sono quelle del
1981, 1991 e 2005, i primi due causati da eccezionali
eventi idrologici mentre nel 2005 da
un inverno eccezionalmente freddo. Le memorie
climatiche dei laghi profondi sud alpini
italiani, così come la loro idrodinamica,
hanno quindi andamenti paralleli, il che significa
che gli stessi eventi meteorologici si sono
manifestati con le stesse modalità su tutti i
corpi lacustri sud alpini e quindi è da ipotizzare
una loro azione su scala regionale. Ma gli
stessi trend sono stati riconosciuti oltre che
nelle memorie climatiche dei laghi di Como
(z max =410 m) e Iseo (z max = 251 m), sempre
appartenenti al distretto lacustre dell’Italia
settentrionale, anche nelle serie storiche di
temperatura nelle acque profonde in laghi
posti al centro Italia, a nord delle Alpi, nell’i-
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Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNR
polimnio del Lago Vittoria (Africa equatoriale)
e in laghi Australiani. Molte analogie sono
state inoltre riscontrate per l’evento invernale
del 1981 nel Mediterraneo (Betthoux et al.,
1990) al di sotto dei 2000 metri di profondità,
nonché nel mare della Groenlandia (Bonisch
et al., 1998) tra 200 e 2000 metri di profondità.
È da ritenere di conseguenza che i processi
idrodinamici che si verificano nelle acque
dei corpi lacustri italiani siano dipendenti da
situazioni climatiche che si manifestano su
ampia scala e che possano essere interpretate
nell’ottica di un cambiamento climatico globale
attualmente in atto sulla Terra.
4 PROSPETTIVE FUTURE
Il riscaldamento della massa lacustre, la riduzione
progressiva del mescolamento completo
e dell’omogeneizzazione della colonna
d’acqua, già verificatosi nell’ultimo ventennio,
in seguito all’incremento della temperatura
atmosferica che allunga notevolmente il
tempo di ricambio delle acque dei laghi, potrà
determinare un ulteriore isolamento dell’ipolimnio
profondo, favorendo la stagnazione ed
il conseguente processo di meromissi già in
atto nei laghi di Lugano e Idro e accertato recentemente
anche nell’Iseo (Ambrosetti e
Barbanti, 2005). Anche se alcuni eventi esterni,
come abbiamo visto, possono alterare l’incremento
del trend in ascesa della memoria
climatica, un ritorno alla situazione dei primi
anni è assai improbabile: si è infatti valutato il
lavoro necessario per un completo mescolamento
invernale a 5,8 °C, come avvenuto nel
1963 e si è visto che non è possibile per le
forze esterne, con l’attuale incremento termico
atmosferico, porlo in atto. Di conseguenza
il materiale particolato e disciolto riciclato
dagli strati profondi verso quelli superficiali
viene ridotto, la densità negli strati più depressi
aumenta per cui la qualità dell’acqua
non può che subire un peggioramento a danno
della conservazione dei laghi, del loro utilizzo
e della loro gestione.
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