Per capire e vedere l'evoluzione delle risorse idriche, un problema importante per la nostra società, dobbiamo misurarle e questo, come potete immaginare, non è facile. Negli ultimi anni, lo sviluppo di alcuni satelliti ha reso possibile la misurazione delle riserve idriche dallo spazio.
I satelliti effettuano tutta una serie di misure dallo spazio, alcune delle quali vengono utilizzate per valutare le risorse idriche della Terra. Ad esempio, l'umidità del suolo viene misurata utilizzando le microonde emesse naturalmente dal suolo. Questi raggi penetrano le nuvole, rendendo possibile effettuare queste misurazioni anche quando il cielo è coperto o ci sono precipitazioni. Come mostrato nella fig.1, un'immagine del satellite SMAP.
Tuttavia, questo satellite misura solo le condizioni di umidità relativi ai primi centimetri di terra. Non fornisce quindi informazioni sulle acque sotterranee, ad esempio.
Per misurare l'altezza di laghi o bacini idrici si utilizza poi l'altimetria, in particolare in luoghi in cui le misurazioni in situ sono scarse o inesistenti. In questo modo si ottiene una stima delle variazioni delle riserve idriche.
Si utilizzano inoltre anche le variazioni del campo gravitazionale, misurate ad esempio con i satelliti della missione GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), vedi figura 2.
Il principio generale consiste nel misurare le anomalie del campo gravitazionale terrestre che variano nel tempo in funzione delle variazioni delle masse d'acqua, sia liquide (laghi, acque sotterranee) che solide (ghiacciai). Il ciclo dell'acqua e la circolazione atmosferica ridistribuiscono continuamente enormi quantità d'acqua tutt'attorno al globo, determinando piccolissimi cambiamenti locali nell'attrazione gravitazionale della Terra. Queste variazioni sono dell'ordine di 10^-8 m s^-2, che è un miliardo di volte più piccolo del valore medio di g=9,81 m s^-2. In altre parole, tali variazioni sono comunque sufficientemente importanti per influenzare le orbite dei satelliti, in particolare quando si trovano a un'altitudine relativamente bassa (ad esempio, inizialmente 500 km per i satelliti GRACE).
Una regione della Terra che presenta una massa superiore alla media, ad esempio a causa di piogge molto intense, produce una forza di gravità più elevata in quell'area. Ciò provoca piccole variazioni nel comportamento di un satellite che la sorvola, il quale subisce un'attrazione gravitazionale più forte quando si avvicina all'area in questione, con conseguente accelerazione lungo la traiettoria seguita da una decelerazione subito dopo averla superata. In situazioni in cui la massa d'acqua è insufficiente (ad esempio durante una siccità), si osserva il comportamento opposto con una decelerazione lungo la traiettoria seguita da un'accelerazione.
La prima missione satellitare GRACE ha utilizzato una coppia di satelliti gemelli, il primo a circa 220 km di distanza dall'altro. La variazione della distanza tra le due navicelle spaziali viene misurata continuamente tramite un radar con una precisione di circa 1 μm al secondo. È come misurare la distanza tra Losanna e Milano con una precisione equivalente allo spessore di un globulo rosso umano. Queste variazioni nel comportamento orbitale dei due satelliti vengono poi utilizzate per dedurre le variazioni di massa sulla superficie terrestre.
Dopo aver rielaborato i dati (eliminando ad esempio le variazioni di massa dovute all'atmosfera o alle maree), si ottengono immagini che consentono di monitorare i cambiamenti delle risorse idriche su tutta la Terra. In questo modo, possiamo monitorare i cambiamenti che hanno interessato l'intero ciclo dell'acqua, comprese le acque sotterranee, poiché stiamo misurando la massa. Tuttavia, questo metodo è in grado di rilevare solo i grandi cambiamenti di massa che si verificano su una vasta scala spaziale (cioè su una superficie pari ad almeno 3 o 4 volte quella della Svizzera).
Ad esempio, l'immagine sottostante (fig. 3) del novembre 2012 mostra lo scioglimento dei ghiacci nella regione della Groenlandia, la riduzione delle acque sotterranee utilizzate per l'agricoltura o l'industria nel nord-ovest dell'India e anche la riduzione del livello del Mar Caspio. Si può anche notare la naturale variabilità legata alle stagioni, con ad esempio un forte aumento della massa alla fine della stagione dei monsoni in Africa occidentale.
Queste misurazioni satellitari, disponibili dal 2002, vengono utilizzate nella regione delle Alpi europee per osservare l'evoluzione delle masse di acqua e per cercare di determinare quali tipi di cambiamenti si stanno verificando.
Secondo i dati misurati dai satelliti GRACE (fig. 4), lo stock idrico totale nella regione alpina varia significativamente da una stagione all'altra, con una tendenza a lungo termine alla diminuzione. In generale, lo stock totale è più basso in autunno. In inverno, le precipitazioni più abbondanti e l'accumulo di neve alle quote più elevate provocano un aumento dello stock, che raggiunge il suo picco in primavera. L'estate è caratterizzata da una forte riduzione dello stock, particolarmente pronunciata in anni molto secchi e caldi come il 2003, il 2015 e il 2022.
Dopo aver corretto i cambiamenti legati alla variabilità delle precipitazioni, la variazione residua a lungo termine è dell'ordine di -19 km3/decennio ed è principalmente attribuibile allo scioglimento dei ghiacciai.
Questo risultato è anche del tutto coerente con gli studi sul campo condotti dai glaciologi, che indicano una perdita di massa per l'insieme dei ghiacciai alpini di circa -13 fino a -20 km3/decade, ossia circa il volume del lago di Zurigo perso ogni 2 o 3 anni.