Dai misteri climatici alle zone morte, un modello informatico in evoluzione affronta gli enigmi ecologici di Puget Sound

Puget Sound – il mare interno di Washington – è un luogo misterioso.
È il fiordo più meridionale dei 48 stati inferiori.
È alimentato da fiumi che creano bassi fondali marini.
In altri punti si tuffa più di 900 piedi di profondità, dandogli tratti oceanici, ma non scorre liberamente dentro e fuori dall'Oceano Pacifico.
L'ingresso principale e l'uscita nel Sound sono relativamente stretti e poco profondi, creando una sorta di vasca da bagno che limita lo scambio di acqua di mare e fauna selvatica.
Il suono si trova ad affrontare serie sfide.
Le amate orche locali sono in allarmante declino, la popolazione umana e le sue auto, le strade e gli edifici inquinanti stanno crescendo e gli effetti dannosi dei cambiamenti climatici incombono in grande.
Ma gli scienziati stanno utilizzando un sofisticato strumento di modellizzazione computerizzata per svelare alcuni dei complessi puzzle di Puget Sound e attivare azioni che possono aiutare a salvaguardare l'iconica via navigabile nord-ovest.
"Ora siamo in una posizione in cui è possibile rispondere ad alcune domande veramente importanti in Puget Sound", ha dichiarato Joel Baker, direttore del Puget Sound Institute dell'Università di Washington.
Uno dei risultati più sorprendenti e pieni di speranza viene da uno studio recentemente pubblicato sui cambiamenti climatici.
Prevede che il suono potrebbe in qualche modo andare un po 'meglio dell'Oceano Pacifico se si considerano gli effetti dannosi di un mondo più caldo.
Il modello Salish Sea è stato costruito dagli scienziati dell'ufficio di Seattle del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), parte del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Il responsabile del programma PNNL Tarang Khangaonkar ha lanciato il progetto nel 2008 in collaborazione con il Dipartimento di ecologia dello stato.
Il loro obiettivo era quello di creare un modello ampiamente utile e integrato in un processo collaborativo e trasparente.
Gli scienziati possono utilizzare il modello per testare le teorie su come le sostanze chimiche e le creature si muovono attraverso Puget Sound, modificando input diversi per comprendere eventi passati e futuri.
Il modello è stato usato per trovare condizioni favorevoli per gli squali nativi di sei briganti, guidare il restauro nel delta del fiume Stillaguamish e studiare la riproduzione delle ostriche.
Il lavoro iniziale è iniziato con un ampio indovinello.
Negli ultimi decenni, le persone hanno osservato decessi regolari di pesci nel Puget Sound.
Quando si verifica un evento, i pesci morti sporcano le spiagge, i granchi e normalmente i solitari si radunano vicino alla riva, e i sommozzatori riferiscono che le anguille lupo “ansimanti” cercano di catturare abbastanza aria con le loro branchie.
Gli scienziati sapevano che la causa della morte – il livello di ossigeno nell'acqua stava scendendo a livelli letali – ma lo schema dei luoghi in cui si verificava "ipossia", o basso ossigeno, era sconcertante.
Quando gli scienziati hanno cercato di capire perché alcune aree sono state colpite più duramente con le zone morte, Khangaonkar ha dichiarato: "Nessuno è riuscito a capire perché".
Alla ricerca della causa del soffocamento Il modello comprende ciò che è noto come il Mare Salish, che abbraccia Puget Sound, il San Isole Juan, uno stretto che corre verso la punta nord-occidentale di Washington e le acque al largo della costa orientale dell'isola di Vancouver.
I ricercatori hanno anche incluso un tratto di acque al largo che si estende a sud lungo la costa di Washington, oltre la foce del fiume Columbia.
Le prime serie del modello potevano creare condizioni di basso ossigeno, ma l'ipossia era ovunque, non solo i punti caldi osservati in Hood Canal e altre insenature e insenature specifiche.
Il modello includeva strati di dati provenienti da più fonti per creare maree, correnti, condizioni meteorologiche, caratteristiche geografiche sottomarine, litorali, temperatura dell'acqua, pH e salinità.
L'ecologia ha fornito dati sui nutrienti che sono confluiti nel Puget Sound da 99 impianti di trattamento delle acque reflue, scarichi industriali e altri punti, oltre a 161 flussi che si svuotano nel mare.
Ma anche con tutte queste informazioni, il modello Salish Sea non è stato in grado di ricreare le condizioni passate di ipossia.
Quindi i ricercatori hanno aggiunto dati sul fondo sabbioso e fangoso di Puget Sound.
Il modello ha funzionato, rivelando un fattore chiave dell'ipossia.
"A meno che non si tenga conto di tutto", ha detto Khangaonkar, "non è possibile indovinare il motivo".
Gli scienziati hanno capito che le alghe si stavano riproducendo in grandi fioriture che alla fine sono morte, affondate e marcite nel sedimento sul fondo del mare.
Le piante in decomposizione tirarono fuori l'ossigeno dall'acqua.
Il risultato all'inizio non era necessariamente intuitivo.
Mentre erano vive, le alghe rilasciavano ossigeno, come fanno le piante, quindi non erano un ovvio colpevole di ipossia.
Quella conclusione "ha portato a un bel po 'di dibattito", ha detto Khangaonkar.
Ma ha anche aiutato i ricercatori a pensare in modo più strategico a quali fonti di inquinamento devono essere frenate per impedire loro di fertilizzare essenzialmente le alghe con sostanze nutritive.
Ciò include gli impianti di trattamento delle acque reflue, i sistemi settici del litorale che perdono e i prodotti chimici del prato.
Il modello ha evidenziato il fatto che Puget Sound non è ben drenato dall'acqua dell'oceano, intrappolando e riciclando gli inquinanti nel mare interno.
I funzionari con Ecology stanno usando questi risultati per aggiornare le normative sull'inquinamento basate sulla ricerca scientifica.
"Questo modello non è una scatola nera", ha dichiarato Cristiana Figueroa-Kaminsky, responsabile dell'inquinamento e della modellistica per l'ecologia.
È basato su codice open source con input da numerose agenzie e istituzioni accademiche, ha detto.
Baker della UW ha concordato che si tratta di un modello solido e ha aggiunto che l'università ha anche il modello LiveOcean che può fare previsioni limitate su diversi problemi nel Sound e nel Pacifico.
"Sono buoni come qualsiasi modello al mondo", ha detto Baker.
"Senza i numeri che temi" Con il successo del lavoro a livello di ossigeno, Khangaonkar e il suo team erano pronti ad affrontare una domanda più grande: cosa accadrà a Puget Sound mentre il pianeta continua a riscaldarsi? I ricercatori hanno deciso di guardare decenni avanti al 2095.
Hanno aggiunto informazioni da un modello nazionale e hanno eseguito la simulazione usando una traiettoria che presume che l'umanità segua il percorso di uno scenario peggiore e fa poco per ridurre l'inquinamento causato dal riscaldamento globale.
Ancora una volta, il modello ha generato alcune previsioni sorprendenti.
Le condizioni dell'acqua di Puget Sound sono fortemente influenzate dallo scioglimento del manto nevoso delle montagne circostanti.
Quell'acqua scorre dai fiumi, arrossendo il mare interno.
Il clima più caldo sta riducendo il manto nevoso annuale e riducendo il deflusso primaverile ed estivo.
Gli esperti temevano che la circolazione del suono fosse interrotta.
"Se in futuro la forza del rossore dovesse calare, porterebbe a un catastrofico fallimento del nostro ecosistema", ha affermato Khangaonkar.
Poiché Puget Sound è un corpo idrico relativamente piccolo, ci si potrebbe aspettare che andrebbe peggio dell'Oceano Pacifico.
Ma il modello, mettendo insieme gli effetti dell'innalzamento del livello del mare, i cambiamenti nella salinità e altri fattori, ha predetto un futuro in cui l'acqua nei bacini profondi di Puget Sound avrebbe continuato a circolare, agitando l'acqua.
Ciò lo renderebbe più fresco, meno acido e più ossigenato rispetto al Pacifico.
"Il cambiamento climatico porta molte scoperte controintuitive", ha affermato Baker.
Inondazioni, tuttavia, è un'altra preoccupazione.
Khangaonkar e il suo team hanno pubblicato i risultati dei cambiamenti climatici a maggio in una rivista scientifica.
"Senza i numeri che temi …
che cosa ci farà?", Ha detto.
Il modello lascia intravedere.
"Piuttosto che speculare, puoi semplicemente esaurirlo e ottenere la risposta." Risolvere un enigma tossico Per circa due decenni, gli scienziati Jim West e Sandie O'Neill hanno assaggiato la fauna selvatica di Puget Sound, monitorando la quantità di inquinamento che trasportano.
Un focus principale sono stati i PCB, una famiglia di prodotti chimici industriali di lunga durata banditi 40 anni fa.
Da allora, milioni di dollari sono stati spesi per cancellarli da Puget Sound.
Eppure sono ancora qui.
PCB o bifenili policlorurati si presentano nella fauna selvatica residente, tra cui aringhe del Pacifico, salmone Chinook, foche del porto e orche.
La cosa particolarmente strana dei PCB è che i loro livelli sono stabili o addirittura in aumento in alcune creature marine, mentre altri inquinanti stanno diminuendo.
Sebbene le concentrazioni dei PCB nei sedimenti e nell'acqua siano così basse che a volte non sono rilevabili, sono molto più elevate nei pesci, nelle foche e nelle balene.
La matematica non si somma.
"Sta succedendo qualcosa in cui i PCB stanno entrando nell'ambiente e molti di loro stanno finendo nella rete alimentare pelagica [o marina]", ha dichiarato O'Neill, che lavora con West presso il Dipartimento per i pesci e la fauna selvatica di Washington.
Le sostanze chimiche possono interrompere la crescita del salmone Chinook, il cibo preferito delle orche locali, e si ritiene che minaccino direttamente le orche danneggiando il loro sistema immunitario e la capacità di riprodursi.
Una delle principali teorie su come i tossici entrano nella rete alimentare marina è che le sostanze chimiche si depositano nei sedimenti, vengono consumate da organismi microscopici e si fanno strada lungo la catena alimentare.
Ma sembra che stia succedendo qualcos'altro in Puget Sound.
Sembra che le fonti montane di PCB trovate in fonti come calafataggio industriale, trasformatori elettrici e terreni contaminati siano ancora inondate nel mare.
West e O'Neill sospettano che alcuni dei PCB vengano risucchiati nella catena alimentare direttamente dall'acqua prima ancora che si depositino nel fango.
Esistono un paio di modi in cui i PCB possono spostarsi dall'acqua aperta alla vita marina.
I prodotti chimici sono lipofili, nel senso che amano attaccare i grassi, che include l'esterno di batteri e alghe.
I PCB possono anche essere risucchiati dal microscopico zooplancton che galleggia nella colonna d'acqua.
Poiché quei piccoli organismi vengono mangiati da piccoli pesci che vengono mangiati da pesci più grandi che vengono mangiati dai mammiferi marini, i PCB si muovono attraverso la catena alimentare verso predatori più grandi.
I loro livelli aumentano quando i tossici vengono immagazzinati nel grasso corporeo e le madri possono trasmettere i PCB ai loro bambini attraverso il loro latte.
Quando gli animali muoiono e decadono, i PCB vengono riciclati nella catena alimentare attraverso creature più piccole.
Mentre l'ipotesi ha senso, gli scienziati hanno bisogno di più dati per dimostrarlo.
Sono ansiosi di individuare le fonti di inquinamento e i percorsi di movimento al fine di chiudere il rubinetto PCB.
E per le orche locali, la cui popolazione è scesa dagli alti nel 200 a soli 73 animali, il tempo sta per scadere.
Quando Khangaonkar ha suggerito una collaborazione, West e O'Neill hanno colto al volo l'occasione.
Ora hanno risultati per la prima fase della loro ricerca, che ha incluso il lavoro con scienziati UW, e stanno iniziando un altro studio che mette in relazione il modello con gli inquinanti nel plancton.
Il modello Salish Sea ha il potenziale per "informarci su dove stanno entrando i PCB nella catena alimentare, quindi puoi fare qualcosa al riguardo", ha detto O'Neill.
Potrebbe identificare i punti caldi per la pulizia che potrebbero avvantaggiare maggiormente la vita marina.
"Non è possibile ripulire l'intero bacino del Puget Sound", ha aggiunto.
"È troppo." È proprio il tipo di progetto di cui Khangaonkar si entusiasma.
"Abbiamo sviluppato questo [modello] affinché tutti possano utilizzarlo", ha affermato.
"E quando le persone sono interessate ad usarlo, c'è un forte impegno a lavorare effettivamente con loro e farlo accadere." Nota del redattore: Il finanziamento per la serie Impact di GeekWire è fornito dalla Fondazione Famiglia Singh a sostegno del giornalismo di servizio pubblico.
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