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Água, seca e inundação
A pesquisa vital de Princeton em todo o espectro de questões ambientais é hoje e continuará sendo essencial para resolver alguns dos problemas mais difíceis da humanidade.
Por Molly Sharlach - 06/08/2020


Foto de satélite da Reserva do Delta do Lena na Rússia pelo USGS EROS Data Center Satellite Systems Branch, cortesia da NASA - Animação de Matilda Luk, Escritório de Comunicações

A pesquisa vital de Princeton em todo o espectro de questões ambientais é hoje e continuará sendo essencial para resolver alguns dos problemas mais difíceis da humanidade. Nosso impacto se baseia em um longo, profundo e amplo legado de comprometimento pessoal, liderança intelectual, perseverança e inovação. Este artigo é parte de uma série para apresentar a varredura da excelência ambiental de Princeton nos últimos meio século.

A água é o ingrediente mais elementar da vida; sua disponibilidade regular é essencial para nossas economias e para a própria civilização. No entanto, bilhões de pessoas anualmente enfrentam estresse relacionado à água, incluindo secas devastadoras, inundações destrutivas e contaminação tóxica. Ignacio Rodriguez-Iturbe dedicou sua carreira a entender esse recurso crítico para que a humanidade possa gerenciá-lo melhor e, na sua opinião, há um professor notavelmente capaz em nosso meio: plantas.

"Eles não sabem quando a chuva chegará e não sabem quanta chuva virá", disse ele. No entanto, as plantas estão em sintonia com o meio ambiente e trabalham dentro do ecossistema para aproveitar ao máximo a água que existe. "Essa é a vida das plantas, e elas sobrevivem."

Rodriguez-Iturbe , o professor de engenharia civil e ambiental James S. McDonnell , emérito, está entre os fundadores da eco-hidrologia, uma disciplina que examina os papéis das paisagens, plantas e solo no ciclo da água. Professor em Princeton por 17 anos, Rodriguez-Iturbe ganhou em 2002 o Prêmio da Água de Estocolmo , conhecido informalmente como "Prêmio Nobel da Água".

Ele é um dos vários membros do corpo docente de Princeton que enfrentou problemas ambientais críticos envolvendo a água. Suas ferramentas e descobertas contribuem para limpar as bacias hidrográficas e informam políticas para planejar a escassez de água e inundações em todo o mundo.

Conservação, agricultura e saúde pública

Para entender como a água se move pelos sistemas vivos, Rodriguez-Iturbe e seus colegas de engenharia, geociências e ecologia e biologia evolutiva desenvolveram abordagens matemáticas que integram dados de chuvas com informações sobre características geológicas, umidade do solo e vegetação.

Rodriguez-Iturbe, agora na Texas A&M University, continua a colaborar com Simon Levin , Professor Distinto da Universidade James S. McDonnell de Princeton em Ecologia e Biologia Evolutiva. Em 2019, eles publicaram uma análise dos padrões de agrupamento de árvores nas savanas africanas, que têm sido difíceis de explicar em termos matemáticos. O estudo explicou a dependência dos aglomerados de árvores da umidade local do solo e desenvolveu um modelo para ajudar nos esforços de conservação que respondem pelos impactos dos incêndios e da vida selvagem nas árvores.

O trabalho, combinando a dinâmica da água e a ecologia, é um bom exemplo da abordagem de Princeton, que começa com uma visão ampla e estreita para soluções detalhadas.

“A beleza do trabalho realizado aqui em eco-hidrologia é que ele pega a natureza aleatória da chuva e a integra a um modelo em que você pode encontrar soluções de uma maneira absolutamente elegante em termos de matemática e ainda é orientada por questões realmente práticas ”, disse Michael Celia , professor de engenharia civil e ambiental e diretor do Instituto Ambiental de Princeton, que também colaborou com Rodriguez-Iturbe.

Outro colaborador, Amilcare Porporato , trabalhou com Rodriguez-Iturbe como pesquisador visitante em Princeton de 1999 a 2001 e agora é professor de engenharia civil e ambiental. No trabalho apoiado pela Iniciativa de Mitigação de Carbono de Princeton , Porporato trabalha com colegas de engenharia e geociências para investigar como as plantas e os solos sequestram o carbono. Além de melhorar as informações de carbono do solo nos modelos climáticos, seus resultados podem orientar estratégias agrícolas e de conservação para ajudar a conter as mudanças climáticas. Ele também desenvolve estruturas preditivas que integram as flutuações das chuvas com produtos agrícolas e padrões de doenças, incluindo um estudo colaborativo sobre surtos de dengue, apoiado pelo Instituto Ambiental de Princeton.Iniciativa Mudança Climática e Doenças Infecciosas .

Outros líderes de Princeton no campo incluem Peter Jaffé - o professor de engenharia civil William L. Knapp '47, que desenvolveu métodos para limpar poluentes intratáveis ​​de águas subterrâneas e pantanais - e o professor emérito Eric Wood . Wood foi pioneiro em modelos computacionais para rastrear os impactos das mudanças climáticas nos padrões de seca e inundação, que lhe rendeu a Medalha Robert E. Horton 2017 por contribuições extraordinárias à hidrologia da União Geofísica Americana.

Mapeando riscos de seca

Permitir uma agricultura confiável e sustentável sob escassez de água há muito tempo é uma prioridade para Wood, que ingressou na faculdade de Princeton em 1976 e continua trabalhando como pesquisador sênior em engenharia civil e ambiental. Ele ajudou a estabelecer o uso de dados de satélite em hidrologia e melhorou a representação do ciclo da água nos modelos climáticos , incluindo as implicações energéticas da água interagindo com diferentes tipos de terra.

“O trabalho que Eric foi pioneiro é chamado de abordagem de assimilação, que basicamente reúne vários fluxos de dados úteis, mas independentes, de maneira consistente. Depois disso, você poderá entender como o ciclo da água varia, prever previsões de secas e inundações e analisar os impactos climáticos futuros ”, disse Justin Sheffield , que trabalha em estreita colaboração com Wood há duas décadas. como pesquisador em Princeton e agora como professor na Universidade de Southampton, no Reino Unido

Em 2008, Wood, Sheffield e colegas lançaram o Monitor Africano de Cheias e Secas , desenvolvido com o apoio da Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura (UNESCO). Como grande parte da agricultura da África Subsaariana depende da chuva, as previsões de seca podem fornecer informações críticas para os agricultores e formuladores de políticas. O monitor complementa as informações baseadas em terra com dados de satélite e modelagem hidrológica e usa ferramentas de previsão de última geração para gerar previsões sazonais.

Resiliência a futuras inundações

Melhores conjuntos de dados e ferramentas preditivas também aprofundaram a compreensão de tempestades extremas e inundações, foco principal para James Smith , professor de Engenharia e Ciência Aplicada de William e Edna Macaleer, e Ning Lin , professor associado de engenharia civil e ambiental.

Smith, que ingressou em Princeton em 1990, ajudou a estabelecer uma rede de radar que desde então se tornou a principal ferramenta para previsão do tempo nos EUA e medição de chuvas.

Graças a essa base, Smith estava bem posicionado para um estudo de bacia hidrográfica em uma inundação catastrófica ao longo do rio Rapidan, nas montanhas Blue Ridge da Virgínia, após uma tempestade que despejou mais de 40 cm de chuva em 6 horas em 27 de junho de 1995.

Tais eventos extremos, o estudo mostrou, revelam os limites da teoria de que as florestas podem impedir inundações. Desde então, o grupo de Smith estendeu essa pesquisa para examinar como terrenos complexos podem criar pontos quentes de chuvas extremas - incluindo as influências da infraestrutura urbana no clima local, chuvas e inundações.

Em colaboração com Smith e outros colegas, o trabalho de Ning Lin visa tornar as comunidades costeiras mais resistentes a tempestades e inundações.

"Nossa pesquisa combina o estado da ciência - nossa compreensão atual dos furacões, o sistema climático, os sistemas de infraestrutura e o ambiente costeiro - para projetar o impacto das mudanças climáticas nos furacões e os riscos para as áreas costeiras", disse Lin. "Depois, vinculamos isso ao desenvolvimento de estratégias de mitigação, tanto na engenharia quanto nas perspectivas políticas e econômicas".

Em 2019, Lin e colegas publicaram projeções detalhadas dos riscos de inundação de furacões para condados ao longo das costas do Atlântico e do Golfo dos EUA no final deste século, mostrando que as inundações atuais de 100 anos provavelmente ocorrerão a cada 30 anos. Esse tipo de mapeamento de risco de alta resolução é fundamental para a elaboração de políticas informadas, disse Lin.

Lin é um dos vários pesquisadores de Princeton envolvidos no Structures of Coastal Resilience , um projeto que combina previsões de inundações com melhorias na infraestrutura, como barreiras contra tempestades que dobram como parques. Junto com  Guy Nordenson , professor de  arquitetura  e membro afiliado do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, e Michael Oppenheimer , Albert G. Milbank Professor de Geociências e  Assuntos Internacionais  e Instituto Ambiental de Princeton, Lin também atuou na cidade de Nova York. Painel sobre Mudanças Climáticas. O painel está trabalhando para tornar Nova York um líder no avanço de soluções flexíveis para proteção costeira com base em projeções científicas de perigos futuros.

No campo da eco-hidrologia, Rodriguez-Iturbe também está olhando para as áreas costeiras como uma nova fronteira - ele está interessado na dinâmica complexa de ondas, dunas e vegetação. "Os ecossistemas costeiros são extremamente importantes para a humanidade, agora e no futuro, e precisamos saber mais sobre a ciência central de como esses ecossistemas respondem sob diferentes condições", disse ele.

 

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