Un nuovo studio, guidato dal ricercatore del CMCC Giacomo Nicolini, offre nuovi sviluppi su una delle sfide più persistenti nelle scienze degli ecosistemi e del clima: quando si misurano gli scambi di energia tra ecosistemi e atmosfera, una parte dell’energia risulta sistematicamente non contabilizzata. Questo fenomeno influisce sull’utilizzabilità delle misure e introduce incertezze, in particolare nelle applicazioni dei modelli. I risultati dimostrano inoltre come osservazioni standardizzate su scala globale possano contribuire a risolvere anche problemi scientifici complessi e di lunga data.

Da oltre vent’anni, gli scienziati che utilizzano la tecnica dell’eddy covariance – il metodo di riferimento a livello mondiale per misurare gli scambi di calore, vapore acqueo e anidride carbonica tra ecosistemi e atmosfera – osservano che i flussi energetici misurati non corrispondono completamente all’energia disponibile in superficie. In genere, tra il 20% e il 40% dell’energia sembra “mancare” nelle misurazioni. Questa discrepanza ha sollevato dubbi sull’accuratezza e sull’interpretazione di dati ampiamente impiegati nella ricerca sul clima, nel monitoraggio della siccità, nella contabilizzazione del carbonio e nei modelli del sistema Terra.

Grazie ai dati standardizzati e liberamente accessibili di due grandi infrastrutture di ricerca ambientale – l’Integrated Carbon Observation System (ICOS) in Europa, in particolare la sua rete dedicata agli ecosistemi, e il National Ecological Observatory Network (NEON) negli Stati Uniti – i ricercatori hanno potuto combinare misure raccolte in decine di ecosistemi diversi e realizzare una delle analisi più complete mai condotte sul cosiddetto problema della chiusura del bilancio energetico. È inoltre la prima volta che viene realizzata una sintesi così coerente e armonizzata dei dati ICOS e NEON.

Le reti di osservazione a lungo termine favoriscono importanti progressi nella ricerca sul clima

Lo studio, pubblicato sulla rivista Global Change Biology, evidenzia il ruolo fondamentale delle reti di osservazione ambientale di alta qualità, standardizzate e corredate da metadati completi per il progresso della ricerca sul clima e sugli ecosistemi. Nell’ultimo decennio, ICOS ha sviluppato una delle infrastrutture di monitoraggio degli ecosistemi più rigorose e armonizzate al mondo, producendo serie temporali standardizzate di lungo periodo, con elaborazione centralizzata e trasparente dei dati, rigorosi controlli di qualità e una documentazione dettagliata dei metadati su una rete di siti distribuiti a scala continentale. Uno sforzo analogo è stato realizzato da NEON in Nord America, ampliando ulteriormente le possibilità di verificare queste ipotesi scientifiche in ecosistemi e condizioni climatiche molto differenti.

Questa combinazione ha consentito ai ricercatori di confrontare in modo coerente decine di siti e distinguere i reali processi ecosistemici dagli effetti introdotti dalla strumentazione o dalle procedure di elaborazione dei dati.

“Senza questo livello di armonizzazione e di accesso aperto ai dati sarebbe stato impossibile stabilire se lo squilibrio energetico osservato da tempo fosse dovuto principalmente ai processi fisici degli ecosistemi o, invece, alle differenze nei metodi di misura e di elaborazione dei dati”, spiega Dario Papale, professore dell’Università della Tuscia e Direttore dell’ICOS Ecosystem Thematic Centre (ETC). “Solo grazie a misure e procedure armonizzate possiamo distinguere in maniera affidabile ciò che dipende dalla fisica degli ecosistemi da ciò che è invece legato alla metodologia.”

Gran parte dell’energia “mancante” è spiegata dalle modalità di misura e di elaborazione dei dati

Il nuovo studio mostra che una parte significativa dello squilibrio energetico non è dovuta a limiti della tecnica di misura in sé, bensì a una contabilizzazione incompleta dell’energia temporaneamente immagazzinata negli ecosistemi. Una misurazione e una stima più accurate dell’energia accumulata sotto forma di calore nel suolo, nella vegetazione e nell’aria, dell’energia impiegata nella fotosintesi, unite a procedure rigorose e oggettive di controllo e pulizia dei dati, hanno portato a un sostanziale miglioramento del bilancio energetico, arrivando in alcuni casi alla sua completa chiusura.

“Per anni il problema dello squilibrio energetico ha rappresentato un’importante fonte di incertezza nelle misure dei flussi ecosistemici”, afferma Giacomo Nicolini, ricercatore del CMCC e Data Scientist presso l’ICOS Ecosystem Thematic Centre. “Questo lavoro dimostra che una parte significativa del problema può essere ridotta attraverso una contabilizzazione più completa dei flussi energetici e procedure di elaborazione dei dati più rigorose, chiarendo al tempo stesso quali siano i limiti fisici che rimangono inevitabili.”

Anche dopo aver considerato tutti i termini aggiuntivi di accumulo dell’energia, in molti siti permane tuttavia uno squilibrio residuo. Secondo i ricercatori, questo è probabilmente dovuto a processi atmosferici che non possono essere completamente rilevati dalle sole misure effettuate tramite torri di osservazione, come i grandi moti turbolenti e gli spostamenti d’aria che avvengono su scale spaziali più ampie. Comprendere questa quota residua di “energia mancante” rappresenta comunque un importante passo avanti, perché consente di definire in modo più realistico i margini di incertezza di una delle tecniche di monitoraggio degli ecosistemi più utilizzate al mondo.

Informazioni sullo studio

Articolo: Bridging the energy balance gap in eddy-covariance measurements: insights from standardized network data
Rivista: Global Change Biology
DOI: https://doi.org/10.1111/gcb.70892

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