L’attività di ricerca di Henk Dijkstra, fisico del Marine and Atmospheric Research Institute dell’Università di Utrecht e autore di tre libri e di oltre trecento pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali, riguarda principalmente lo studio del ruolo degli oceani nel clima e degli effetti del riscaldamento globale su oceani e laghi. Dijkstra lavora da qualche tempo con il gruppo guidato da Marco Toffolon del Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica di UniTrento alla comprensione delle dinamiche delle parti più profonde del lago di Garda. Gli strumenti di analisi comprendono moderne tecniche numeriche, approcci innovativi tramite sistemi dinamici e metodi di modellazione più convenzionali. La relazione di Dijkstra con UniTrento si è da poco rafforzata grazie a un contratto triennale di doppia affiliazione. 
Professor Dijkstra, lei è noto soprattutto per i suoi studi sugli oceani e su fenomeni di variabilità climatica, come El Niño, e ora sta studiando le conseguenze dell'indebolimento della corrente calda nelle acque dell’Atlantico sul clima dell’Europa occidentale. Cosa l’ha portata a occuparsi del lago di Garda e a collaborare con il ToffolonLab?
«Dal 2010 al 2014 ho partecipato a un progetto di ricerca olandese sull’effetto della stratificazione verticale nell’Oceano Atlantico sulle distribuzioni di fitoplancton. Il nostro compito era di misurare la turbolenza nei 100 metri superficiali dell’oceano. L’idea alla base del progetto era che un lago profondo potesse essere un buon banco di prova per testare le nostre ipotesi sul mescolamento nei fluidi stratificati e sui suoi effetti sulla proliferazione di fitoplancton. Così nel 2014 abbiamo svolto un breve studio sul campo nella parte meridionale del lago di Garda, vicino a Sirmione. Tramite i nostri contatti a Deltares siamo riusciti a incontrare Marco Toffolon e il suo gruppo di ricerca che aveva appena iniziato una modellazione del lago di Garda (per il PhD di Marina Amadori) con il modello Delft3D».
Nel 2019, assieme al ToffolonLab, avete scoperto che la rotazione della Terra modifica il movimento delle acque del Garda e ne influenza il rimescolamento, che è fondamentale per la qualità dell’ecosistema. Questo fenomeno è tipico degli oceani. Perché si riscontra anche nel lago di Garda?
«Era opinione diffusa che il lago di Garda fosse troppo piccolo per risentire dell’effetto della rotazione terrestre. Dal 2016, con fondi a disposizione dell’Università di Utrecht, sono riuscito a ingaggiare Sebastiano Piccolroaz (che lavorava da Trento) per svolgere un monitoraggio di un anno della turbolenza e delle temperature nel lago di Garda. I risultati hanno mostrato con chiarezza gli effetti della rotazione della Terra sulla distribuzione laterale della temperatura nel lago. Con un ulteriore lavoro teorico, svolto in particolare da Marina e Marco, abbiamo potuto spiegare che anche laghi stretti e profondi subiscono l’effetto della rotazione terrestre. Questo è stato poi dimostrato mediante il modello Delft3D, con il quale abbiamo potuto confrontare i flussi con e senza la rotazione terrestre».
Il suo metodo di studio consiste nel descrivere l’idrodinamica del lago, ovvero quello che accade sopra e sotto la superficie di laghi e oceani, utilizzando un modello numerico. Quali competenze occorrono per elaborare questi modelli? Che tipo di scienziati lavora nei vostri gruppi?
«Il modello Delft3D è sviluppato e gestito da Deltares nei Paesi Bassi, e la configurazione del lago di Garda è stata inizialmente generata da Menno Genseberger. La creazione di un modello che risponda in maniera adeguata rispetto alle osservazioni richiede esperti della fisica dell’ambiente, come quelli del ToffolonLab. Marina, in particolare, ha dedicato molto tempo e numerosi sforzi per incrementare le capacità e le prestazioni del modello. Anche il mio esperto di modellazione Michael Kliphuis dell’Università di Utrecht ha dato un certo contributo al funzionamento del modello su uno dei sistemi nazionali di supercalcolo dei Paesi Bassi».
Da uno studio pubblicato nel 2020 è emersa un’ottima correlazione tra i risultati del modello numerico e i fenomeni osservati nella realtà, che dimostra la validità del modello. Quali sono le sue possibili applicazioni?
«In effetti, il modello del lago di Garda è stato calibrato rispetto a tutte le osservazioni disponibili e grazie a questo modello ora siamo più preparati ad affrontare una serie di questioni scientifiche. Due di queste, alle quali stiamo lavorando attualmente, riguardano il modo in cui il rimescolamento profondo modificherà il lago di Garda alla luce del futuro riscaldamento globale, e l’elaborazione di una strategia efficiente di ricerca e soccorso nel lago, per esempio per trovare persone scomparse. Sul primo problema stiamo collaborando con il gruppo di Dino Zardi sui cambiamenti della circolazione atmosferica, in particolare con Lorenzo Giovannini, mentre il secondo problema ha implicazioni sociali più estese».
Lei sostiene che nell’attuale scenario di riscaldamento globale la circolazione profonda, che può spingersi fino sul fondo del lago, potrebbe diventare un fenomeno sempre più rilevante. Cosa significa? Che gli effetti del riscaldamento globale potrebbero essere attenuati, e che specie di pesci altrimenti destinati a scomparire potrebbero continuare a vivere e riprodursi? Può fare qualche esempio?
«L’idea di fondo è che il cambiamento indebolirebbe il rimescolamento profondo perché il lago diverrebbe più stratificato per via del riscaldamento superficiale. Tuttavia, anche i cambiamenti del vento che soffia sulla superficie del lago sono importanti per il rimescolamento profondo e quindi gli scenari di cambiamento del campo di vento in condizioni di riscaldamento globale devono essere determinati mediante attenta modellazione. Una volta ottenute delle proiezioni di come cambieranno le caratteristiche del lago, per esempio in termini di livelli di ossigeno, gli ecologi potranno valutare gli impatti potenziali sugli ecosistemi del lago».
Lei ora si divide tra Utrecht e Trento. Quali progetti ha in cantiere?
«Guido un gruppo di ricerca piuttosto numeroso all’Università di Utrecht, che diventerà ancora più grande in ottobre quando inizierà il progetto per cui ho ricevuto un ERC Advanced grant. E sono anche il direttore del Centre for Complex Systems Studies dell’Università di Utrecht, un incarico che mi è stato appena rinnovato fino al 2028. Per questo sarò a Utrecht per la maggior parte del tempo. Tuttavia cercherò di venire a Trento il più spesso possibile per lavorare con alcuni gruppi del Dicam (al momento quelli guidati da Toffolon, Siviglia e Zardi). Per fortuna abbiamo da poco comprato un appartamento a Calceranica al Lago, così posso sempre contare su un bel posto dove stare».
PER APPROFONDIRE
Importance of planetary rotation for ventilation processes in deep elongated lakes: Evidence from Lake Garda (Italy) (Scientific Reports, 2019)
Involving citizens in hydrodynamic research: A combined local knowledge - numerical experiment on Lake Garda, Italy (Science of The Total Environment, 2020)
Multi-scale evaluation of a 3D lake model forced by an atmospheric model against standard monitoring data (Environmental Modelling and Software, 139, 105017 (2021)
What makes an elongated lake ‘large’? Scales from wind-driven steady circulation on a rotating Earth, (Journal of Great Lakes Research, 46(4), 703-717 (2020)
A multi-site, year-round turbulence microstructure atlas for the deep peri-alpine Lake Garda (Nature Scientific Data, 8:188 (2021)
The Oceans and Lake Garda under global warming
Henk Dijkstra, professor at Utrecht and Trento, studies the link between ocean currents and climate
by Elisabetta Brunelli
To study the role of the oceans in climate and the effects of global warming on the ocean and lakes is the main research effort of Henk Dijkstra, physicist from the Utrecht University Marine and Atmospheric Research Institute, author of three books and over 300 articles in international scientific journals. He has been collaborating for some time with the group led by Marco Toffolon of the UniTrento Department of Civil, Environmental and Mechanical Engineering to understand what is happening in the deeper parts of Lake Garda. His analysis tools are modern numerical techniques, dynamical systems approaches and more traditional modeling efforts. Dijkstra's relationship with UniTrento has now been strengthened with a three-year contract as a dual-membership professor.
Professor Dijkstra, you are best known for your studies on the oceans and phenomena of climate variability, such as El Niño, and you are now exploring the consequences of the weakening of the warm current in the Atlantic Ocean on the climate of Western Europe. What led you to study Lake Garda and to collaborate with ToffolonLab?
«From 2010-2014, I was involved in a Dutch research project to study the effect of stratification variations in the Atlantic Ocean on phytoplankton distributions. Our task was to measure the upper 100m turbulence in the ocean. We thought that a deep lake would be a nice laboratory for testing out ideas on mixing in stratified liquids and its effects on phytoplankton growth. And so in 2014 we carried out a short field campaign in the south of Lake Garda, near Sirmione. Through our contacts at Deltares, we got to know Marco Toffolon and his group at UniTrento that had just started modeling Lake Garda (PhD Marina Amadori) with the Delft3D model».
Together, in 2019, your group and ToffolonLab discovered that the rotation of the Earth alters the movement of the waters of Lake Garda and influences the mixing of the water, which is fundamental for the well-being of the ecosystem. This is a phenomenon that typically occurs in the oceans. Why is it also found in Lake Garda?
«It was generally believed that Lake Garda would be too small for effects of the Earth’s rotation to be important. From 2016, I had some spare funds at Utrecht University and was able to hire Sebastiano Piccolroaz (working from Trento) who carried out a year-long monitoring of turbulence quantities and temperature in Lake Garda. From these results, we could clearly see the effects of the Earth’s rotation on the lateral temperature distribution in the lake. With further theoretical work, in particular by Marina and Marco, we could explain that also narrow deep lakes are affected by rotation. This was subsequently demonstrated in the Delft3D model, where we could compare flows with and without the Earth’s rotation».
Your method of study consists in describing the lake's hydrodynamics, that is what happens under and above the surface of lakes and oceans, using a numerical model. What skills are required to develop these models? What type of scientists are working in your team?
«The Delft3D model is developed and maintained by Deltares in the Netherlands and the Lake Garda configuration was initially generated by Menno Genseberger. It requires excellent environmental physicists, such as in the Toffolon group, to create a model which performs adequately in comparison with observations. Marina, in particular, has spent an enormous amount of time and effort to increase the capabilities and performance of the model. My model support specialist Michael Kliphuis at Utrecht University also helped quite a bit to get the model running on one of the national supercomputer systems in the Netherlands».
A study published in 2020 demonstrated that there is a good agreement between the results of the numerical model and the phenomena observed in the real world, and confirmed that the model works. What are the possible applications of these findings?
«Indeed, the Lake Garda model has been calibrated against all available observations and with this model we are now able to better address a range of scientific issues. Two of such issues on which we are currently working are how deep mixing will change in Lake Garda under future global warming and how to design an optimal strategy for search and rescue in the lake, e.g. for recovering missing people. For the first issue we collaborate with Dino Zardi’s group on atmospheric circulation changes, in particular with Lorenzo Giovannini, and second issue has a strong societal connection».
You argue that in the current global warming scenario, the deep circulation, which can go all the way down to the bottom of the lake, could become an increasingly important phenomenon. What does it mean? That the effects of global warming could be mitigated, and species of fish facing extinction could continue to live and breed? Can you give some examples?
«The idea is that climate change would weaken deep mixing because the lake becomes more stratified by the surface warming. However, changes in the wind forcing over the lake are also important for deep mixing and hence scenarios of the changes in the wind field under global warming need to be determined by careful modeling. Once we have projections on how the lake properties will change, for example the oxygen levels, ecologists can assess potential impacts on the lake’s ecosystems».
Now you are living in Utrecht and Trento. What are the projects you are working on?
«I have quite a large research group at Utrecht University, which will even increase in size when my recently awarded ERC-AdG project starts this October. I am also director of the Centre for Complex Systems Studies at Utrecht University, which just got renewed up to 2028. Hence, I have to be in Utrecht for most of the time. However, I’ll try to be as often as possible in Trento to interact with several groups at Dicam (at the moment those of Toffolon, Siviglia and Zardi). It helps that we recently bought an apartment in Calceranica al Lago so we always have a nice place to stay».
FOR FURTHER INFORMATION
Importance of planetary rotation for ventilation processes in deep elongated lakes: Evidence from Lake Garda (Italy) (Scientific Reports, 2019)
Involving citizens in hydrodynamic research: A combined local knowledge - numerical experiment on Lake Garda, Italy (Science of The Total Environment, 2020)
Multi-scale evaluation of a 3D lake model forced by an atmospheric model against standard monitoring data (Environmental Modelling and Software, 139, 105017 (2021)
What makes an elongated lake ‘large’? Scales from wind-driven steady circulation on a rotating Earth, (Journal of Great Lakes Research, 46(4), 703-717 (2020)
A multi-site, year-round turbulence microstructure atlas for the deep peri-alpine Lake Garda (Nature Scientific Data, 8:188 (2021)