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Uma equipe de pesquisadores da Syracuse University e da Texas A&M University aplicou um modelo de aprendizado de máquina para explorar onde e até que ponto as atividades humanas estão contribuindo para as mudanças hidrogeoquímicas, como aumentos de salinidade e alcalinidade nos rios dos EUA. O grupo usou dados de 226 locais de monitoramento de rios nos EUA e construiu dois modelos de aprendizado de máquina para prever os níveis mensais de salinidade e alcalinidade em cada local.
Desde proteger a biodiversidade até garantir a segurança da água potável, a composição bioquímica dos rios e córregos nos Estados Unidos é crítica para o bem-estar humano e ambiental. Estudos descobriram que a atividade humana e a urbanização estão impulsionando a salinização (aumento do teor de sal) das fontes de água doce em todo o país. Em excesso, a salinidade pode tornar a água imprópria para consumo, aumentar o custo do tratamento da água e prejudicar os peixes de água doce e a vida selvagem.
Juntamente com o aumento da salinidade, também houve um aumento da alcalinidade ao longo do tempo, e pesquisas anteriores sugerem que a salinização pode aumentar a alcalinização. Mas, ao contrário do excesso de salinidade, a alcalinização pode ter um impacto positivo no meio ambiente devido à sua capacidade de neutralizar a acidez da água e absorver o dióxido de carbono na atmosfera da Terra – um componente essencial para combater as mudanças climáticas. Portanto, entender os processos em jogo que afetam a salinidade e a alcalinidade tem importantes implicações ambientais e de saúde.
Uma equipe de pesquisadores da Syracuse University e da Texas A&M University aplicou um modelo de aprendizado de máquina para explorar onde e até que ponto as atividades humanas estão contribuindo para as mudanças hidrogeoquímicas, como aumentos de salinidade e alcalinidade nos rios dos EUA.
O grupo usou dados de 226 locais de monitoramento de rios nos EUA e construiu dois modelos de aprendizado de máquina para prever os níveis mensais de salinidade e alcalinidade em cada local. Esses locais foram selecionados porque as medições contínuas de longo prazo da qualidade da água foram registradas por pelo menos 30 anos. De ambientes urbanos a rurais, o modelo explorou uma gama diversificada de bacias hidrográficas, que são áreas onde todas as águas superficiais fluentes convergem para um único ponto, como um rio ou lago. Ele avaliou 32 fatores de bacias hidrográficas que vão desde hidrologia, clima, geologia, química do solo, uso e cobertura da terra para identificar os fatores que contribuem para o aumento da salinidade e alcalinidade. Os modelos da equipe determinaram as atividades humanas como os principais contribuintes para a salinidade dos rios dos EUA, enquanto o aumento da alcalinidade foi atribuído principalmente a processos naturais do que às atividades humanas.
A equipe, que incluía os pesquisadores da Syracuse University Tao Wen, professor assistente do Departamento de Ciências da Terra e do Meio Ambiente (EES) da Faculdade de Artes e Ciências, Beibei E, estudante de pós-graduação no EES, Charles T. Driscoll, professor universitário de sistemas ambientais e Distinguished Professor na Faculdade de Engenharia e Ciência da Computação, e o professor assistente da Texas A&M Shuang Zhang, tiveram recentemente suas descobertas publicadas na revista Ciência do Meio Ambiente Total.
O que está impulsionando a salinização e a alcalinização?
Os resultados do modelo de previsão de sódio do grupo, que detectou atividades humanas como a aplicação de sal nas estradas como principais contribuições para a salinidade dos rios dos Estados Unidos, foram consistentes com estudos anteriores. Este modelo revelou especificamente a densidade populacional e a porcentagem de superfície impermeável (superfícies artificiais, como estradas) como os dois contribuintes mais importantes para o maior teor de sal nos rios dos EUA.
De acordo com Wen, a precisão do modelo de salinidade forneceu uma importante prova de conceito para a equipe de pesquisa.
“No que diz respeito às causas da salinidade nos rios, os resultados do nosso modelo de aprendizado de máquina correspondem aos de estudos anteriores que se concentraram na observação de campo, trabalho de laboratório e análise estatística”, diz Wen. “Isso provou que nossa abordagem estava funcionando.”
Com os resultados de salinidade confirmando a precisão do modelo da equipe, eles voltaram sua atenção para a alcalinidade. Seu modelo identificou os processos naturais como contribuindo predominantemente para a variação na alcalinidade do rio, em contraste com pesquisas anteriores que identificaram as atividades humanas como o principal contribuinte para a alcalinização (Kaushal et al., 2018). Eles descobriram que as condições climáticas e hidrogeológicas locais, incluindo escoamento, sedimentos, pH do solo e umidade, eram as características que mais afetavam a alcalinidade do rio.
Crítico para o ciclo do carbono
Suas descobertas têm importantes implicações ambientais e climáticas, já que a alcalinidade dos rios forma um elo vital no ciclo do carbono. Considere o movimento do carbono durante uma tempestade. Quando chove, o dióxido de carbono da atmosfera se combina com a água para formar o ácido carbônico. Quando o ácido carbônico atinge o solo e entra em contato com certas rochas, ele desencadeia uma reação química que extrai dióxido de carbono gasoso da atmosfera e o transporta para o oceano através de sistemas de água terrestre como lagos e rios. Conhecido como intemperismo das rochas, esse processo natural erode continuamente as rochas e sequestra o CO2 atmosférico ao longo de milhões de anos. É também um regulador chave dos gases de efeito estufa que contribuem para o aquecimento global.
“O intemperismo das rochas é a principal fonte de alcalinidade nas águas naturais e é uma das principais formas de reduzir o dióxido de carbono no ar”, diz Wen. Pense nisso como um ciclo de feedback: quando há muito dióxido de carbono na atmosfera, as temperaturas aumentam, levando a um maior desgaste das rochas. Com mais rocha sendo dissolvida em bacias hidrográficas devido ao aumento do desgaste das rochas, a alcalinidade aumenta e, por sua vez, reduz o dióxido de carbono.
“A alcalinidade é um componente crítico do ciclo do carbono”, diz Wen. “Embora tenhamos descoberto que os processos naturais são os principais impulsionadores da alcalinização, esses fatores naturais ainda podem ser alterados pelos seres humanos. Podemos alterar o nível de alcalinidade dos rios alterando os parâmetros naturais, por isso precisamos investir mais para restaurar as condições naturais de bacias hidrográficas e enfrentar o aquecimento global e as mudanças climáticas para lidar com a alcalinização dos rios dos EUA.”
Os resultados do estudo da equipe podem ajudar a informar pesquisas futuras sobre os esforços aprimorados de intemperismo das rochas – onde as rochas são trituradas e espalhadas pelos campos. Ao distribuir o pó de rocha por grandes áreas, aumenta a quantidade de contato entre a chuva e a rocha, o que aumenta a remoção de carbono da atmosfera. Wen diz que o modelo da equipe pode ajudar a responder a perguntas sobre a evolução das condições naturais em diferentes regiões – um passo importante necessário para implementar o intemperismo aprimorado das rochas de maneira mais eficaz.
O trabalho foi financiado por meio de uma doação de US$ 460.000 da National Science Foundation concedida a Wen.
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