Bilanciamento tra domanda e offerta idrica in Occidente, i dati dell’evapotraspirazione sulla piattaforma OpenET

Alla fine del 2022, il 65 percento della zona occidentale degli Stati Uniti era in preda a una grave siccità, conseguenza di una mega siccità durata due decenni nel bacino del fiume Colorado che aveva fatto notizia in tutto il mondo.  Tuttavia, erano le inondazioni, non la siccità, a fare notizia quando abbiamo iniziato la nostra ricerca per questo articolo su OpenET, una nuova e rivoluzionaria piattaforma online pensata per aiutare gli agricoltori e i gestori delle risorse idriche a monitorare e ridurre l’uso dell’acqua nei bacini idrografici in cui le scorte non riuscivano a soddisfare la domanda:

L’inizio del 2023 ha portato inondazioni in molte contee della California, lasciando il 68 percento dello stato improvvisamente con poca o nessuna siccità. E ha spinto Forrest Melton, il NASA Project Scientist per OpenET e Associate Program Manager per l’agricoltura e le risorse idriche con il programma NASA Earth Action, a mettere in pausa la nostra intervista video dopo che un albero è caduto fuori dalla sua casa nella Bay Area in una giornata piovosa di marzo 2023.  Rientrato online dopo aver chiamato i vigili del fuoco, Melton non sembrava troppo ottimista sul fatto che le condizioni di bagnato sarebbero durate. “La California tende a oscillare tra i due estremi di siccità e inondazioni“, ha detto Melton. Ha fatto riferimento all’inverno 2016/17 che ha avuto precipitazioni particolarmente elevate ma è stato seguito da condizioni di siccità negli anni successivi, prima del sollievo portato dalle forti piogge e dalle inondazioni all’inizio del 2023.  Secondo il National Integrated Drought Information System della NOAA, ci vorrà più di un inverno umido per ricostituire le falde acquifere in molte parti degli Stati Uniti occidentali. I livelli delle falde acquifere nella Central Valley della California e in molte parti dell’acquifero di Ogallala continuano a diminuire. La necessità di una migliore gestione delle acque rimane essenziale, e tuttavia i dati necessari a supportare nuovi approcci non sono stati ampiamente disponibili.  Entra in gioco il progetto OpenET, uno sforzo multidisciplinare e collaborativo per rendere disponibili al pubblico i dati sull’evapotraspirazione (ET) basati sui satelliti. Melton descrive il progetto come un fornitore di dati inestimabili e scientificamente solidi a tutte le scale, “che possono essere utilizzati per supportare il processo decisionale quotidiano e la pianificazione a lungo termine per cercare di risolvere alcune sfide di gestione idrica davvero importanti e di lunga data nell’Occidente”.

Che cosa è l’evapotraspirazione?

L’evapotraspirazione è il processo combinato di evaporazione e traspirazione, entrambi i quali trasferiscono l’acqua dalla superficie terrestre all’atmosfera sotto forma di vapore acqueo. L’evaporazione trasforma l’acqua dalla superficie del terreno o dei corpi idrici in vapore acqueo, mentre la traspirazione è vapore acqueo che evapora dai tessuti vegetali e fuoriesce attraverso gli stomi, i minuscoli pori nelle foglie e negli steli delle piante. È un processo che avviene quasi sempre intorno a noi, ma poiché il vapore acqueo è invisibile all’occhio umano, è molto difficile misurarlo sul terreno. Per comprendere l’effetto che l’evapotraspirazione ha su un ciclo idrico locale, immagina una grande fontana decorativa. In genere, queste fontane riciclano la stessa acqua più e più volte. Quando una fontana funziona, l’acqua viene pompata fuori dalle teste della fontana, ricade nella vasca della fontana e poi scorre di nuovo attraverso il sistema di tubature prima di ricominciare il processo. Possiamo pensare all’acqua che rimane nel sistema idrico locale di questa fontana come a un uso non consumistico dell’acqua. Tuttavia, una parte dell’acqua verrà persa dal sistema idrico locale della fontana evaporando dalla superficie della piscina o dalla nebbia dello spruzzo della fontana. Immagina che la fontana abbia anche delle ninfee che crescono nella sua vasca. Le ninfee useranno l’acqua della fontana per sopravvivere e crescere, perdendone parte per traspirazione. L’acqua totale persa è evapotraspirazione, ed è considerata consumo di acqua, perché non può essere riutilizzata dalla fontana. Il monitoraggio dell’evapotraspirazione può dirti quanta acqua viene rimossa o “impoverita” da un sistema idrico locale, e quanta acqua deve essere aggiunta di nuovo per supportare la crescita delle piante e mantenere un sano equilibrio tra fornitura e utilizzo di acqua. Se troppa acqua esce dalla fontana, smetterà di funzionare. Se viene aggiunta troppa acqua, traboccherà.   Questi concetti possono essere applicati più ampiamente al ciclo idrologico nel suo complesso, e i dati sull’evapotraspirazione possono svolgere un ruolo importante nella progettazione e nell’implementazione di pratiche di gestione idrica sostenibili per combattere problemi più grandi come la siccità, nonché riduzioni a breve e lungo termine della disponibilità di acqua. Storicamente, i dati sull’evapotraspirazione sono stati ottenuti da strumenti e metodi basati a terra, come i lisimetri di pesatura, che pesano il terreno e le piante per tracciare il volume d’acqua perso per evaporazione o traspirazione. Un altro metodo comune è chiamato eddy covariance, che calcola la quantità di vapore acqueo trasportato via dalla superficie terrestre dai vortici del vento mentre si muovono attraverso la superficie terrestre. Ma entrambi sono costosi e difficili da installare e mantenere, e le misurazioni sono rappresentative solo di una piccola porzione di un singolo campo agricolo. È proibitivo raccogliere queste misurazioni su aree più grandi.  

Cosa rende OpenET diverso?

Il team di OpenET ha visto l’importante nicchia lasciata aperta dai tradizionali metodi di misurazione dell’evapotraspirazione e l’ha riempita. Hanno sfruttato decenni di ricerca finanziata da NASA, USDA e USGS e hanno sviluppato una nuova piattaforma che può prendere dati facilmente accessibili e già disponibili da programmi satellitari, come Landsat, e combinarli con dati meteorologici per calcolare l’ET per ogni quarto di acro di terra. I satelliti possono registrare informazioni come la temperatura della superficie terrestre e quanta luce in arrivo dal sole viene riflessa nello spazio. OpenET è in grado di utilizzare modelli matematici basati sulla fisica per combinare i dati satellitari e meteorologici e produrre dati accurati sui tassi e sui volumi di evapotraspirazione. Queste informazioni vengono poi rese facilmente accessibili tramite Data Explorer di OpenET, uno strumento gratuito basato sul Web che consente a chiunque disponga di una connessione Internet di accedere ai dati forniti da OpenET. Gli utenti iniziano selezionando un’area di interesse da una mappa degli Stati Uniti occidentali che fornisce dati alla risoluzione satellitare di un quarto di acro, e anche suddivisi in aree di interesse note e singoli campi agricoli, ciascuno codificato a colori con una mappa termica dell’evapotraspirazione. I colori più freddi indicano tassi più elevati di evapotraspirazione mentre i colori più caldi indicano tassi più bassi. Gli utenti possono ingrandire aree specifiche sulla mappa e, con un semplice clic, viene visualizzato un grafico che mostra le tendenze dell’evapotraspirazione per una determinata area, per l’anno in corso e per gli ultimi cinque anni.  Il grafico può mostrare le tendenze ET mensili, utili per comprendere le fluttuazioni stagionali, e anche le tendenze cumulative, utili per comprendere i cambiamenti annuali nell’evapotraspirazione. “Il team di OpenET ha adottato un approccio di progettazione guidato dall’utente fin dall’inizio e ogni elemento di Data Explorer e dei servizi di dati aperti è lì perché un gestore idrico o un agricoltore lo ha chiesto“, ha spiegato Melton. Mentre giocavamo con la mappa, è diventato evidente quanto lavoro fosse stato impiegato nello sviluppo di questo progetto. Gli scienziati dovevano migliorare i modelli e valutare l’accuratezza dei dati, i programmatori dovevano sviluppare l’interfaccia utente e i servizi di dati, i designer dovevano rendere l’interfaccia sufficientemente intuitiva da avere un impatto, i gruppi agricoli e ambientalisti dovevano aiutare a convalidare l’accuratezza del modello e gli utenti di tutti i tipi dovevano fornire requisiti e quindi testare il prodotto per assicurarsi che le loro esigenze fossero effettivamente soddisfatte. 

Il consorzio OpenET comprende NASA, USGS, USDA Agricultural Research Service (ARS), Environmental Defense Fund (EDF), Google Earth Engine, California State University Monterey Bay (CSUMB), Desert Research Institute (DRI), Habitat Seven, Chapman University, Cornell University, University of Nebraska-Lincoln e circa una dozzina di altre università ed esperti negli Stati Uniti. Il NASA Ames Research Center e il CSUMB hanno svolto un ruolo chiave nella leadership scientifica e tecnica dell’iniziativa fin dall’inizio, lavorando a stretto contatto con DRI, EDF e la recentemente costituita organizzazione non-profit OpenET, Inc. Inoltre, oltre 100 partner della comunità della gestione delle risorse idriche, dell’agricoltura e della conservazione hanno fornito i requisiti utente e hanno assistito nella progettazione e nel collaudo della piattaforma e degli strumenti OpenET.

“OpenET non sarebbe possibile senza il contributo di ciascuno di questi partner“, ha affermato Melton. “Sia dal lato dell’implementazione che da quelli che stanno traducendo i dati di OpenET in soluzioni a sfide di lunga data”.  Modelli come quelli integrati in OpenET possono essere strumenti estremamente utili per comprendere i modelli di ET e utilizzo dell’acqua, ma sono utili solo se si conosce la loro accuratezza. Il team scientifico di OpenET ha recentemente completato la più grande valutazione dell’accuratezza fino ad oggi per i dati ET basati su satellite su scala di campo, confrontando i dati satellitari con le misurazioni basate a terra in oltre 150 siti negli Stati Uniti. Guidato da John Volk del Desert Research Institute, lo studio è stato pubblicato su Nature Water all’inizio di quest’anno. Una scoperta chiave è stata che in tutti i siti, un valore di ensemble calcolato da sei diversi modelli ET ha funzionato meglio in generale, sfruttando i punti di forza di ogni singolo modello guidato da satellite.  Tuttavia, lo studio ha anche scoperto che alcuni modelli hanno funzionato meglio per particolari tipi di colture o regioni, il che è un’informazione importante per i gestori delle risorse idriche e gli agricoltori che necessitano dei dati più accurati possibili. Pubblicare i risultati come studio ad accesso aperto con tutti i dati e le analisi resi disponibili al pubblico è stato anche importante per creare fiducia nei dati. Mentre lo studio ha evidenziato alcune limitazioni dei modelli e priorità per la ricerca futura, la valutazione rigorosa e riproducibile dell’accuratezza aiuta a creare fiducia negli utenti che possono utilizzare i dati, pur essendo consapevoli dell’accuratezza prevista per diverse applicazioni dei dati.  

Colmare il divario tra agricoltori e gestori delle risorse

OpenET ha già contribuito a un’importante vittoria per gli agricoltori, che inciderà sul modo in cui l’uso dell’acqua verrà monitorato e segnalato nel delta del Sacramento-San Joaquin.  Questo delta fluviale interno copre 750.000 acri ed è un’importante risorsa idrica in California, ma una in cui la domanda accelerata combinata con la perdita di habitat e i problemi di qualità dell’acqua ha portato a grandi preoccupazioni. Nel Delta, ampie porzioni di terreno agricolo sono sotto il livello del mare. Gli argini proteggono i campi e contengono i canali fluviali che forniscono acqua per l’irrigazione. Nel 2023, lo stato ha iniziato a richiedere agli agricoltori di mantenere un contatore dell’acqua o un dispositivo di misurazione su ogni deviazione, dove l’acqua viene deviata da un fiume per l’irrigazione. Tuttavia, questa misurazione si è rivelata impegnativa e costosa poiché ci sono migliaia di deviazioni nel Delta e l’attrezzatura di misurazione era imprecisa e difficile da mantenere in questo ambiente. Inoltre, gli utenti dell’acqua hanno anche dovuto pagare i contatori nei punti in cui l’acqua che defluiva dai campi veniva pompata di nuovo sugli argini e nei canali fluviali.

“Per lo più, ciò a cui lo Stato era interessato era l’uso consumistico: quanta (acqua) veniva effettivamente rimossa dalla fornitura in quella regione”, ha detto Melton. “Quindi, è il posto perfetto per usare OpenET perché l’evapotraspirazione è davvero la maggior parte dell’uso consumistico nel Delta, se non tutto”. Dopo il lancio di OpenET, gli agricoltori del Delta hanno collaborato con il Delta Watermaster, il California State Water Resources Control Board, il team OpenET e il Delta Measurement Consortium per sviluppare un piano di conformità alternativo che utilizzasse i dati OpenET per semplificare la rendicontazione obbligatoria dell’uso dell’acqua per questa regione complessa. Una volta approvato il piano di conformità alternativo, Forrest Melton e Will Carrara della NASA hanno collaborato con il Water Resources Control Board dello Stato, il Delta Watermaster e le agenzie di gestione idrica, e Jordan Harding di HabitatSeven per implementare questa soluzione. Il Delta Alternative Compliance Plan , noto anche come Delta ACP, consente agli agricoltori di utilizzare i dati OpenET per stimare il loro uso di acqua, consentendo loro di completare i loro report di utilizzo in pochi minuti. 

“È la prima volta che i dati sull’evapotraspirazione basati sui satelliti vengono automaticamente integrati con un sistema di rendicontazione delle risorse idriche gestito dallo Stato”, ha affermato Melton.  L’anno scorso, oltre il 70% degli agricoltori della regione Bay-Delta ha scelto di utilizzare OpenET e di segnalare il proprio consumo di acqua tramite il sito web Delta ACP e si prevede che questa percentuale continuerà ad aumentare nel tempo.  “La parte migliore è che fa risparmiare agli agricoltori centinaia di ore di preparazione e presentazione di report, evitando milioni di dollari di costi per gli agricoltori per l’installazione e la manutenzione dei contatori e fornendo allo Stato dati coerenti e riproducibili sull’uso dell’acqua che sono stati esaminati e approvati dall’utente dell’acqua”, ha affermato Melton.  Secondo il Delta Watermaster, Jay Ziegler, questo approccio ha un chiaro vantaggio nell’ambiente unico del flusso d’acqua del Delta. “In realtà, OpenET, e l’uso di dati accessibili al pubblico che misurano l’ET, è l’unico modo per discernere realmente l’uso consumistico dell’acqua nel Delta in modo affidabile“, ha affermato Ziegler. “Sinceramente, non abbiamo un “piano B” praticabile in assenza dell’applicazione di Open ET per la rendicontazione dell’uso dell’acqua”.

Acqua oltre i confini

Poiché la scarsità d’acqua sta diventando un problema sempre più urgente in tutto il mondo, è facile immaginare quanti paesi potrebbero trarre vantaggio dai dati OpenET.  La prima partnership internazionale di OpenET è guidata da Anderson Ruhoff , professore di idrologia e telerilevamento presso l’Università Federale del Rio Grande do Sul, in Brasile, dove il suo team ha sviluppato un modello di evapotraspirazione chiamato geeSEBAL per l’Agenzia idrica brasiliana. Ruhoff venne a conoscenza di OpenET mentre era negli Stati Uniti come professore ospite in Nebraska. Ne fu incuriosito e contattò Melton che lo incoraggiò a partecipare a una conferenza imminente a Reno, Nevada, dove OpenET sarebbe stato presentato. La conferenza sarebbe dovuta iniziare di lì a pochi giorni.

“Quindi ho dovuto trovare un biglietto last minute per Reno e sono contento di averlo comprato, perché quando sono arrivato lì mi hanno invitato a unirmi a Open ET. È stata una bella coincidenza“, ha detto Ruhoff, sorridendo mentre ricordava la decisione spontanea. “Abbiamo adattato il nostro modello per gli Stati Uniti e abbiamo iniziato a partecipare al loro lavoro”. A marzo 2024, Ruhoff e OpenET hanno lanciato un’estensione dello strumento, chiamata OpenET Brazil, con il supporto finanziario dell’Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico (ANA), l’agenzia nazionale brasiliana per l’acqua. Lo strumento, chiamato OpenET Brazil, avrà obiettivi simili a OpenET negli Stati Uniti e i dati raccolti contribuiranno a migliorare l’accuratezza complessiva di Open ET. Melton ritiene che questo sarà un “ottimo banco di prova” sia per lavorare con nuove condizioni ambientali (in Brasile c’è spesso più copertura nuvolosa che negli Stati Uniti durante i periodi chiave della stagione di crescita) sia per sviluppare nuove collaborazioni. “La partnership ci aiuterà a capire come possiamo lavorare con partner internazionali per rendere utili i dati ET”, ha affermato Melton. “L’aspetto chiave del nostro approccio all’espansione geografica è che scienziati leader in ogni paese e regione, come il dott. Ruhoff, guideranno l’implementazione, la valutazione dell’accuratezza e lo sviluppo di applicazioni e partnership per il loro paese”. Il Brasile ha una delle più grandi fonti di acqua dolce al mondo, il Rio delle Amazzoni, eppure può ancora essere colpito dalla siccità. Ciò è dovuto in parte al fatto che la deforestazione nella foresta pluviale amazzonica ha un impatto sull’intero ciclo dell’acqua della regione. Gli alberi assorbono l’acqua dal terreno e durante la fotosintesi rilasciano vapore nell’atmosfera. Questo vapore acqueo si accumula e forma precipitazioni. Gli alberi sono “fondamentalmente un’enorme pompa d’acqua”, ha detto Ruhoff, e la foresta pluviale amazzonica è abbastanza grande da aiutare a produrre la stagione delle piogge. Ma quando si consente alla deforestazione di verificarsi su vaste aree, quel meccanismo viene interrotto. Come risultato di questa interruzione, si prevede che la stagione secca si intensificherà, diventando più lunga e secca, il che a sua volta può influenzare la produzione agricola in Brasile e le precipitazioni che sono fondamentali per sostenere le riserve idriche in Brasile e in altre aree del Sud America. “L’acqua non vede confini. Non segue le nostre regole”, ha detto Ruhoff. “La deforestazione in un posto può avere effetti su persone a migliaia di chilometri di distanza”.

Studiare l’evapotraspirazione può rivelare gli impatti della deforestazione con ancora più chiarezza. E, cosa importante, è anche un’informazione pubblica. “Quindi non solo gli agricoltori e i gestori delle risorse idriche, ma ogni cittadino può controllare quanta acqua viene utilizzata nella propria area, specialmente durante la siccità. È un’informazione democratica in questo senso”, ha detto Ruhoff. “Penso che sia importante avere queste informazioni apertamente disponibili e cercare di raggiungere quante più persone possibile”. Melton ritiene che ci sia il potenziale per espandere il progetto, se ci fossero più persone come Ruhoff a guidare il progetto.

“C’è un potenziale enorme, ma devono esserci delle parti interessate che si siedano al tavolo e dicano che questa è una cosa a cui sono interessati”, ha detto Melton. “L’acqua è così importante e a volte così controversa che è davvero importante che i dati siano considerati attendibili. Quando c’è un leader locale, questo aumenta sostanzialmente la probabilità che venga considerato attendibile e, cosa più importante, che venga utilizzato per riunire le persone per sviluppare soluzioni”.