Un studiu privind poluarea coralilor a ajutat în mod neașteptat la explicarea furiei uraganului Maria

Uraganul Maria a lovit insula Puerto Rico la începutul zilei de 20 septembrie 2017, cu vânturi de 250 de kilometri pe oră, ploi torențiale și un val de furtună de până la trei metri înălțime. În urma sa: aproape 3.000 de morți, o pană de curent de aproape un an și pagube de peste 90 de miliarde de dolari la case, întreprinderi și infrastructura esențială, inclusiv drumuri și poduri.

Geologul și scafandrul Milton Carlo s-a adăpostit în casa sa din Cabo Rojo, în colțul de sud-vest al insulei, împreună cu soția, fiica și nepotul său mic. El a privit cum vânturile furioase ale uraganului de categoria 4 au ridicat în aer SUV-ul vecinului său și își amintește acele ore ca fiind unele dintre cele mai rele din viața sa.

Timp de câteva săptămâni, restul lumii a fost în întuneric în ceea ce privește amploarea totală a devastării, deoarece Maria a distrus principalul radar meteorologic al insulei și aproape toate turnurile de telefonie mobilă.

Departe, pe coasta de vest a SUA, în Santa Cruz, California, oceanograful Olivia Cheriton a urmărit imaginile radar prin satelit ale Mariei trecând peste instrumentele pe care ea și echipa sa de la U.S. Geological Survey le ancoraseră la câțiva kilometri sud-vest de Puerto Rico. Instrumentele, plasate în largul orașului La Parguera, situat pe malul mării, erau acolo pentru a urmări poluarea care circula în jurul unora dintre coralii pe cale de dispariție de pe insulă.

A trecut mai mult de jumătate de an până când a aflat soarta improbabilă a acelor instrumente: Au supraviețuit și au capturat date care dezvăluie dinamica oceanică legată de uragane, pe care niciun om de știință nu o înregistrase vreodată.

Curenții de coastă antrenați de vânt au interacționat cu fundul mării într-un mod care a împiedicat Maria să atragă la suprafață apa rece din adâncurile mării. Suprafața mării a rămas la fel de caldă ca apa de baie. Căldura este sursa de combustibil a uraganelor, astfel încât o suprafață a mării mai caldă duce la o furtună mai intensă. După cum Cheriton a descoperit mai târziu, fenomenul de care a dat peste cap a jucat probabil un rol în menținerea statutului de categoria 4 al Mariei, care a măturat Puerto Rico timp de opt ore.

„Nu a existat absolut niciun plan pentru a surprinde impactul unei furtuni precum Maria”, spune Cheriton. „De fapt, dacă am fi putut ști cumva că o astfel de furtună va avea loc, nu am fi pus în apă instrumente științifice în valoare de sute de mii de dolari”.

Traiectoria unei furtuni este ghidată de caracteristici atmosferice la scară largă, ușor de observat, cum ar fi alizeele și zonele de înaltă presiune. Pe de altă parte, intensitatea sa este determinată de evenimentele meteorologice din interiorul uraganului și de acțiunea valurilor în adâncul suprafeței oceanului. Descoperirile lui Cheriton și ale colegilor, publicate în mai 2021 în Science Advances, ajută la explicarea motivelor pentru care uraganele devin adesea mai puternice înainte de a ajunge pe uscat și, prin urmare, pot ajuta meteorologii să facă previziuni mai precise.

Poluarea recifurilor

Obiectivul inițial de cercetare al lui Cheriton a fost de a afla cum transportă curenții marini sedimentele poluate din Golful Guánica – unde Valea Lajas se varsă în Marea Caraibelor – către ecosistemele marine virgine aflate la 10 kilometri vest, în Rezervația Naturală La Parguera, renumită pentru apele sale bioluminescente.

Coralii elkhorn și coralii stea de munte, pe cale de dispariție, numiți de geologul marin Clark Sherman „copiii din posterul declinului recifului din Caraibe”, trăiesc în apropierea țărmului în unele dintre cele mai mari concentrații înregistrate în lume de substanțe chimice industriale acum interzise. Acești bifenili policlorurați, sau PCB, împiedică reproducerea, creșterea, hrănirea și reacțiile de apărare ale coralilor, spune Sherman, de la Universitatea din Puerto Rico-Mayagüez.

imagini subacvatice cu corali elkhorn și corali stea montană cu recif vizibil în fundal
Coralul Elkhorn (stânga) și coralul stea de munte (dreapta) erau cândva omniprezenți în Caraibe. Numărul lor a scăzut foarte mult din cauza albirii și a bolilor. Poluarea este parțial de vină. DE LA STÂNGA: NICK HOBGOOD/WIKIMEDIA COMMONS (CC BY-SA 3.0); NOAA FISHERIES

Jumătate din coralii din Caraibe au murit de când a început monitorizarea în anii 1970, iar poluarea este o cauză majoră, potrivit unui studiu din aprilie 2020 în Science Advances. De un interes deosebit pentru Cheriton, Sherman și colegii lor a fost dacă poluarea a ajuns la recifele de adâncime, sau mezofotice, mai departe în larg, care ar putea fi un refugiu pentru speciile de corali despre care se știa că mor în zonele mai puțin adânci.

Principala arteră pentru această poluare este Rio Loco – care se traduce prin „Râul Nebun”. Acesta aruncă o scurgere toxică de sedimente erodate de pe drumurile de pământ și plantațiile de cafea din Valea Lajas în Golful Guánica, care susține o comunitate vibrantă de pescari. Alți posibili contribuitori la poluare – deversări de petrol, o fabrică de îngrășăminte, ape uzate și fabrici de zahăr acum dezafectate – fac obiectul unor investigații ale cercetătorilor din domeniul sănătății publice și ale Agenției de Protecție a Mediului din SUA.

În iunie 2017, echipa s-a reunit în La Parguera pentru a instala senzori subacvatici pentru a măsura și urmări curenții din acest mediu marin amenințat. Din laboratorul lui Sherman, aflat pe o insuliță mică, invadată de iguane de mărimea unor pisici de casă, el și Cheriton, împreună cu liderul echipei și geologul cercetător al USGS Curt Storlazzi și cercetătorul fizicolog al USGS Joshua Logan, au lansat o barcă în marea agitată.

un scafandru înoată alături de un recif de corali
Geologul marin Clark Sherman se scufundă în mijlocul unor colonii de corali stea mare sănătoși, corali negri, un mare evantai de mare și o varietate de bureți de-a lungul platoului insular abrupt din sud-vestul Puerto Rico. Sherman a ajutat la investigarea posibilității ca poluarea să ajungă la aceste recife de mare adâncime.E. TUOHY/UNIV. DIN PUERTO RICO-MAYAGÜEZ

În șase locații din apropierea țărmului, Storlazzi, Sherman și Logan s-au scufundat pe fundul mării și au folosit epoxidice pentru a ancora manometre de presiune și măsurători de curent de tip baston. Împreună, instrumentele au măsurat temperatura pe oră, înălțimea valurilor și viteza curentului. Echipa s-a deplasat apoi mai departe în larg, unde platoul insular abrupt coboară la un unghi de 45 de grade până la o adâncime de 60 de metri, dar valurile puternice ale oceanului au zădărnicit eforturile de a instala instrumentele acolo.

Fotografie cu Curt Storlazzi (stânga) și Joshua Logan (dreapta) purtând echipament de scufundare și stând unul lângă celălalt pe marginea unei bărci în ocean
În iunie 2017, geologul cercetător Curt Storlazzi (stânga) și cercetătorul în fizică Joshua Logan (dreapta) se pregătesc să se scufunde în apropiere de Golful Guánica din Puerto Rico pentru a instala instrumente de monitorizare a curenților suspectați că ar putea duce poluare la recifele de corali.USGS

Pentru a fi ajutat să lucreze în condiții dificile, Sherman a apelat la doi scafandri experți pentru o a doua încercare: Carlo, geologul și ofițerul de siguranță pentru scufundări, și cercetătorul marin Evan Tuohy, ambii de la Universitatea din Puerto Rico-Mayagüez. Cei doi au reușit să instaleze cea mai importantă și mai mare piesă, un instrument hidroacustic format din mai multe tobe fixate pe o grilă metalică, care urmărea direcția și viteza curenților în fiecare minut cu ajutorul undelor sonore pulsatorii. Un recipient care conținea senzori de temperatură și salinitate a efectuat citiri la fiecare două minute. Deasupra acestui echipament, un termometru electric se întindea până la 12 metri de la suprafață, înregistrând temperatura la fiecare cinci metri pe verticală la fiecare câteva secunde.

compunere a unei imagini a unui profilator de curent Doppler (stânga) și a unei imagini a unui curentmetru rotte (dreapta) subacvatic în medii de recif de corali
Instrumentele instalate de Storlazzi, Logan și alții au colectat observații subacvatice neașteptate ale oceanului în timpul uraganului Maria. Un profiler acustic Doppler de curent (stânga) a folosit unde sonore pulsatorii pentru a măsura direcția și viteza curenților la locul unde se aflau ruptura de platou și panta, la aproximativ 12 kilometri în largul coastei La Parguera. Un curentmetru Marotte (dreapta) a măsurat înălțimea valurilor, viteza și temperatura curentului în șase puncte din apropierea țărmului.USGS

Lucrând în mod concertat, instrumentele au oferit o imagine de înaltă rezoluție a hidrodinamicii oceanului, de la fundul mării până la suprafață, în mod aproape continuu. Echipamentele trebuiau să fie așezate la nivel pe fundul marin înclinat, pentru a nu devia măsurătorile și pentru a rămâne bine fixate. Cercetătorii nu știau că instrumentele vor fi în curând lovite de una dintre cele mai distrugătoare furtuni din istorie.

Devenind Maria

Cuvântul „uragan” provine de la numele poporului Taino din Caraibe. Huricán, zeu al răului. Unele dintre cele mai puternice dintre aceste cicloane tropicale atlantice încep acolo unde vânturile fierbinți din Sahara se ciocnesc cu aerul subtropical umed de deasupra insulei Capul Verde din vestul Africii. Cele mai grave dintre aceste perturbări atmosferice creează furtuni puternice cu nori cumulonimbus uriași care se aplatizează împotriva stratosferei. Propulsați de rotația Pământului, aceștia încep să se învârtă unul în jurul celuilalt în sens invers acelor de ceasornic – un fenomen cunoscut sub numele de efectul Coriolis.

Condițiile meteorologice din acea vară generaseră deja două uragane monstruoase: Harvey și Irma. Până la sfârșitul lunii septembrie, suprafața extrem de caldă a mării – 29º Celsius sau mai fierbinte în unele locuri – și-a cedat energia termică prin evaporare în vânturile năprasnice ale Mariei. Toate uraganele încep ca o zonă de presiune scăzută, care, la rândul ei, aspiră mai mult vânt, accelerând creșterea aerului cald, sau convecție. Uneori, vânturile compensatorii, cunoscute sub numele de forfecare, pot răsturna conul de aer umed care urcă în spirală. Dar acest lucru nu s-a întâmplat, așa că Maria a continuat să crească în mărime și intensitate.

Meteorologii au sperat că Maria își va pierde din forță pe măsură ce se deplasează prin Caraibe, slăbită de urma de apă mai rece pe care Irma o stârnise cu două săptămâni mai devreme. În schimb, Maria s-a îndreptat spre sud, navigând spre estul insulei Dominica din Caraibe. La 15 ore după ce a ajuns la țărm, viteza maximă susținută a vântului s-a dublat, ajungând la o viteză de 260 de kilometri pe oră. Această dublare a intensificat furtuna de la categoria 1, mai ușoară (dar încă periculoasă), la o puternică categorie 5.

Modelele computerizate de prognoză ale NOAA nu au anticipat o intensificare atât de rapidă. De asemenea, Irma a răbufnit cu o intensitate neprevăzută.

După ce a lovit puternic Dominica, peretele ocular al Mariei s-a destrămat, fiind înlocuit de o bandă exterioară de furtuni biciuitoare. Acest lucru a slăbit ușor Maria până la 250 de kilometri pe oră înainte de a lovi Puerto Rico, în timp ce a extins diametrul peretelui ocular al furtunii – zona cu vânturi puternice și precipitații mai abundente – la 52 de kilometri. Aceasta este aproape de lățimea insulei.

imagine din satelit a uraganului Maria cu ochiul său direct deasupra Puerto Rico, conturat în verde
Uraganul Maria a ajuns pe Puerto Rico la începutul dimineții de 20 septembrie 2017 și a tăiat insula în diagonală spre nord-vest. Peretele său ocular a generat vânturi maxime susținute de 250 de kilometri pe oră și s-a întins pe aproape toată lățimea insulei.CIRA/NOAA

Încă nu se înțelege pe deplin de ce Maria a înnebunit brusc. Diferite teorii indică influența turnurilor fierbinți – explozii convective de energie termică din norii de furtună care se ridică în stratosferă – sau a bazinelor calde adânci, vârtejuri de apă dulce plutitoare care se revarsă din râurile Amazon și Orinoco în Atlantic, unde curenții transportă aceste buzunare de căldură care alimentează uraganele în Golful Mexic și în Marea Caraibelor.

Dar chiar dacă aceste evenimente la scară mai mică pot avea un impact mare asupra intensității, ele nu sunt luate în considerare pe deplin în modelele meteorologice, spune Hua Leighton, om de știință la divizia de cercetare a uraganelor din cadrul Administrației Naționale Oceanice și Atmosferice și la Institutul Cooperativ pentru Studii Marine și Atmosferice al Universității din Miami. Leighton dezvoltă modele de prognoză și investighează intensificarea rapidă a uraganelor.

„Nu putem măsura totul în atmosferă”, spune Leighton.

Fără date exacte despre toți factorii care determină intensitatea uraganelor, modelele computerizate nu pot prezice cu ușurință când vor avea loc evenimentele catalizatoare, spune ea. De asemenea, modelele nu pot ține cont nici de tot ceea ce se întâmplă în interiorul oceanului în timpul unui uragan. Ele nu dispun de date.

Poziționarea instrumentelor chiar înainte ca un uragan să lovească este o provocare majoră. Dar NOAA face progrese. Aceasta a lansat o nouă generație de balize meteorologice pentru uragane în vestul Atlanticului de Nord și senzori de suprafață cu control de la distanță, numiți Saildrones, care examinează interfața aer-mare dintre uragane și ocean (SN: 6/8/19, p. 24).

Subacvatic, NOAA folosește alte drone, sau planoare, pentru a trasa profilul zonelor vaste traversate în mod regulat de furtuni tropicale. Aceste planoare au colectat 13.200 de citiri ale temperaturii și salinității în 2020. În schimb, instrumentele pe care echipa le-a amplasat în apele din Puerto Rico în 2017 au colectat peste 250 de milioane de puncte de date, inclusiv viteza și direcția curentului – o privire rară și deosebit de valoroasă asupra dinamicii oceanice induse de uragane într-o singură locație.

O perspectivă diferită

După ce furtuna a trecut, Storlazzi era sigur că uraganul îi distrusese instrumentele. Acestea nu erau proiectate să suporte o asemenea pedeapsă. Dispozitivele funcționează în general în condiții mult mai calme, nu în valurile masive generate de Maria, care ar putea crește presiunea apei până la un nivel care aproape sigur ar zdrobi senzorii instrumentelor.

Dar, în mod remarcabil, instrumentele au fost lovite, dar nu s-au pierdut. Sherman, Carlo și Touhy le-au recuperat după trecerea Mariei și le-au pus în lăzi în așteptarea întoarcerii grupului de cercetare.

fotografie cu Milton Carlo (stânga) și Evan Tuohy (dreapta) făcând scufundări în ocean
Milton Carlo (stânga) și Evan Tuohy (dreapta), înfățișați într-o scufundare anterioară la mare adâncime, au ajutat la plasarea instrumentelor de monitorizare a curentului în locurile greu accesibile unde au fost colectate datele despre uragane.MIKE ECHEVARRIA

Când Storlazzi și oceanograful Kurt Rosenberger de la USGS au desfăcut carcasele instrumentelor în ianuarie 2018, nu a ieșit apă. Un semn bun. Componentele electronice păreau intacte. Iar bateriile cu litiu au alimentat întreprinderea de eșantionare rapidă pe întreaga durată de șase luni. Cercetătorii au descărcat rapid o avalanșă de date, au făcut copii de rezervă și au început să le transmită lui Cheriton, care a început să trimită înapoi diagrame și grafice cu ceea ce arătau citirile.

Inundațiile provocate de ploile masive aduse de Maria au împins o mulțime de sedimente poluate către recifele din afara golfului Guánica, crescând concentrațiile de PCB și amenințând sănătatea coralilor. La câteva luni după furtună, poluarea nu ajunsese la recifele mai adânci.

Apoi, cercetătorii și-au dat seama că datele lor spuneau o altă poveste: ce se întâmplă sub apă în timpul unui uragan masiv. Ei au presupus că alți cercetători au capturat anterior un profil al adâncurilor oceanice agitate sub un uragan la marginea unei insule tropicale.

În mod remarcabil, nu a fost cazul.

„Nimeni nu a măsurat acest lucru, cu atât mai puțin nu a raportat acest lucru în nicio literatură publicată”, spune Cheriton. Echipa a început să exploreze datele despre uragane fără să știe unde ar putea duce.

„La ce mă uit aici?” se tot întreba Cheriton în timp ce trasa și analiza valorile temperaturii, vitezei curentului și salinității folosind algoritmi de calculator. Gradientul de temperatură care arăta valurile interne sau subacvatice ale oceanului era diferit de tot ceea ce văzuse până atunci.

fotografie cu Olivia Cheriton stând la un birou cu două monitoare de calculator și o serie de cărți în spatele ei
Oceanograful Olivia Cheriton și-a dat seama că datele privind curenții oceanici spuneau o nouă poveste despre uraganul Maria.O.M. CHERITON

În timpul uraganului, primii 20 de metri ai Mării Caraibelor au rămas în mod constant la sau peste 26º C, cu câteva grade mai cald decât straturile inferioare. Dar apele de suprafață ar fi trebuit să se răcească dacă, așa cum era de așteptat, vânturile lui Maria ar fi acționat ca o lingură mare, amestecând suprafața caldă cu apa rece agitată de pe fundul mării la 50-80 de metri adâncime. În mod normal, temperatura mai rece de la suprafață restricționează aportul de căldură, slăbind uraganul. Dar apa rece nu ajungea la suprafață.

Pentru a încerca să înțeleagă ceea ce vedea, Cheriton s-a imaginat pe sine în interiorul datelor, într-o bulă protectoare pe fundul mării, alături de instrumente, în timp ce Maria trecea peste ea. Storlazzi a lucrat alături de ea analizând datele, dar s-a concentrat pe sedimentele care circulau în jurul recifurilor de corali.

Cheriton asculta piesa „An Awesome Wave” a trupei indie-pop Alt-J și avea pielea de găină în timp ce datele se învârteau în fața lor. Bazându-se pe instinctele din pregătirea ei de astronomie din timpul facultății, și-a concentrat ochii minții asupra unei constelații de date de deasupra capului și i-a spus lui Storlazzi să facă același lucru.

„Privește în sus, Curt!”, a spus ea.

Sus, pe creasta platformei insulare, unde fundul mării se desprinde, datele privind viteza curentului au dezvăluit un curent larg de apă care țâșnea de pe țărm cu aproape 1 metru pe secundă, ca dintr-un furtun de incendiu. Cu câteva ore înainte de sosirea Mariei, curentul provocat de vânt își inversase direcția și se deplasa acum cu un ordin de mărime mai rapid. Astfel, apa de suprafață a devenit o barieră, prinzând apa rece dedesubt.

Ca urmare, suprafața a rămas caldă, ceea ce a sporit forța uraganului. Straturile mai reci de dedesubt au început apoi să se îngrămădească pe verticală în straturi distincte, unul peste altul, sub apele țâșnitoare de deasupra.

Cheriton a calculat că, odată cu fenomenul furtunului de incendiu, contribuția apelor de coastă din această zonă la intensitatea lui Maria a fost, în medie, cu 65 % mai mare, comparativ cu ceea ce ar fi fost în caz contrar.

Oceanograful Travis Miles de la Universitatea Rutgers din New Brunswick, N.J., care nu a fost implicat în cercetare, numește munca lui Cheriton și a echipei un „studiu de frontieră” care atrage atenția cercetătorilor asupra proceselor din apropierea țărmului. Miles se poate referi la descoperirea accidentală a lui Cheriton și a echipei sale privind uraganele din experiența personală: Atunci când planoarele sale de prelevare a probelor de calitate a apei au intrat în calea uraganului Irene în 2011, acestea au dezvăluit că oceanul din largul țărmului Jersey s-a răcit în fața furtunii. Vânturile de pe uscat ale lui Irene au indus amestecul de apă de mare pe platoul continental larg și au scăzut temperaturile de la suprafața mării.

Datele din Puerto Rico arată că vânturile din larg peste un platou insular abrupt au produs efectul opus și ar trebui să ajute cercetătorii să înțeleagă mai bine amestecul indus de furtună în zonele de coastă, spune Hyun-Sook Kim, cercetător principal al NOAA, care nu a fost implicat în cercetare. Aceasta poate ajuta la identificarea deficiențelor din modelele computerizate pe care ea se bazează atunci când oferă îndrumări meteorologilor care urmăresc furtunile la Centrul Național pentru Uragane din Miami și la Centrul Comun de Avertizare a Taifunurilor din Hawaii.

Iar descoperirile neașteptate ar putea ajuta, de asemenea, oamenii de știință să se ocupe mai bine de recifele de corali și de rolul pe care îl joacă în protejarea coastelor. „Cu cât studiem mai mult oceanul, în special în apropierea coastei”, spune Carlo, „cu atât mai mult putem îmbunătăți condițiile pentru corali și pentru oamenii care trăiesc pe insulă”.