Mappare i Fiumi del Mondo: Un Viaggio Affascinante nella Loro Morfologia

Avete mai pensato a quanto siano diversi i fiumi del nostro pianeta? Alcuni serpeggiano pigramente in pianure sconfinate, altri si dividono in mille rivoli, altri ancora scorrono dritti come autostrade d’acqua. Capire queste forme, la morfologia fluviale, è fondamentale non solo per i geologi e gli idrologi, ma per chiunque voglia comprendere come funziona il nostro mondo. La forma di un fiume, infatti, ci racconta storie affascinanti sui processi idrodinamici e sedimentari che lo modellano.

La Sfida: Una Visione Globale

Classificare i fiumi è un po’ come dare un nome e un cognome a queste incredibili arterie blu della Terra. Ci aiuta a capire le differenze tra i vari tipi, come si formano, come evolvono. Storicamente, abbiamo imparato a riconoscere fiumi meandriformi (quelli tutti curve), rettilinei, intrecciati (con tanti canali che si dividono e riuniscono attorno a isole di sedimento), anastomizzati (con canali multipli, stabili e separati da isole vegetate) e anabranching (simili agli anastomizzati ma più variabili).

Grandi studiosi come Leopold, Wolman, Rust e Schumm ci hanno dato le basi. Poi sono arrivati sistemi più complessi, come quello di Rosgen, che considerano pendenza, materiali del letto e altro ancora. Bellissimi lavori, davvero! Ma c’era un “ma”: la maggior parte di questi studi si concentrava su aree specifiche, su singole regioni o su scale limitate. Mancava una visione d’insieme, una classificazione sistematica globale che tenesse conto non solo della forma vista dall’alto (la planimetria), ma anche delle informazioni topografiche, come l’altitudine delle sponde, su scala mondiale. Immaginate la difficoltà!

La Nostra Ricetta: Dati Satellitari e Intelligenza Artificiale

Ecco dove entriamo in gioco noi, o meglio, dove entra in gioco la tecnologia moderna! Grazie ai progressi nel telerilevamento e nella scienza dell’informazione geografica, oggi abbiamo accesso a dati incredibili. Abbiamo utilizzato due ingredienti principali:

• Il dataset Global Inland Water Dynamics Characterization: basato su decenni di immagini satellitari Landsat (dal 1999 al 2021), ci mostra dove c’è acqua, se è permanente o dinamica (cioè se il livello cambia nel tempo), e come cambia. Pensate a immagini colorate dove ogni colore racconta la storia delle variazioni dell’acqua in quel punto!
• Il modello digitale di elevazione globale ASTER GDEM V3: una mappa 3D della Terra con una risoluzione di circa 30 metri, che ci fornisce informazioni cruciali sull’altitudine e sulla pendenza del terreno attorno ai fiumi.

Ma come mettere insieme tutto questo? Abbiamo sviluppato un processo per “scomporre” le immagini dei fiumi. Usando uno strumento chiamato RivaMap, abbiamo prima estratto le linee centrali dei fiumi e poi generato dei punti di campionamento lungo queste linee. Attorno a ogni punto, abbiamo ritagliato un “quadratino” di immagine di circa 30×30 km, contenente sia i dati sulla dinamica dell’acqua sia i dati di elevazione corrispondenti. Abbiamo creato così decine di migliaia di “blocchi” di immagine-elevazione.

A questo punto, è entrata in campo l’intelligenza artificiale. Abbiamo costruito un modello basato su una rete neurale profonda molto potente, la ResNet-50. L’abbiamo addestrata a riconoscere i diversi tipi di fiume “fondendo” insieme le informazioni visive delle immagini e quelle topografiche dell’elevazione. È come dare al computer due paia di occhi: uno guarda la forma, l’altro guarda l’altezza del terreno circostante. Questo approccio “fusione immagine-elevazione” si è rivelato molto efficace!

I Cinque Volti dei Fiumi (e le Loro Sfumature)

Il nostro modello ha imparato a classificare i fiumi del mondo nei cinque tipi principali che vi ho menzionato prima: meandriformi, rettilinei, anastomizzati, intrecciati e anabranching. Abbiamo etichettato manualmente migliaia di esempi per insegnare alla macchina, e alla fine ha raggiunto un’accuratezza notevole, superiore al 96%!

Ma non ci siamo fermati qui. Sappiamo che ogni fiume è un mondo a sé, e anche all’interno di una stessa categoria ci sono tante differenze. Così, abbiamo usato tecniche di clustering gerarchico (un metodo statistico per raggruppare dati simili) per andare ancora più a fondo. Abbiamo preso tutti i fiumi classificati come “meandriformi”, per esempio, e abbiamo chiesto all’algoritmo di trovare delle sotto-categorie basate su caratteristiche più fini. Lo stesso abbiamo fatto per gli altri tipi. Risultato? Siamo passati da 5 tipi principali a ben 17 sottotipi, catturando così variazioni morfologiche più dettagliate. È come passare da una foto sgranata a una ad alta definizione della diversità fluviale globale.

La Mappa Globale: Dove Trovare Ogni Tipo di Fiume

E ora, la parte forse più affascinante: dove si trovano questi diversi tipi di fiumi nel mondo? Abbiamo preso le coordinate geografiche di ogni nostro “blocco” di immagine e le abbiamo messe su una mappa globale. Ecco cosa abbiamo scoperto:

• I fiumi meandriformi sono i più comuni in assoluto (quasi il 70% del nostro dataset!) e si trovano praticamente ovunque, in tutti i continenti.
• I fiumi rettilinei (circa l’8%) preferiscono le grandi pianure e le aree dove l’uomo è intervenuto molto (pensate ai canali artificiali).
• I fiumi anastomizzati (circa il 7%) sono più rari ma formano concentrazioni dense in zone specifiche come la Russia settentrionale, il Golfo del Bengala e il basso bacino del Rio delle Amazzoni. Amano ambienti a bassa energia e sedimenti coesi (argillosi).
• I fiumi intrecciati (circa il 6%) si trovano soprattutto dove ci sono forti pendenze e grandi variazioni topografiche, come le pendici meridionali dell’Himalaya o alcune parti delle Ande. Qui i sedimenti sono abbondanti e l’energia è alta.
• I fiumi anabranching (quasi il 9%) sono più sparsi, ma con concentrazioni locali in zone ad alte latitudini alimentate dallo scioglimento delle nevi (Siberia, Canada settentrionale) e in bacini a bassa latitudine ricchi di sedimenti (come l’Amazzonia o il Mekong).

Questa distribuzione non è casuale, ovviamente. Riflette l’incredibile interazione tra clima, geologia, topografia e processi idrologici che danno forma ai nostri paesaggi.

Non Solo Forma: Altezza delle Sponde e Larghezza

Il nostro approccio ci ha permesso di guardare anche alle caratteristiche tridimensionali. Abbiamo sviluppato un metodo per misurare l’elevazione media delle sponde e la larghezza dei fiumi per ogni tipo. È emerso che i fiumi meandriformi e rettilinei tendono ad avere sponde significativamente più alte rispetto agli altri tipi. Questo probabilmente riflette processi di erosione laterale più dominanti, che scavano valli ben definite. Al contrario, i fiumi intrecciati e anabranching mostrano sponde più basse e variabili, segno di ambienti più dinamici dove deposizione ed erosione rimodellano continuamente le rive.

Per quanto riguarda la larghezza, i meandriformi sono i più stretti e concentrati, come ci si aspetta da un singolo canale stabile. I rettilinei sono leggermente più larghi. Gli anastomizzati, invece, mostrano una distribuzione di larghezze più ampia, riflettendo la complessità dei loro sistemi a canali multipli.

Perché Tutto Questo è Importante?

Questo studio rappresenta, a nostro avviso, un passo avanti significativo. Per la prima volta, abbiamo una classificazione sistematica della morfologia fluviale su scala globale, a livello di singolo tratto (reach scale), che integra sia la forma planimetrica sia le informazioni topografiche, utilizzando la potenza del deep learning.

Questo lavoro colma una lacuna importante nella nostra conoscenza e fornisce una base solida per future ricerche in geomorfologia fluviale e idrologia. Comprendere la distribuzione globale e le caratteristiche dei diversi tipi di fiumi è cruciale per la gestione delle risorse idriche, la previsione delle inondazioni, la conservazione degli ecosistemi acquatici e molto altro.

Certo, ci sono ancora limiti. La risoluzione dei dati, per quanto buona, potrebbe non catturare dettagli morfologici molto piccoli o localizzati. Il prossimo passo sarà integrare dati a risoluzione ancora più alta e magari misurazioni sul campo per affinare ulteriormente il nostro quadro. Ma la strada è tracciata: grazie alla tecnologia, stiamo svelando i segreti dei fiumi del mondo come mai prima d’ora. Ed è un viaggio davvero affascinante!

Fonte: Springer