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Come i gas migrano attraverso un lago
25 gennaio 2024 |
La riva del lago è direttamente influenzata dalle attività umane: Le persone nuotano e pescano, l'acqua del fiume entra nel lago e gli inquinanti possono fuoriuscire dalle acque reflue. Finora si riteneva generalmente che un composto rilasciato sulla riva si distribuisse lentamente nel lago e venisse degradato nel corso del processo, in modo da risultare solo leggermente concentrato alla fine e appena rilevabile nelle acque profonde del lago. "Nel nostro progetto dimostriamo che questo non è sempre vero", spiega Tomy Doda, scienziato del gruppo di fisica acquatica di Damien Bouffard presso l'Eawag e autore principale dello studio: "Se c'è una corrente che collega la regione della riva al centro del lago, la sostanza viene trasportata molto più velocemente e raggiunge la regione più profonda del lago prima di essere completamente diluita e decomposta".
Nel caso di un inquinante, ciò può avere conseguenze negative per l'ecosistema del lago. Tuttavia, sono ipotizzabili anche effetti positivi se, ad esempio, i pesci vengono riforniti di ossigeno da questa corrente. "Il risultato più importante del nostro lavoro è che l'idea comune che la regione della riva e il centro del lago siano scollegati l'uno dall'altro deve essere cambiata", afferma Doda.
Correnti di raffreddamento
In gergo tecnico, i ricercatori si riferiscono alla zona costiera di un lago come al litorale e alla regione lontana dalla riva come al pelagico. Una corrente che collega il litorale e il pelagico può essere causata, ad esempio, dal vento e dalle onde. Nel loro studio, tuttavia, Doda e i suoi colleghi hanno analizzato un processo completamente diverso. Si tratta del raffreddamento della superficie del lago durante la notte o nelle fredde giornate invernali, quando l'aria è più fredda dell'acqua del lago. L'acqua raffreddata in superficie è più densa e quindi affonda sul fondo. Questo porta al mescolamento, noto come convezione.
"Succede anche un'altra cosa che è di particolare interesse per noi", spiega Doda: "Poiché il lago è meno profondo vicino alla riva, l'acqua si raffredda molto più velocemente lì che al centro del lago". Di conseguenza, tutta l'acqua vicino alla riva diventa più densa e scende sul fondo del lago verso il centro, come una cascata sottomarina. In superficie si innesca una corrente in direzione opposta, che pareggia il flusso sul fondo del lago.
L'esistenza di questo processo, noto come circolazione convettiva interzonale o sifone termico, è nota da tempo, ma non è mai stato studiato con chiarezza se possa trasportare sostanze lontano dalla riva. "Questo è esattamente ciò che abbiamo fatto nel nostro studio", spiega Doda: "Abbiamo preso in considerazione i gas, ma sarebbe interessante indagare anche il destino di altre sostanze come i nutrienti o gli inquinanti. Abbiamo scelto i gas perché hanno molti effetti sull'ecosistema". L'ossigeno, ad esempio, è vitale per molti organismi. E nella ricerca sul clima si sta cercando di quantificare le emissioni di gas serra dei laghi.
Esperimenti sul Rotsee
I ricercatori dell'Eawag hanno scelto il lago Rotsee, vicino a Lucerna, per le loro misurazioni, perché è particolarmente riparato dal vento, cosa apprezzata anche dai canottieri durante le regate internazionali che spesso vi si svolgono. Il team di ricerca ha trascorso due giorni e due notti fredde sul lago a novembre, installando sensori sul fondo del lago per misurare la velocità e la temperatura dell'acqua ed effettuando misurazioni da una piattaforma e da una barca.
Per scoprire se il gas viene effettivamente trasportato attraverso il sifone termico, i ricercatori hanno dapprima utilizzato il gas nobile krypton, che hanno convogliato nel lago nella zona della riva. Grazie alle misurazioni effettuate in vari punti, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che il gas nobile viaggiava dal litorale alla zona pelagica con la corrente. Per rilevare il gas, il team ha utilizzato uno spettrometro di massa portatile sviluppato dallo spin-off dell'Eawag "Gasometrix GmbH" per questo tipo di indagini.
Le misurazioni sul lago Rotsee sono state effettuate ininterrottamente per 48 ore, giorno e notte, nel mese di novembre. I ricercatori hanno lavorato a turni. (Foto: a sinistra: Damien Bouffard, Eawag; a destra: Guillaume Cunillera)
In una seconda fase, il team di Doda ha monitorato l'ossigeno presente in natura. Al momento delle misurazioni, questo gas aveva una concentrazione più alta nella regione della riva rispetto al centro del lago. "Dovrebbe quindi comportarsi in modo simile al krypton iniettato", spiega lo scienziato: "Abbiamo effettuato le stesse misurazioni e siamo stati in grado di dimostrare che la corrente ha trasportato anche l'ossigeno nella zona pelagica". L'ultimo gas analizzato dal gruppo è stato il metano. La sua concentrazione è risultata più elevata al centro del lago rispetto alla regione costiera. In effetti, le misurazioni effettuate in vari punti hanno dimostrato che il metano in superficie veniva trasportato nella direzione opposta, cioè dal pelagico al litorale.
Particolarmente interessante è stata anche la velocità di spostamento dei gas. "Questo trasporto è dieci volte più veloce di quello che ci si aspetterebbe se non si includesse questo flusso", afferma Doda: "Crediamo quindi che questo processo debba essere preso in considerazione negli studi futuri".
Campagna di misurazione video di 24 ore sul Rotsee
Video Lake surface cooling drives littoral-pelagic exchange of dissolved gases (Science Advances paper)
Immagine di copertina: il gruppo di ricerca dell'Eawag ha effettuato misurazioni approfondite sul trasporto dei gas nell'acqua del lago su una barca e una piattaforma nel Rotsee (Foto: Tomy Doda, Eawag).
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