Nella famosa storia per bambini "Horton Hears a Who!" l'autore Dr. Seuss racconta di un elefante gentile e protettivo che si imbatte in un granello di polvere che ospita una comunità di creature microscopiche chiamate Whos che vivono nell'altrettanto minuscola cittadina di Whoville. Durante il loro viaggio insieme, Horton sostiene l'esistenza dei Chi che viaggiano nell'aria su un granello di polvere, mentre i dubbiosi contestano la conclusione. In definitiva, attraverso l'osservazione, emergono prove per gli organismi, ma indipendentemente dal risultato, questo granello ha alterato un mondo più grande del suo.

Anche se questo racconto è un'opera di fantasia, gli scienziati del clima e dell'atmosfera hanno preso in considerazione uno scenario di Whoville nella vita reale:particelle biologiche e materiale inorganico che si aggirano nell'atmosfera influenzano il clima. Ricerche precedenti hanno dimostrato che alcuni aerosol sono molto bravi a nucleare il ghiaccio, che potrebbero formare nuvole nella troposfera. Ma a causa della complessa chimica atmosferica e della mancanza di dati, gli scienziati non sono sicuri di quale percentuale di queste particelle attive nel ghiaccio siano di natura biologica e sufficientemente abbondanti nella troposfera da avere un impatto sul clima. Per di più, analizzare chimicamente i metaforici Whos dal loro granello si è rivelato difficile, fino ad ora.

Ricercatori di scienze atmosferiche nel Programma in Atmosfere, Oceani e clima (PAOC) presso il Dipartimento della Terra del MIT, Le scienze atmosferiche e planetarie (EAPS) hanno trovato un modo per differenziare il materiale biologico nell'atmosfera (bioaerosol) dal particolato non biologico con una precisione maggiore rispetto ad altri metodi, utilizzando l'apprendimento automatico. Quando applicato a campioni e dati atmosferici precedentemente raccolti, i loro risultati supportano la prova che in media questi bioaerosol costituiscono globalmente meno dell'1% delle particelle nella troposfera superiore, dove potrebbero influenzare la formazione delle nubi e, per estensione, il clima, e non intorno al 25-50 percento come suggeriscono alcune ricerche precedenti.

Il lavoro, guidato dal professore associato di chimica atmosferica del MIT Dan Cziczo e dalla studentessa Maria Zawadowicz, è stato pubblicato la scorsa settimana sulla rivista Chimica e fisica dell'atmosfera .

Bioaerosol in un sistema climatico complesso

Bioaerosol, un sottoinsieme di aerosol atmosferici, sono particelle o liquidi biologici sospesi nell'aria in un dato momento. Queste emissioni sono costituite da batteri aerei interi e frammentati, spore fungine, lievito, virus, pollini, e altri materiali dall'ambiente. Il loro solido, controparti non biologiche, aerosol inorganici, includere materiali come particelle di polvere minerale come apatite e monazite, e prodotti di combustione industriale come le ceneri volanti.

Gli scienziati sono da tempo interessati ai bioaerosol a causa del loro potenziale di formare cirri di ghiaccio, che hanno importanti implicazioni per il clima, riflettendo, assorbente, e trasmettere la luce solare e la radiazione termica infrarossa dalla Terra. Batteri come Pseudomonas syringae usano le loro proprietà nucleanti per formare cristalli di ghiaccio sulle piante di pomodoro e gli umani li hanno usati per creare la neve artificiale. Mentre i modelli atmosferici e climatici suggeriscono che i bioaerosol, media globale, non sono abbastanza abbondanti ed efficienti nel congelamento da influenzare significativamente la formazione delle nubi, i risultati della ricerca sono variati in modo significativo.

"Di recente, negli ultimi cinque-sette anni, si è discusso molto sulla quantità di materiale biologico presente nell'atmosfera, "Cziczo dice. "[I risultati dello studio] sono dappertutto sulla mappa, ma ci sono un gruppo di studi che dicono che è una piccola percentuale dell'aerosol atmosferico e ci sono alcuni studi che dicono che è molto, 25 percento o 50 percento. E così, quelli sono una specie di due campi che sono stati là fuori, e puoi immaginare che questi abbiano effetti davvero diversi sul nostro sistema climatico, sulle precipitazioni, sulla chimica».

Fino ad ora, è stato difficile raccogliere e identificare con certezza i bioaerosol. Le tecniche di misurazione specifiche del bioaerosol includono la raccolta di filtri accoppiata alla microscopia elettronica o la microscopia ottica con colorazione fluorescente. Gli scienziati hanno anche utilizzato la fluorescenza in situ con un sensore di bioaerosol integrato a banda larga (WIBS), oltre a misurare le forme e le dimensioni delle particelle. Il problema con questo è l'interferenza:si scopre spesso che i bioaerosol hanno firme chimiche simili al fumo, un aerosol inorganico. Inoltre, i ricercatori hanno provato a coltivare campioni per ceppi microbici, oltre ad analizzare i loro dati offline, nel laboratorio. Queste tecniche iniettano una significativa incertezza nelle misurazioni e alcuni studi hanno riportato concentrazioni di bioaerosol superiori alla misurazione totale dell'aerosol ottenuta, che è impossibile.

Nel caso non fosse abbastanza complicato, gli aerosol si alterano chimicamente e fisicamente quando entrano nella troposfera, interagendo con altri composti atmosferici, e più a lungo stanno lì prima di cadere, più invecchiano e si mescolano. Finalmente, tutto questo varia in base alla regione, stagione, clima, e altitudine, che possono influenzare le misurazioni, offuscando ulteriormente il confine tra bioaerosol e aerosol inorganici, e rendendo difficile la quantificazione.

Il gruppo di ricerca di Cziczo è interessato all'interrelazione tra particolato e formazione di nubi. Il suo team utilizza studi di laboratorio e sul campo per chiarire come le piccole particelle interagiscono con il vapore acqueo per formare goccioline e cristalli di ghiaccio, che sono attori importanti nel sistema climatico della Terra. Gli esperimenti includono l'uso di piccole camere a nebbia in laboratorio per imitare le condizioni atmosferiche che portano alla formazione di nubi e l'osservazione di nubi in situ da siti remoti in cima a montagne o attraverso l'uso di velivoli di ricerca.

Ripartizione dell'aerosol

"Una delle cose che sospettavamo era che i metodi precedenti per determinare il materiale biologico probabilmente sovraccaricavano [la loro abbondanza] perché cercavano e caratterizzavano altre cose come biologiche che in realtà non lo erano, " dice Cziczo.

Zawadowicz aggiunge:"Tutto nell'atmosfera è molto elaborato. È ciò che confonde molte di queste misurazioni".

Così, nel tentativo di frenare l'incertezza che circonda i bioaerosol nell'atmosfera e limitare la loro influenza sui processi di formazione delle nubi, Cziczo e Zawadowicz, insieme ai collaboratori della National Oceanic and Atmospheric Administration, ha sviluppato una tecnica che accoppia una tecnica chiamata analisi delle particelle mediante spettrometria di massa laser (PALMS) con l'apprendimento automatico. Qui, la spettrometria di massa a singola particella viene utilizzata per l'ablazione e la ionizzazione degli aerosol uno alla volta, scomponendoli in frammenti e ammassi di ioni, che vengono poi rilevati dallo strumento. Ogni aerosol analizzato in questo modo produce uno spettro con caratteristiche identificabili della sua composizione, come un'impronta chimica.

Il gruppo ha sfruttato la presenza di fosforo negli spettri di massa per addestrare l'algoritmo di apprendimento automatico di classificazione su campioni noti e quindi, innescato, lo ha applicato ai dati sul campo acquisiti dallo Storm Peak Laboratory del Desert Research Institute a Steamboat Springs, Colorado, e dal Carbonaceous Aerosol and Radiative Effects Study con sede nella città di Cool, California.

"Così, quello che Maria ha fatto è stato afferrare tutta una serie di particelle diverse, concentrandosi su quelli biologici, batteri, sia in uno stato vivo che morto, spore fungine, polline, lievito, qualsiasi cosa tu possa immaginare che potrebbe trasformarsi in un particolato atmosferico, " dice Cziczo. "E ha trovato il modo di disperdere questi materiali e poi portarli nello strumento in modo che potessimo vedere la loro composizione".

Alcune particelle sono state invecchiate chimicamente per imitare le interazioni atmosferiche, altri, fisicamente scomposti in modo che fossero abbastanza piccoli da essere analizzati e nebulizzati.

Sapendo che le principali emissioni atmosferiche di fosforo provengono da polveri minerali, prodotti della combustione, e particelle biologiche, hanno sfruttato la presenza di fosfato e ioni di azoto organico e i loro rapporti caratteristici in campioni noti per classificare le particelle. Nei bioaerosol, il fosforo si trova principalmente nei doppi strati fosfolipidici e negli acidi nucleici, mentre nelle polveri minerali come l'apatite e la monazite, si trova sotto forma di fosfato di calcio. Ma la divisione non è tagliata ed essiccata; composti come la polvere del suolo possono includere miscele interne di componenti biologici e inorganici.

Una volta analizzato, altri picchi e marcatori spettrali sono stati utilizzati per fornire ulteriori prove per la classificazione come biologica o non biologica e aumentare la fiducia nell'algoritmo e nei suoi risultati.

"Abbiamo scoperto che se facciamo alcuni rapporti di alcuni componenti nello spettro di massa che ci sono determinati ammassi che si formano, e abbiamo impiegato alcune tecniche statistiche avanzate per districare i cluster e vedere quali firme sono biologiche e quali no, " dice Zawadowicz. La nuova tecnica è stata in grado di classificare con precisione il 97 percento degli spettri, e quando applicato a spettri da dati di campo, ha scoperto che meno dell'1% era biologico per la media globale. Gli inventari delle emissioni di fosforo hanno contribuito a confermarlo.

L'improbabilità di un Whoville nella vita reale

Sebbene l'elenco dei bioaerosol testati e i set di dati utilizzati, che non includessero luoghi e tempi di alta e bassa concentrazione di bioaerosol, non fossero esaustivi, il gruppo ha trovato prove convincenti che, quando si trattava della formazione dei cirri, i bioaerosol erano un improbabile colpevole. Precedenti ricerche presumevano che la maggior parte del fosforo trovato nell'atmosfera fosse biologico, ma Cziczo fa notare che questo è in conflitto con gli inventari delle emissioni di fosforo, implicando che i composti inorganici venivano spesso scambiati per biologici. Per Cziczo questa scoperta che i bioaerosol rappresentavano in media meno dell'1 percento era la pistola fumante.

"Non basta dire che una particella è brava a nucleare il ghiaccio, deve anche avere un'abbondanza che provochi la formazione di nubi. E sembra molto meno certo ora che abbiamo abbastanza di questi prodotti biologici per creare l'effetto che alcune persone hanno suggerito in letteratura, "dice Cziczo. "Invece, è molto più probabile che ci siano altre cose che stanno causando la nucleazione del ghiaccio come le particelle di polvere minerale".

Anche se la ricerca di Cziczo e Zawadowicz ha gettato più ombra sull'esistenza di un "Whoville, "dicono che il loro lavoro è appena iniziato.

"Quindi ora che abbiamo una comprensione di come si presenta [la presenza di bioaerosol nell'atmosfera], e abbiamo alcuni dati sul campo per dire quanto sia abbondante in diverse stagioni in diverse località, la domanda è:i modelli sono corretti?" dice Cziczo, che ha in programma di collaborare con il ricercatore senior EAPS Chien Wang e il professore associato Colette Heald presso il Dipartimento di ingegneria civile e ambientale del MIT con un incarico congiunto in EAPS, entrambi i quali studiano e modellano anche l'impatto dell'aerosol e del clima. Dice Cziczo, "Vedremo di lavorare con loro in futuro e vedere se possiamo unire tutti questi dati:i dati di laboratorio, i dati del campo, e i modelli insieme."

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.