Las praderas marinas, los bosques de algas, los manglares y otras plantas acuáticas suelen considerarse «ingenieros de ecosistemas» por su capacidad de crear, en esencia, sus propios hábitats: las hojas y los juncos acuáticos ralentizan el flujo del agua y favorecen que los sedimentos cercanos se depositen, formando una base sobre la que pueden crecer más plantas.
Estos bosques submarinos dan cobijo a cientos de organismos y también pueden proteger las costas de la erosión. Sin embargo, en las últimas décadas han desaparecido grandes extensiones de vegetación acuática en todo el mundo, incluidos 100 millones de acres de humedales y miles de acres de praderas marinas y bosques de algas en Estados Unidos.
En gran medida, el transporte de sedimentos —la manera en que estos fluyen por una región— determina la supervivencia de las marismas costeras y los manglares: el crecimiento de las plantas depende de la acumulación de sedimentos en el lecho marino. Cuando las tormentas fuertes o las corrientes arrastran los sedimentos, los bosques submarinos también pueden desaparecer, dejando expuestas a la erosión las costas y las riberas de los ríos.
Ahora, investigadores del MIT han desarrollado un modelo sencillo que puede ayudar a los científicos a comprender cómo y cuándo se desplazan los sedimentos por una región con vegetación acuática, como un humedal. Los investigadores afirman que los ingenieros podrían utilizar este modelo para diseñar mejores métodos de restauración de praderas marinas, manglares y otros lechos de plantas submarinas. Por ejemplo, con el modelo, los científicos podrían identificar lugares donde la vegetación acuática sea menos propensa a la erosión.
«Los humedales son muy importantes porque protegen nuestras zonas costeras, pero están erosionándose», afirma Qingjun Yang, estudiante de posgrado del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT. «Con esto, los ingenieros pueden modelar cómo varían las tensiones y si sería útil plantar vegetación aquí o allá, basándose en la ecuación».
Yang y sus colegas —Heidi Nepf, profesora Donald y Martha Harleman de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, y el investigador posdoctoral Francois Kerger— han publicado sus resultados en la revista Water Resources Research.
Captar la deriva
Para estimar el transporte de sedimentos en entornos acuáticos, un factor clave es lo que se conoce como «tensión cortante de fondo»: la fricción que ejerce el agua sobre el lecho marino, que permite a los científicos hacerse una idea de cómo se desplazan los sedimentos por el fondo. Los modelos y ecuaciones existentes calculan la tensión cortante de fondo en entornos submarinos sin vegetación. Sin embargo, no hay modelos aplicables a regiones con vegetación, ya que las plantas generan corrientes y remolinos más complejos, lo que dificulta entender el transporte de sedimentos en esas regiones.
Yang y sus colegas se propusieron desarrollar un modelo de tensión cortante de fondo para entornos con vegetación. Para ello, primero prepararon un experimento controlado que simulaba el transporte de sedimentos en un entorno sencillo, similar a un juncal.
En un gran tanque de agua recirculante de 10 metros, revestido en el fondo con una capa de plástico, los investigadores instalaron miles de varillas delgadas para simular juncos resistentes, como los de las marismas. Luego depositaron partículas de polímero en el agua y pusieron en marcha una bomba para hacer circular el agua por el tanque.
Mediante una técnica llamada velocimetría láser Doppler, dirigieron un par de láseres hacia distintos puntos y profundidades del tanque. Los investigadores utilizaron la retrodispersión de los láseres, es decir, la luz reflejada, para calcular la velocidad de las partículas en un lugar determinado. Como las partículas eran muy pequeñas, su velocidad era igual a la de las masas de agua circundantes, o grupos de moléculas de agua. Luego, los investigadores convirtieron las mediciones de velocidad en estimaciones de la fricción, o tensión, entre las masas de agua y en el lecho.
Dar forma al lecho marino
Tras varios ensayos, los investigadores observaron que la fricción que una masa de agua ejerce sobre otra se asemejaba a una función lineal respecto a la profundidad: cuanto más profunda estaba una masa de agua, mayor fricción experimentaba, y la tensión máxima se producía en el lecho. Esta relación lineal contrasta con una teoría consolidada de la tensión cortante de fondo, denominada «ley de la pared», que se ha aplicado principalmente a regiones sin vegetación y que, por lo general, supone que un entorno acuático ejerce una tensión constante cerca del lecho, independientemente de la profundidad.
Yang desarrolló una ecuación para la tensión cortante de fondo basada en la tensión lineal observada en el experimento del grupo. Después utilizó la ecuación para predecir con éxito la fricción en el lecho a partir de la velocidad de las masas de agua en cualquier punto por encima de este.
Yang afirma que el modelo es más pertinente para entornos con lechos relativamente lisos y vegetación emergente: plantas largas y delgadas, como los juncos, que se extienden desde el lecho marino hasta la superficie del agua.
«Podemos utilizar este modelo para predecir cuánta energía hace falta para que los sedimentos empiecen a fluir y a qué velocidad debe hacerlo el flujo», afirma Yang. «Cuanto más rápido es el flujo, más fricción se ejerce sobre el lecho y más empiezan a desplazarse los sedimentos. Entonces sabemos cómo evolucionará el terreno y cómo podemos dar forma y diseñar la vegetación y el suelo para que puedan mantenerse sin mucha erosión».
«Como cualquiera puede imaginar, la presencia de plantas hace que los patrones de flujo sean muy complejos; solo podemos abordar el problema desde una perspectiva estadística, modelando estadísticas pertinentes del campo de flujo a través de las plantas», afirma Francesco Ballio, profesor de ingeniería civil de la Universidad Politécnica de Milán, quien no participó en la investigación. «Este modelo ya puede utilizarse para calcular el campo de flujo en sistemas acuáticos con vegetación, como ríos y humedales. … En consecuencia, también podría incorporarse como componente de modelos ec hidrodinámicos más complejos para la gestión y restauración de masas de agua. Pero esto requerirá algunas pruebas».
Esta investigación recibió financiación, en parte, de la National Science Foundation.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autora: Jennifer Chu es redactora colaboradora de MIT News.
Imagen: Una garza azul grande vuela sobre una marisma salada en el Refugio Nacional de Vida Silvestre Parker, en Plum Island, Newbury, Massachusetts, el 10 de noviembre de 2014. REUTERS/Brian Snyder.
