Trecerea de la sare la apă dulce este turbulentă, vulnerabilă și incredibil de abundentă

Leii de mare încetează să mai urle și alunecă, unul câte unul, de pe debarcader în apa maro-mocha a râului Fraser, lângă Vancouver, British Columbia. Suprafața apei este netedă, cu excepția unei linii de valuri care se mișcă încet în sus. Leii de mare par să știe că suprafața calmă contrazice turbulența de dedesubt.

unde

Valea tocmai s-a întors și o limbă de apă sărată se târăște mai întâi, apoi galopează, înapoi în Fraser la doar câteva ore după ce a fost expulzată de un flux puternic în timpul refluxului anterior. Deși suprafața pare calmă, intersecția subacvatică a apei dulci și a apei sărate fierbe cu vârtejuri turbulente la fel de puternice ca oricare din ocean. Confuzia apei învârtite și a sedimentelor suspendate dezorientează somonul legat de acasă, oferind un festin ușor leilor de mare.

Nu toate râurile se termină la fel de dramatic ca Fraser. Dar amestecul cursurilor de apă dulce și râurilor cu mareele sărate ale oceanului într-un corp de apă parțial închis - oamenii de știință din natură îl numesc un estuar - alimentează unele dintre cele mai productive ecosisteme de pe Pământ, precum și unele dintre cele mai vulnerabile.

Cu mult înainte de apariția civilizației, primii oameni au recunoscut recompensa estuarului și au făcut din aceste regiuni un punct focal pentru locuirea umană. Din păcate, supra-dezvoltarea, utilizarea slabă a terenului și secole de contaminare industrială au afectat majoritatea estuarelor. Portul Boston, Golful San Francisco și râul Hudson sunt copii poster ai degradării mediului.

Cu toate acestea, există speranță. Estuarele sunt zonele de graniță dintre mediile de apă sărată și cele dulci și sunt incredibil de diverse atât biologic, cât și fizic. Diversitatea și energia ridicată a ecosistemului fac estuarele extrem de rezistente. Cu o mai bună înțelegere a acestor sisteme, putem inversa declinul acestora și restabili bogăția ecologică a acestor medii valoroase, deși noroioase.

Cum funcționează un estuar?

Din punctul de vedere al unui fizician, diferența de densitate între apa dulce și apa sărată face estuarele interesante. Când apa râului se întâlnește cu apa mării, apa dulce mai ușoară se ridică și deasupra apei sărate mai dense. Apele de mare sunt introduse în estuar sub apa râului care curge, împingându-și drumul în amonte de-a lungul fundului.

Adesea, ca și în râul Fraser, acest lucru se întâmplă pe un front brusc de sare. Pe un astfel de front, conținutul de sare (salinitatea) și densitatea se pot schimba de la oceanice la proaspete în doar câteva zeci de metri orizontal și la fel de puțin ca un metru vertical.

Însoțind acești gradanți puternici de salinitate și densitate sunt schimbări verticale mari în direcția și rezistența curentului. Nu puteți vedea aceste ape care se învârtesc de la suprafață, dar un pescar poate constata că plasa lui își ia viața când o coboară în apă aparent placidă.

Pliniu cel Bătrân, cunoscut naturalist roman, senator și comandant al flotei imperiale în secolul I d.Hr., a observat acest comportament aparte al plaselor de pescari în strâmtoarea Bosfor, lângă Istanbul. Pliniu a dedus că curenții de suprafață și de fund curgeau în direcții opuse și el a furnizat prima documentație scrisă despre ceea ce numim acum „circulația estuarului”.

Intruziune cu apă sărată

Fluxurile opuse de apă dulce și sărată curg uneori lin, unul deasupra celuilalt. Dar când diferența de viteză atinge un anumit prag, rezultă turbulențe puternice, iar sarea și apa proaspătă sunt amestecate. Curenții de maree, care acționează independent de circulația estuarului, se adaugă, de asemenea, turbulenței, amestecând apa sărată și dulce pentru a produce apă sălbatică în estuar.

În râul Fraser, această circulație este limitată la o zonă frontală foarte scurtă și energică în apropierea gurii, uneori cu doar câteva sute de metri lungime. În alte estuare, cum ar fi Golful San Francisco, Golful Chesapeake sau râul Hudson, frontul de sare și circulația estuarului care o însoțește se întinde pe uscat pe mai multe mile.

Intruziunea de sare către pământ este atent monitorizată de ingineri din cauza consecințelor potențiale asupra aprovizionării cu apă dacă intrarea de sare se extinde prea mult. De exemplu, orașul Poughkeepsie, New York, la 60 de mile nord de gura râului Hudson, depinde de râu pentru apa potabilă. Aproximativ o dată pe deceniu, condițiile de secetă determină intrarea sării să se apropie de aportul de apă dulce Poughkeepsie. Ultima dată când s-a întâmplat acest lucru, în 1995, apă suplimentară a trebuit să fie vărsată din baraje în amonte pentru a împiedica sarea frontului să devină un pericol pentru sănătatea publică.

Sângele vieții estuarelor

Circulația estuară are o funcție ecologică valoroasă. Debitul continuu de fund oferă un sistem de ventilație eficient, aspirând apă oceanică nouă și expulzând apa salmatică. Dacă nu ar fi acest proces natural de „spălare”, apele estuarului ar deveni stagnante, poluarea s-ar acumula și oxigenul ar fi epuizat.

Acest sistem de circulație duce la o productivitate ecologică incredibilă. Nutrienții și oxigenul dizolvat sunt reîncărcați continuu din ocean, iar deșeurile sunt expulzate în apele de suprafață. Această acțiune de pompare duce la unele dintre cele mai mari rate de creștere a plantelor microscopice (cercetătorii o numesc „producție primară”) în orice mediu marin. Această populație plină de plancton oferă o bază pentru rețele alimentare variate și valoroase, alimentând creșterea unora dintre cei mai apreciați pești, păsări și mamifere ale noastre - somon, bas cu dungi, stârc albastru mare, vulturi cheli, foci și vidre câțiva.

Vigoarea circulației depinde în parte de alimentarea cu apă a râului pentru a împinge apa sărată înapoi. Zona golfului San Francisco a devenit un centru de controversă în ultimii ani, deoarece există multe interese concurente pentru apa dulce care curge în golf - în principal agricultura și aprovizionarea cu apă urbană care se extinde în sudul Californiei. Ecologiștii au stabilit că Golful San Francisco ar trebui să obțină „partea sa” din apa dulce provenită din delta Sacramento-San Joachim, deoarece vastele habitate de apă dulce din regiune sunt deosebit de vulnerabile la pătrunderea sării.

Circulația estuară este afectată și de maree; mareele mai puternice îmbunătățesc, în general, schimbul și îmbunătățesc funcția ecologică a sistemului. Estuarul Hudson, de exemplu, este maree pentru 153 de mile spre interior până la Troy, New York. Indienii Algonquin numeau râul Mohicanituk, „râul care curge în ambele sensuri”.

Mucking-ul sistemului

Estuarele au problemele lor. Unele sunt auto-provocate; unele sunt cauzate de abuzurile de locuire umană.

Un estuar, cu toate agitările sale dinamice, are un atribut care își promovează propria distrugere: captează sedimentele. Când noroiul suspendat și solidele dintr-un râu intră în estuar, întâlnesc frontul de sare. Spre deosebire de apa dulce, care se deplasează în sus și peste stratul salin, sedimentul cade din stratul de suprafață în stratul de apă mai dens și mai sărat care se deplasează în estuar. Pe măsură ce scade, se prinde și se acumulează pe fund. Încet, estuarul devine din ce în ce mai tulbure, mai puțin adânc.

Ocazional, o inundație majoră va împinge sarea chiar din estuar, transportând împreună cu el sedimentul noroios. Miezurile de sedimente din râul Hudson indică faptul că sedimentele se pot acumula timp de 10, 20 sau chiar 50 de ani, stabilind straturi în fiecare an, precum inelele copacilor. Dar apoi un uragan sau o mare topire de zăpadă inundă râul, șterge straturile de sedimente și trimite noroiul la mare.

Comportamentul „episodic” al depunerii de sedimente este o veste bună și o veste proastă. Este bine, deoarece o furtună mare poate împiedica un estuar să devină prea superficial prea repede. De fapt, se pare că, în ultimii 6.000 de ani, dragarea naturală a furtunilor mari a menținut adâncimea apei aproape constantă în estuarul Hudson.

Vestea proastă este că sedimentul păstrează o „amintire” a tuturor contaminanților care au trecut prin el de-a lungul anilor. Reglementările de mediu sunt mult mai stricte acum decât acum 50 de ani și am încetat să mai folosim multe substanțe chimice care fac ravagii cu mediul. De exemplu, bifenilii policlorurați (PCB) au fost interzise în anii 1970, deoarece s-au dovedit a fi toxici pentru pești și animale sălbatice și pentru oamenii care le consumă. Cu toate acestea, avem încă o problemă de contaminare în râurile Hudson și alte râuri, deoarece PCB-urile se degradează lent și fiecare nouă inundație remobilizează acești contaminanți „moșteniți” și prelungește expunerea noastră.

Efecte de scurgere

Milioane de dolari sunt cheltuiți acum pentru curățarea estuarelor americane contaminate de poluarea industrială. În Boston, de exemplu, noul sistem de canalizare creat pentru a economisi portul Boston a costat contribuabililor aproximativ 5 miliarde de dolari. Programul Superfund din S.U.A. Agenția pentru Protecția Mediului colectează și cheltuie miliarde de dolari în plus pentru remedierea estuarelor.

Adesea strategiile de remediere sunt complexe și controversate. În cazul râului Hudson, există o dezbatere aprinsă cu privire la faptul dacă sedimentele contaminate cu PCB ar trebui îndepărtate - dragate cu metode de înaltă tehnologie care teoretic reduc la minimum daunele aduse mediului - sau lăsate netulburate. Această dezbatere pivotează asupra fenomenului furtunii episodice: sedimentele contaminate de acolo pot rămâne sau ar putea fi agitate când următorul uragan se spală prin Valea Hudson?

În afară de inițiativele de curățare, părți din Hudson trebuie dragate în scopuri de navigație. Dragarea nu este atât de costisitoare sau dificilă, dar găsirea unui loc unde să pună sedimente contaminate este o problemă. Portul New York a umplut minele de cărbune abandonate din Pennsylvania cu noroiul său contaminat, dar aceasta nu este o soluție pe termen lung.

În timp ce problemele estuarelor americane sunt complicate și costisitoare, ele palesc în comparație cu estuarele asiatice. Întreaga națiune a Bangladeshului se află în estuar și în câmpia inundabilă inferioară a râului Ganges-Brahmaputra. Alte râuri asiatice precum Mekong, Chiang Jiang (sau Yangtze) și Huang Ho (sau râul Galben) sunt aglomerate și tensionate de așezări umane concentrate. Creșterea globală a nivelului mării provoacă pierderea terenului, creșterea inundațiilor și creșterea intruziunii de sare în aceste estuare.

Cererea de apă în amonte pentru irigații și uz casnic reduce semnificativ fluxul de apă dulce prin aceste sisteme. Estuarele râului Indus și Huang Ho au suferit reduceri drastice ale debitului de apă dulce în ultimele decenii, iar impactul acestor modificări umane este acum recunoscut. Vor fi necesare noi politici privind utilizarea terenului, devierea apei și chiar producția globală de dioxid de carbon (care afectează încălzirea globală și creșterea nivelului mării) pentru a proteja aceste medii estuarine vulnerabile și locuitorii lor umani.

Stârnind idei noi

Una dintre provocările cercetării estuarului este că majoritatea problemelor semnificative sunt interdisciplinare, implicând fizică, biologie, chimie, geologie și, adesea, politici publice și economie. Estuarele sunt, de asemenea, incredibil de diverse, având toate formele și dimensiunile. Cu toate acestea, oamenii de știință sunt în permanență provocați de factorii de decizie politici publici să ne generalizeze rezultatele din studiile unui estuar și să le aplice în restul estuarelor lumii.

Ca oameni de știință, unul dintre rolurile noastre este de a prezice schimbările din mediu, având în vedere diferite influențe naturale și induse de om. Pentru a prevedea sănătatea estuarelor în viitor, avem câteva întrebări fundamentale de răspuns la prezent și trecut. Cât de departe va pătrunde sarea dacă debitul râului este tăiat la jumătate? Modificările debitului râurilor cresc sau scad viteza cu care sedimentele înfundă estuarul? Ce efect au aceste schimbări asupra peștilor care se reproduc în apă dulce?

Ceea ce învățăm va fi esențial pentru o populație umană care apreciază din ce în ce mai mult apele de coastă. Avem nevoie de politici publice solide pentru a reduce vulnerabilitatea la inundațiile de coastă și pentru a proteja apa potabilă, aprovizionarea cu alimente și unele dintre cele mai importante habitate din lume. Vom dezvolta politici mai bune doar dacă le putem fundamenta într-o știință mai bună.