Le osservazioni dell'atmosfera terrestre mostrano che i temporali sono spesso più forti in presenza di alte concentrazioni di aerosol, particelle sospese nell'aria troppo piccole per essere viste ad occhio nudo.

Ad esempio, i fulmini sono più frequenti lungo le rotte marittime, dove i mercantili emettono particelle nell'aria, rispetto all'oceano circostante. E i temporali più intensi ai tropici si alzano sulla terra, dove gli aerosol sono elevati sia da fonti naturali che da attività umane.

Mentre gli scienziati hanno osservato per decenni un legame tra aerosol e temporali, il motivo di questa associazione non è ben compreso.

Ora gli scienziati del MIT hanno scoperto un nuovo meccanismo attraverso il quale gli aerosol possono intensificare i temporali nelle regioni tropicali. Utilizzando simulazioni idealizzate della dinamica del cloud, i ricercatori hanno scoperto che alte concentrazioni di aerosol possono aumentare l'attività dei temporali aumentando l'umidità nell'aria che circonda le nuvole.

Questo nuovo meccanismo tra aerosol e nuvole, che il team ha soprannominato il meccanismo di "trascinamento dell'umidità", potrebbero essere incorporati nei modelli meteorologici e climatici per aiutare a prevedere come l'attività temporalesca di una regione potrebbe variare al variare dei livelli di aerosol.

"È possibile che, pulendo l'inquinamento, i luoghi potrebbero subire meno tempeste, "dice Tim Cronin, assistente professore di scienze atmosferiche al MIT. "Globale, questo fornisce un modo in cui gli esseri umani possono avere un'impronta sul clima che non abbiamo davvero apprezzato molto in passato".

Cronin e il suo coautore Tristan Abbott, uno studente laureato presso il Dipartimento della Terra del MIT, Scienze Atmosferiche e Planetarie, hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista Scienza .

Nuvole in una scatola

Un aerosol è un insieme di particelle fini sospese nell'aria. Gli aerosol sono generati da processi antropici, come la combustione di biomasse, e combustione nelle navi, fabbriche, e terminali di scarico delle auto, nonché da fenomeni naturali quali eruzioni vulcaniche, spruzzi di mare, e tempeste di polvere. Nell'atmosfera, gli aerosol possono agire come semi per la formazione di nubi. Le particelle sospese fungono da superfici aerodisperse su cui il vapore acqueo circostante può condensarsi per formare singole goccioline che si appendono insieme come una nuvola. Le goccioline all'interno della nuvola possono scontrarsi e fondersi per formare goccioline più grandi che alla fine cadono sotto forma di pioggia.

Ma quando gli aerosol sono altamente concentrati, le tante minuscole particelle formano goccioline di nuvola altrettanto minuscole che non si fondono facilmente. Il modo esatto in cui queste nuvole cariche di aerosol generano temporali è una domanda aperta, sebbene gli scienziati abbiano proposto diverse possibilità, che Cronin e Abbott hanno deciso di testare in simulazioni di nuvole ad alta risoluzione.

Per le loro simulazioni, hanno usato un modello idealizzato, che simula la dinamica delle nuvole in un volume che rappresenta l'atmosfera terrestre su un quadrato di oceano tropicale largo 128 chilometri. La scatola è divisa in una griglia, e gli scienziati possono osservare come parametri come l'umidità relativa cambiano nelle singole celle della griglia mentre regolano determinate condizioni nel modello.

Nel loro caso, il team ha eseguito simulazioni di nuvole e ha rappresentato gli effetti dell'aumento delle concentrazioni di aerosol aumentando la concentrazione di goccioline d'acqua nelle nuvole. Hanno quindi soppresso i processi pensati per guidare due meccanismi precedentemente proposti, per vedere se i temporali sono ancora aumentati quando hanno alzato le concentrazioni di aerosol.

Quando questi processi sono stati chiusi, la simulazione ha comunque generato temporali più intensi con concentrazioni di aerosol più elevate.

"Ciò ci ha detto che queste due idee precedentemente proposte non erano ciò che stava producendo cambiamenti nella convezione nelle nostre simulazioni, "dice Abbott.

In altre parole, qualche altro meccanismo deve essere all'opera.

Tempeste di guida

Il team ha scavato nella letteratura sulla dinamica delle nuvole e ha trovato lavori precedenti che indicavano una relazione tra la temperatura delle nuvole e l'umidità dell'aria circostante. Questi studi hanno dimostrato che quando le nuvole si alzano si mescolano con l'aria limpida che le circonda, evaporando parte della loro umidità e di conseguenza raffreddando le nuvole stesse.

Se l'aria circostante è secca, può assorbire più umidità di una nuvola e abbassare la sua temperatura interna, tale che la nuvola, carico di aria fredda, è più lento a salire attraverso l'atmosfera. D'altra parte, se l'aria circostante è relativamente umida, la nuvola sarà più calda evaporando e si alzerà più velocemente, generando una corrente ascensionale che potrebbe trasformarsi in un temporale.

Cronin e Abbott si sono chiesti se questo meccanismo potesse essere in gioco nell'effetto degli aerosol sui temporali. Se una nuvola contiene molte particelle di aerosol che sopprimono la pioggia, potrebbe essere in grado di far evaporare più acqua nell'ambiente circostante. A sua volta, questo potrebbe aumentare l'umidità dell'aria circostante, fornendo un ambiente più favorevole per la formazione di temporali. Questa catena di eventi, perciò, potrebbe spiegare il collegamento degli aerosol all'attività temporalesca.

Hanno messo alla prova la loro idea utilizzando la stessa simulazione della dinamica del cloud, questa volta osservando la temperatura e l'umidità relativa di ciascuna cella della griglia all'interno e intorno alle nuvole mentre aumentavano la concentrazione di aerosol nella simulazione. Le concentrazioni che hanno fissato variavano da condizioni di bassa quantità di aerosol simili a regioni remote sopra l'oceano, ad ambienti ad alto contenuto di aerosol simili all'aria relativamente inquinata vicino alle aree urbane.

Hanno scoperto che le nuvole basse con alte concentrazioni di aerosol avevano meno probabilità di piovere. Anziché, queste nuvole hanno fatto evaporare l'acqua nell'ambiente circostante, creando uno strato d'aria umido che ha reso più facile per l'aria salire rapidamente attraverso l'atmosfera come forte, correnti ascensionali che generano tempeste.

"Dopo aver stabilito questo strato umido relativamente basso nell'atmosfera, hai una bolla d'aria calda e umida che può fungere da seme per un temporale, " dice Abbott. "Quella bolla avrà un tempo più facile salire ad altitudini di 10-15 chilometri, che è la profondità a cui le nuvole devono crescere per agire come temporali."

Questo meccanismo di "trascinamento dell'umidità", in cui le nuvole cariche di aerosol si mescolano e modificano l'umidità dell'aria circostante, sembra essere almeno una spiegazione del modo in cui gli aerosol guidano la formazione dei temporali, in particolare nelle regioni tropicali dove l'aria in generale è relativamente umida.

"Abbiamo fornito un nuovo meccanismo che dovrebbe darti un motivo per prevedere temporali più forti in parti del mondo con molti aerosol, "dice Abbott.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.