Ogni anno, milioni di persone che visitano il Parco Nazionale del Grand Canyon si fermano a una delle stazioni di rifornimento idrico del parco. Alcuni si trovano sul bordo del canyon, ammirandolo per la prima volta, e riempiono una borraccia prima di proseguire il loro cammino. Altri sono molto più in basso, impegnati in escursioni sotto un caldo torrido, a riempire le borracce e a versarsi acqua addosso per proteggersi dalla disidratazione e dai colpi di calore.
Quell’acqua proviene da un’unica fonte: Roaring Springs, una sorgente alimentata da una grotta sul North Rim. Sebbene gli escursionisti possano sentire e intravedere la sorgente dal North Kaibab Trail, non esiste un sentiero che conduca direttamente ad essa. Roaring Springs fornisce acqua non solo ai visitatori del parco, ma anche alle piante, agli animali e agli ecosistemi che dipendono da essa. Con l’aumento delle temperature e l’inaridimento della regione, proteggere questa vitale fonte d’acqua sta diventando sempre più importante.
I ricercatori della Scuola di Informatica, Calcolo e Sistemi Cibernetici della Northern Arizona University stanno lavorando per comprendere meglio il funzionamento di Roaring Springs e di altre sorgenti alimentate da grotte. Grazie a un nuovo finanziamento concesso dal Parco Nazionale del Grand Canyon, il team amplierà le proprie attività di mappatura di questi sistemi idrici e indagherà sul legame tra lo scioglimento della neve e le sorgenti.
“Capire dove l’acqua si infiltra è fondamentale per le infrastrutture, gli animali, le piante e il resto degli ecosistemi che dipendono da queste sorgenti”, ha affermato Blase LaSala, dottorando in ecoinformatica. “Sono come delle oasi.”
I primi risultati del progetto sono stati recentemente pubblicati su Scientific Reports .
Mappatura delle grotte nascoste del Grand Canyon
La maggior parte delle persone non entrerà mai nelle grotte che alimentano le sorgenti del Grand Canyon. Sono chiuse al pubblico e spesso situate lontano dai sentieri battuti. Di conseguenza, gran parte di ciò che gli scienziati sanno su di esse deriva da progetti di mappatura specializzati.
Per la sua ricerca di dottorato, LaSala ha collaborato con il professor Temuulen “Teki” Sankey, esperto di telerilevamento, per creare mappe dettagliate di diversi sistemi di grotte. Utilizzando uno scanner lidar mobile, il team ha prodotto modelli tridimensionali ad alta risoluzione che hanno riprodotto pareti, soffitti, passaggi e camere delle grotte con un dettaglio straordinario.
Nell’arco di oltre 45 giorni, ricercatori, volontari e personale del parco hanno documentato più di 10 chilometri di passaggi e stanze sotterranee.
“Non avevo idea di quanto fossero grandi e lunghe queste grotte”, ha detto Sankey. “Siamo riusciti a produrre mappe 3D ad altissima risoluzione, il che, dal punto di vista del telerilevamento, è l’aspetto unico e innovativo. Le grotte del Grand Canyon non sono mai state mappate in 3D in questo modo.”
Il lavoro ha richiesto un notevole sforzo logistico. I membri del team trasportavano zaini del peso di circa 25 kg, contenenti anche l’attrezzatura lidar, durante escursioni verso ingressi di grotte remote che potevano richiedere fino a due giorni di cammino. Una volta all’interno, si arrampicavano, si calavano in corda doppia, strisciavano e persino galleggiavano attraverso sezioni allagate, registrando la forma delle grotte e le caratteristiche delle fratture.
Questi dettagli sono preziosi perché la formazione delle grotte segue processi geologici riconoscibili. La disposizione di passaggi, fessure e aperture può rivelare come l’acqua si muove attraverso i diversi strati di roccia sotto il canyon.
Dopo lo scioglimento della neve, Roaring Springs
La spiegazione più semplice sull’origine dell’acqua è che proviene dalla superficie, in particolare dallo scioglimento delle nevi sull’altopiano del Kaibab.
La questione più difficile è come quell’acqua viaggi sottoterra prima di riemergere in sorgenti come Roaring Springs.
Le sorgenti alimentate dalle grotte si trovano all’interno delle formazioni calcaree di Redwall e Muav. Diversi altri strati rocciosi si trovano tra queste sorgenti e la superficie. Precedenti esperimenti di tracciamento con coloranti, condotti dal parco, hanno dimostrato che l’acqua può muoversi sorprendentemente velocemente attraverso questo sistema sotterraneo.
Abe Springer, professore presso la Scuola di Scienze della Terra e della Sostenibilità della NAU e collaboratore del progetto, ha lavorato con il parco a studi di tracciamento con coloranti. In alcuni test, il colorante versato nelle doline dell’altopiano ha percorso circa 20 chilometri ed è ricomparso nelle sorgenti in appena una settimana.
Non è ancora del tutto chiaro come l’acqua si muova nel sottosuolo. Fattori come fratture, faglie, permeabilità delle rocce e percorsi sotterranei influenzano il suo tragitto.
“Il lavoro di tesi consisteva nel collegare geologicamente ciò che possiamo osservare in superficie con ciò che possiamo vedere a centinaia o migliaia di metri di profondità”, ha affermato Sankey.
“È come guardare una scatola nera”, ha aggiunto LaSala. “Si vede cosa entra e cosa esce, ma è molto difficile quantificare cosa succede al suo interno. Ora che conosciamo gli schemi ricorrenti, possiamo davvero iniziare a correlare i dati con i cambiamenti primaverili nel tempo.”
Qualità dell’acqua e rischi di contaminazione
Comprendere questi percorsi sotterranei è importante non solo per curiosità scientifica, ma ha anche implicazioni pratiche per la qualità dell’acqua e la sicurezza pubblica.
Le sorgenti più grandi del Grand Canyon sono alimentate da sistemi carsici, che Sankey paragona a un “formaggio svizzero” per via dei numerosi fori, canali e aperture nella roccia. L’acqua può scorrere rapidamente attraverso questi percorsi, lasciando poco spazio alla filtrazione naturale.
Ciò significa che i contaminanti possono anche viaggiare rapidamente. Il deflusso proveniente dalle aree bruciate dagli incendi boschivi o batteri come l’Escherichia coli potrebbero penetrare nelle doline collegate alla grotta di Roaring Springs e raggiungere la riserva idrica. Se viene rilevata una contaminazione, i funzionari del parco potrebbero dover interrompere temporaneamente le operazioni di pompaggio fino a quando il problema non sarà risolto.
Identificando i punti di ingresso dell’acqua nel sistema e tracciandone il percorso, i ricercatori possono aiutare i responsabili a individuare le fonti di contaminazione e a ridurre il rischio di future interruzioni.
Nuove ricerche sullo scioglimento della neve e le doline
La prossima fase del progetto dovrebbe iniziare all’inizio del 2026.
Utilizzando rilievi lidar aerei e osservazioni satellitari raccolte nel corso di diversi decenni, LaSala e Sankey intendono mappare le doline su entrambi i lati del Grand Canyon, esaminando al contempo i modelli di accumulo e scioglimento della neve negli ultimi 40 anni.
Gran parte del lavoro futuro si concentrerà sulle caratteristiche superficiali, sebbene i ricercatori restino interessati a esplorare grotte di nuova scoperta qualora se ne presentasse l’opportunità.
L’obiettivo è comprendere meglio i processi geologici che influenzano la formazione delle doline, la scomparsa dei corsi d’acqua e il movimento delle acque sotterranee. I ricercatori confronteranno i modelli osservati in superficie con quelli documentati all’interno delle grotte. I risultati guideranno inoltre i futuri esperimenti di tracciamento con coloranti.
Lo scioglimento della neve è un aspetto particolarmente importante da considerare perché l’Arizona ha registrato una diminuzione dei livelli di neve nel corso del tempo, e la regione del Grand Canyon ha seguito la stessa tendenza.
Il progetto creerà un ampio archivio di dati ambientali che potranno essere combinati con i dati lidar e altre risorse di imaging per migliorare la comprensione dei sistemi idrici in tutta la regione.
Perché i risultati sono importanti anche al di fuori dell’Arizona.
Sebbene la ricerca apporti benefici diretti al Parco Nazionale del Grand Canyon, la sua importanza si estende ben oltre l’Arizona settentrionale.
Oltre un miliardo di persone in tutto il mondo dipendono dall’acqua proveniente da sorgenti carsiche. Migliorare la comprensione da parte degli scienziati di come l’acqua si muove attraverso questi complessi sistemi sotterranei potrebbe contribuire a orientare le strategie di gestione delle risorse idriche a livello globale.
I risultati potrebbero rivelarsi preziosi anche per le tribù di nativi americani che vivono all’interno o nelle vicinanze del parco.
“È entusiasmante trovare schemi che confermino le ipotesi formulate oltre 50 anni fa”, ha affermato LaSala. “Ora disponiamo di una quantità incredibile di dati e stiamo cercando di combinarli con altri dati per trovare informazioni utili. Ci sono tantissimi ambiti che potrebbero trarre vantaggio da questo tipo di analisi.”
Come il fuoco del Drago Bravo influenza lo studio
I ricercatori prevedono che l’incendio della Dragon Bravo influenzerà le osservazioni future, ma lo considerano un ulteriore fattore da integrare nel loro lavoro, piuttosto che un ostacolo che modifichi la missione nel suo complesso.
Interpellati su come l’incendio avrebbe potuto influenzare il progetto, sia LaSala che Sankey hanno riconosciuto che gli imprevisti sono comuni nella ricerca scientifica.
“È una novità per il nostro studio”, ha detto Sankey.
Gli effetti dell’incendio sull’altopiano di Kaibab probabilmente modificheranno alcune delle condizioni ambientali monitorate dai ricercatori. Con il proseguimento del progetto, tali cambiamenti saranno integrati nell’analisi e il team intende fornire al parco tutto il supporto possibile per comprendere l’impatto dell’incendio.
Abstract
Comprendere il movimento delle acque sotterranee all’interno degli acquiferi carsici rimane una sfida, poiché le reti di condotti e fratture che ne definiscono il flusso sono complesse e inaccessibili. Nel Parco Nazionale del Grand Canyon, sono stati utilizzati traccianti coloranti per stabilire i percorsi di flusso delle sorgenti che sostengono gli ecosistemi e le attività del parco. Sfortunatamente, questi studi punto a punto presentano dei limiti quando si tenta di estrapolare i percorsi di flusso su migliaia di chilometri quadrati. Introduciamo una metodologia mobile basata su lidar che permette di individuare le strutture che definiscono il flusso delle acque sotterranee all’interno di grotte con corsi d’acqua attivi, situate nella falda acquifera. Questa metodologia ha consentito un’efficiente raccolta di dati 3D con risoluzione centimetrica da oltre 10 km di grotte remote nelle formazioni calcaree di Redwall (Mississippiano) e Muav (Cambriano) sul versante nord del Grand Canyon. La nostra metodologia ha raggiunto un errore di composizione totale inferiore allo 0,5% e mostra un’ottima concordanza con le mappe tradizionali delle grotte. Abbiamo riscontrato che le strutture geologiche esposte all’interno di queste grotte sono coerenti lungo chilometri di gallerie, indicando che il flusso delle acque sotterranee sfrutta le fratture e la direzione di immersione degli strati. Questi modelli suggeriscono che gli attuali percorsi di flusso all’interno del North Rim del Parco Nazionale del Grand Canyon siano, in parte, il risultato di faglie e sollevamenti regionali. Questa caratterizzazione strutturale derivata dal lidar consente l’identificazione di modelli di flusso della rete carsica che altrimenti non sarebbero disponibili con i metodi tradizionali.
Materials provided by Northern Arizona University. Original written by Heidi Toth. Note: Content may be edited for style and length
Blase LaSala, Temuulen Tsagaan Sankey, Mark Nebel, Abraham E. Springer, Aria Mildice. Three-dimensional characterization of caves within the Grand Canyon’s deep karst aquifer. Scientific Reports, 2025; 15 (1) DOI: 10.1038/s41598-025-17472-6
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