Quindi il clima si sta riscaldando. Che importa?

Il cambiamento climatico ha un problema di pubbliche relazioni in America. Per decenni, l'abbiamo chiamato "riscaldamento globale", ' una frase dal suono innocuo che invoca un leggero aumento delle temperature in tutto il mondo, come alzare il termostato in una casa.

"La gente ha chiesto, quindi il clima si sta scaldando. A chi importa?" disse Michael B. McElroy, il Gilbert Butler Professore di Studi Ambientali all'Università di Harvard. "E gli scienziati sono in parte responsabili di questo a causa di come abbiamo descritto il cambiamento climatico".

È stato difficile preoccupare gli americani per un aumento di un grado della temperatura in un periodo di 100 anni, soprattutto quando la maggior parte delle immagini associate al riscaldamento globale - lastre di ghiaccio che si sgretolano o un solitario orso polare che attraversa un paesaggio fuso - sembra così distante.

Ma il cambiamento climatico è qui. Mitigare gli effetti del riscaldamento globale, meglio descritti come cambiamenti irreversibili nella struttura del clima, è qualcosa di più che salvare il pianeta a lungo termine; si tratta di salvare vite umane nel breve termine.

Da forti tempeste e inondazioni catastrofiche a siccità da record e incendi mortali, Gli americani vivono ogni giorno con le conseguenze di un clima che cambia. Ancora, la maggior parte degli americani non credeva che il cambiamento climatico li avrebbe danneggiati personalmente, secondo uno studio della Yale University. Questa connessione, tra il cambiamento climatico e la salute umana, è stata, in gran parte, manca dalle conversazioni pubbliche e dal dibattito politico in America oggi.

I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) stanno esplorando la connessione tra la salute umana e un clima che cambia. Tra le loro scoperte:In Pennsylvania, giorni con livelli di ozono superficiale pericolosamente alti potrebbero aumentare del 100% nei prossimi decenni, aumentare il rischio di asma e altre malattie respiratorie nei bambini. Gli incendi a Washington potrebbero soffocare aree densamente popolate per giorni con fitte, fumo nocivo. Forti temporali in Texas, Oklahoma, Nebraska, Iowa, i Dakota e gli stati limitrofi potrebbero esaurire l'ozono protettivo nella stratosfera, esponendo gli esseri umani, bestiame e colture alle radiazioni ultraviolette nocive.

Stati Uniti orientali:il caldo sta aumentando

Se il mondo dovesse ridurre tutte le sue emissioni di carbonio domani, le temperature sono già aumentate abbastanza da causare ondate di calore più gravi e prolungate. Il calore estremo ha un grave impatto sulla salute umana. A seconda dei livelli di umidità, l'esposizione prolungata a oltre 100 gradi giorno può portare a colpi di calore e disidratazione, oltre che cardiovascolare, respiratorio, e malattie cerebrovascolari.

Nell'ultimo decennio, ondate di caldo estremo negli Stati Uniti hanno ucciso centinaia di persone, per lo più anziani e poveri nelle aree urbane, e costa decine di miliardi di danni. città del nord, come Chicago, New York, Filadelfia e Boston, meno preparati ad affrontare temperature eccessive, probabilmente affronterà il peso maggiore della salute pubblica delle ondate di calore nei prossimi anni.

Con poca capacità di fermare future ondate di calore, l'opzione migliore per mitigare i danni è la preparazione. Migliorare la nostra capacità di prevedere con precisione le ondate di calore può salvare vite umane.

La maggior parte dei modelli attuali non è in grado di prevedere oltre i 10 giorni circa e i modelli stagionali hanno una capacità limitata di prevedere eventi estremi. Nel 2012, Per esempio, il Centro di previsione del clima del National Weather Service ha previsto temperature estive normali nel nord-est e nel Midwest degli Stati Uniti. le regioni hanno vissuto tre distinti, eventi di caldo record a giugno e luglio che hanno provocato più di 100 morti.

Peter Huybers, Professore di Scienze della Terra e Planetarie presso il Dipartimento di Scienze della Terra e Planetarie e di Scienze e Ingegneria Ambientale presso SEAS, sta lavorando per comprendere e prevedere questi picchi di temperatura mortali. Huybers e il suo laboratorio hanno identificato modelli di temperatura della superficie del mare che possono prevedere un aumento delle probabilità di ondate di calore estremo negli Stati Uniti orientali fino a 50 giorni in anticipo. Questi modelli, come un'impronta digitale sulla superficie dell'Oceano Pacifico, precedono costantemente le ondate di calore negli Stati Uniti orientali.

Il team di Huybers ha scoperto che la mancanza di precipitazioni, che è noto per contribuire alle ondate di calore, è anche associato a questa impronta digitale, nota come Pacific Extreme Pattern. Sebbene non garantisca l'insorgere di un'ondata di caldo, vedere questo schema aumenta significativamente le probabilità che accada.

"La nostra tecnica è stata in grado di prevedere precedenti ondate di calore, comprese le micidiali ondate di caldo del 2012, ed era abile quando applicato a eventi precedenti tra il 1950 e il 1980, " ha detto Huybers. "Tuttavia, la tecnica non prevede gli anni del Dust Bowl degli anni '30, ricordandoci che anche altri fattori ambientali devono essere importanti".

Huybers e i suoi colleghi stanno continuando a ricercare questa connessione, spingendo l'orizzonte sulla previsione delle ondate di calore estive negli Stati Uniti orientali

Con più tempo per prepararsi, le società di servizi pubblici potrebbero assicurarsi di disporre di opzioni energetiche sufficienti per far fronte a un picco della domanda; gli agricoltori potrebbero modificare le tattiche di irrigazione per prevenire la perdita del raccolto; gli urbanisti potrebbero creare spazi di raffreddamento per gli anziani o quelli senza condizionatori d'aria e intensificare i programmi per tenere traccia dei senzatetto e dei costretti a casa, americani anziani malati cronici.

Mentre l'aria si riscalda a causa del cambiamento climatico globale, Le aree urbane e suburbane nordorientali potrebbero anche vedere un aumento dell'ozono a livello del suolo, il cattivo composto chimico che costituisce la maggior parte dello smog, soprattutto in estate.

L'ozono troposferico è creato da reazioni chimiche che coinvolgono ossidi di azoto (NOx), composti organici volatili (COV) e luce solare. Fabbriche, le centrali elettriche e le automobili producono la maggior parte degli NOx negli Stati Uniti.

È noto che l'ozono causa gravi malattie respiratorie ed è particolarmente pericoloso per i bambini, gli anziani, e le persone che soffrono di asma.

"Anche l'esposizione a breve termine all'ozono per poche ore o giorni è stata collegata a gravi effetti sulla salute, " ha detto Loretta J. Mickley, Senior Research Fellow in Interazioni Chimico-Clima nel Gruppo di Modellistica Chimica Atmosferica. "Alti livelli di ozono possono esacerbare le malattie polmonari croniche e aumentare i tassi di mortalità".

I ricercatori sanno da tempo che la temperatura e l'ozono sono collegati:più alta è la temperatura, più alti sono i livelli di ozono. Però, i ricercatori hanno anche stabilito che se le temperature superano i gradi Fahrenheit della metà degli anni '90, questa relazione può rompersi. Così, la domanda è:in che modo l'aumento delle temperature globali influenzerà la gravità e la frequenza dei giorni con livelli pericolosamente alti di ozono terrestre, noti come episodi di ozono?

Mickley e il suo team stanno svelando la complessa relazione tra l'ozono e l'aumento delle temperature negli Stati Uniti.

Nel 2016, lo studente laureato Lu Shen e Mickley hanno scoperto che se le emissioni locali e globali continuano senza controllo e le temperature aumentano come previsto, gli Stati Uniti potrebbero vedere un aumento dal 70 al 100 percento di episodi pericolosi di ozono, a seconda della regione.

Il Nordest, California e parti del sud-ovest, sarebbe più colpito, sperimentando fino a nove giorni in più all'anno di livelli di ozono non salutari nei prossimi 50 anni. Il resto del paese potrebbe sperimentare fino a tre giorni aggiuntivi di ozono malsano.

Cosa significa questo per la salute negli Stati Uniti? Aumenterebbero i ricoveri ospedalieri e le visite al pronto soccorso, casi di malattie respiratorie croniche, come asma e bronchite cronica, aumenterebbe, e più persone potrebbero morire per malattie respiratorie.

"Abbiamo bisogno di controlli ambiziosi sulle emissioni per compensare il potenziale di più di una settimana di giorni aggiuntivi con livelli di ozono non salutari, " disse Mickley.

La buona notizia è che abbiamo già visto il potente effetto che la regolamentazione ha sui livelli di ozono negli Stati Uniti. Tra il 1990 e il 2016, i livelli di ozono sono diminuiti significativamente, soprattutto sulla costa orientale, grazie al Clean Air Act e ai suoi emendamenti, che ha preso di mira i precursori dell'ozono.

La cattiva notizia è che le alte temperature possono invertire questa tendenza.

Mickley e il suo team stanno anche sviluppando strumenti per prevedere quando e dove gli americani sono maggiormente a rischio di aumento dei livelli di ozono a breve termine.

I ricercatori hanno scoperto che alti livelli di ozono estivo negli Stati Uniti orientali sono correlati a modelli meteorologici su larga scala in primavera, comprese le temperature della superficie del mare. Il team ha utilizzato questa relazione per prevedere i livelli medi di ozono estivo con una stagione di anticipo.

"Uno strumento di previsione potrebbe fungere da sistema di allerta precoce per le comunità più a rischio per i giorni di alta ozono, " ha detto Mickley. "Le comunità locali potrebbero mobilitare risorse e pianificare protocolli per aiutare i suoi cittadini più a rischio, compresi bambini e anziani, durante gli episodi della prossima stagione dell'ozono. Tali protocolli potrebbero includere avvisi per le persone di rimanere in casa".

Tempeste in fermento nel Midwest

Quando le temperature aumentano e più vapore acqueo evapora nell'atmosfera, le tempeste diventeranno più frequenti e più intense, specialmente nel Midwest.

Le inondazioni e i danni associati a queste tempeste rappresentano una minaccia per la vita e il sostentamento dei 60 milioni di persone che vivono negli stati del Midwest, soprattutto gli agricoltori che si affidano a modelli di precipitazioni prevedibili. Ma l'intensità di queste tempeste, combinato con fattori unici per la regione delle Grandi Pianure, può anche danneggiare lo strato protettivo di ozono che protegge la vita sulla Terra dalle dannose radiazioni ultraviolette.

James G. Anderson, il Philip S. Weld Professor of Atmospheric Chemistry presso SEAS e il Dipartimento di Scienze della Terra e dei Pianeti, sta studiando questo fenomeno. Nel 2012, la sua squadra ha scoperto che durante le intense tempeste estive nel Midwest, il vapore acqueo di queste tempeste viene iniettato in profondità nella stratosfera. Studiando la perdita di ozono nell'Artico in inverno, Anderson e i suoi collaboratori hanno stabilito che le combinazioni di temperatura e vapore acqueo convertono forme stabili di cloro e bromo in radicali liberi in grado di trasformare le molecole di ozono in ossigeno, implicando il vapore acqueo iniettato dalla tempesta nella perdita di ozono negli Stati Uniti in estate.

Utilizzando tecniche radar avanzate, Anderson e la sua squadra, compresi i ricercatori del Texas A&M e dell'Università dell'Oklahoma, ha recentemente scoperto che migliaia di tempeste ogni estate penetrano nella stratosfera per fornire carburante per queste reazioni, molto più di quanto si pensasse in precedenza.

"Piuttosto che grande, perdita di ozono su scala continentale che si verifica nelle regioni polari in inverno, queste osservazioni radar e la nostra nuova alta precisione, misurazioni della temperatura ad alta risoluzione spaziale hanno scoperto che la struttura della perdita di ozono negli Stati Uniti centrali è altamente localizzata su numerose regioni, " ha detto Anders.

Queste reazioni, a seconda della temperatura della stratosfera, potrebbe innescare una diminuzione del 12-17 percento dell'ozono nella bassa stratosfera una settimana dopo una tempesta. Ciò corrisponde a una diminuzione del 2--3 percento dell'ozono stratosferico nella regione del vapore acqueo potenziato. Anche una diminuzione dell'1% dell'ozono stratosferico può portare a un aumento del 3% del cancro della pelle negli esseri umani:ci sono tre milioni e mezzo di nuovi casi di cancro della pelle diagnosticati ogni anno solo negli Stati Uniti. Poiché la radiazione ultravioletta compromette anche la chimica molecolare della fotosintesi, un tale cambiamento potrebbe anche avere un effetto importante sull'agricoltura nel Midwest.

"Non si tratta solo di salute umana, si tratta di raccolti, bestiame, e la capacità di funzionare per lunghi periodi all'aperto in estate, " ha detto Anders.

Anderson e il suo laboratorio stanno sviluppando nuove piattaforme per osservare questo fenomeno in azione. Al centro di questo sforzo c'è una piattaforma di ricerca chiamata StratoCruiser, un pallone a super pressione progettato per raccogliere dati a una media di 75, 000 piedi, ben nella stratosfera.

Alimentato da una serie di celle solari, lo StratoCruiser volerà sopra gli Stati Uniti centrali per quattro o sei settimane, raccogliere dati su come il vapore acqueo iniettato nella stratosfera altera le proprietà delle particelle e avvia la serie di reazioni chimiche che distruggono l'ozono.

Anderson e il suo team stanno sviluppando strumenti di rilevamento abbastanza robusti da resistere a vento e pioggia da intense tempeste convettive ma abbastanza leggeri da consentire il pacchetto di strumenti, sospeso su un filamento di Kevlar sotto il palloncino, per campionare aria tra 40, 000 piedi e 75, 000 piedi.

Gli strumenti devono funzionare a temperature che vanno da meno 120 gradi a più 90 gradi Fahrenheit, resistere alla bassa pressione dell'alta atmosfera, alimentarsi e operare autonomamente per la missione di sei settimane.

Gli studenti universitari SEAS nell'Engineering Problem Solving and Design Project (ES 96) di Anderson stanno svolgendo un ruolo importante nella risoluzione di queste sfide di progettazione. Il team di studenti che ha progettato uno spettrometro che misura l'acido cloridrico (HCl) nell'atmosfera ha ricevuto $ 200, 000 dalla borsa di studio Undergraduate Student Instrument Project della NASA. Il nuovo strumento sarà lanciato dalla NASA nell'autunno 2017 da Ft. estate, Nuovo Messico.

Un altro progetto ES 96 per studenti universitari prevede la progettazione e la costruzione di una nuova classe di strumenti per misurare i radicali liberi e altre specie reattive da velivoli stratosferici alimentati a energia solare. Questi strumenti, che raccoglierà dati negli Stati Uniti ininterrottamente per tre mesi, fornirà la possibilità di prevedere la quantità di radiazione UV proiettata per regioni specifiche degli stati delle Grandi Pianure in estate. L'aereo stratosferico a energia solare può anche circumnavigare il globo per ottenere osservazioni relative alla risposta della struttura climatica a livelli crescenti di anidride carbonica e metano.

Una delle maggiori domande a cui Anderson e altri vogliono rispondere è se il processo di riduzione dell'ozono sia reversibile o meno.

Anderson sa quanto la scienza ben comunicata possa stimolare l'azione sui cambiamenti climatici. Fu la sua ricerca alla fine degli anni '80 che finalmente dimostrò il legame tra i clorofluorocarburi (CFC) delle bombolette aerosol, condizionatori e frigoriferi e il buco dell'ozono antartico. La scoperta è stato il passo fondamentale verso l'accettazione pubblica della connessione, che alla fine ha portato alla graduale eliminazione dei CFC ai sensi del Protocollo di Montreal firmato nel 1987 in 197 paesi.

"Abbiamo visto il potere della regolamentazione e della legislazione quando le potenze globali si sono unite e hanno deciso di vietare i CFC, " ha detto Anderson. "Dopo di che, pensavamo di aver risolto il problema dell'esaurimento dell'ozono. Ora, potrebbe essere peggiorato molto di quanto pensassimo dal cambiamento climatico. Se continuiamo su questo corso, le diminuzioni dell'ozono e gli aumenti associati del dosaggio UV potrebbero essere irreversibili".

L'Occidente sta bruciando

Solo nel 2016 più di 67, 000 incendi hanno bruciato oltre 5,5 milioni di acri negli Stati Uniti, un'area equivalente alle dimensioni del New Jersey. Se il riscaldamento globale continua a ritmo, i modelli prevedono che entro il 2050 la stagione degli incendi negli Stati Uniti occidentali sarà di circa tre settimane più lunga, doppiamente fumoso, e brucerà più area. Nei prossimi decenni, l'area bruciata ad agosto potrebbe aumentare del 65 per cento nel nord-ovest del Pacifico; potrebbe quasi raddoppiare nelle Montagne Rocciose Orientali/Grandi Pianure; e quadrupla nella regione della foresta delle Montagne Rocciose.

Ma gli incendi minacciano più della terra e delle case. Il fumo che producono contiene particelle che possono contaminare l'aria a centinaia di chilometri di distanza. Man mano che gli incendi aumentano di frequenza e intensità, sempre più comunità sono a rischio di esposizione prolungata a livelli nocivi di fumo, comprese aree densamente popolate come San Francisco in California, Alameda, e Contra Costa, e King County a Washington.

Mickley e l'Atmospheric Chemistry Modeling Group stanno sviluppando strumenti per prevedere l'impatto degli incendi sulla qualità dell'aria. Il lavoro fa parte di una collaborazione con la Yale University.

Tra il 2004 e il 2009, circa 57 milioni di persone negli Stati Uniti occidentali hanno sperimentato un'ondata di fumo, un termine coniato da Mickley e dai suoi colleghi per descrivere due o più giorni consecutivi di livelli insalubri di fumo degli incendi. Tra il 2046 e il 2051, il team ha stimato che più di 82 milioni di persone potrebbero essere colpite da ondate di fumo, principalmente nel nord della California, L'Oregon occidentale e le Grandi Pianure, dove il combustibile per il fuoco è abbondante.

In tutti gli Stati Uniti occidentali, il cambiamento climatico probabilmente farà sì che le ondate di fumo siano più lunghe, più intenso, e più frequenti. Circa 13 milioni di bambini e anziani in più, che sono a maggior rischio di malattie respiratorie, saranno colpiti dalle ondate di fumo rispetto ai giorni nostri.

Mickley e il suo team hanno sviluppato un modello per prevedere, a livello provinciale, aree più a rischio di ondate di fumo. Il modello consentirebbe ai governi locali o al servizio forestale degli Stati Uniti di dare la priorità a queste aree negli sforzi di mitigazione degli incendi come la pulizia del sottobosco secco o l'esecuzione di ustioni controllate.

"Non importa cosa accende un incendio, sia per fulmine che per disattenzione umana, la propagazione di un incendio è determinata dalla disponibilità di secco, combustibile facilmente infiammabile, " ha detto Mickley. "Attualmente stiamo vedendo e continueremo a vedere nei decenni futuri, temperature più calde aumentano la fornitura di tale combustibile. I massicci incendi del 2016 sono probabilmente un'indicazione di ciò che accadrà".

L'inquinamento non conosce confini

Non sono solo gli Stati Uniti continentali che stanno affrontando le conseguenze sulla salute del cambiamento climatico globale. Alaska, Le Hawaii e molti territori americani sono in prima linea nel cambiamento climatico.

Nel 2016, un DC-8 carico di strumenti scientifici è decollato da Palmdale, California, salendo attraverso un cielo denso di fumo di fuoco selvaggio e smog dalla vicina Los Angeles.

È stato un buon inizio per la prima tappa della missione di tomografia atmosferica (ATom), guidato da Steven C. Wofsy, l'Abbott Lawrence Rotch Professor of Atmospheric and Environmental Science presso SEAS e il Dipartimento di Scienze della Terra e dei Pianeti. Dal 2016, la missione ATom ha effettuato due viaggi intorno al mondo, da un polo all'altro, effettuando misurazioni atmosferiche per capire come l'inquinamento e i gas serra si muovono attraverso l'atmosfera.

La missione Atom, in collaborazione con la NASA, effettuerà un totale di quattro viaggi intorno al mondo. I dati raccolti contribuiranno a migliorare l'accuratezza dei modelli ambientali che informano le politiche climatiche.

Quella prima tappa ha dato al team di ricerca una visione che fa riflettere sulla portata del cambiamento climatico in America e nei territori americani. Diverse ore dopo aver lasciato il caldo torrido e gli incendi della California, la squadra ha sorvolato l'Alaska, dove grandi pozze d'acqua scure interrompevano quello che avrebbe dovuto essere un foglio continuo di bianco, ghiaccio polare.

"Il contrasto tra gli ambienti non avrebbe potuto essere ancora più drammatico, entrambi i luoghi stavano subendo enormi impatti dal clima di riscaldamento, " disse Wofsy.

E anche se nel nord dell'Alaska non stavano bruciando grandi incendi quando il team di Atom ha condotto la sua prima missione, i ricercatori hanno registrato alti livelli di inquinamento da incendi che bruciano a centinaia di miglia di distanza, nelle foreste della Siberia.

"L'inquinamento può essere trasportato ovunque, " disse Roisin Comme, ricercatore associato in scienze e ingegneria ambientale presso SEAS e membro del team ATom. "Abbiamo visto l'inquinamento a migliaia di miglia dalla costa, in quella che avrebbe dovuto essere l'aria più pulita del mondo. Abbiamo visto l'inquinamento dall'Asia trasportato sull'Oceano Pacifico e l'inquinamento dagli Stati Uniti sull'Atlantico. L'inquinamento non ha confini".

Speranza ingegneristica

Anche queste conseguenze del riscaldamento globale negli Stati Uniti non conoscono confini:colpisce giovani e vecchi americani, Urbaniti della costa orientale e agricoltori del Midwest.

Oltre a guidare gli sforzi per comprendere i sistemi che contribuiscono al riscaldamento del pianeta, i ricercatori di SEAS stanno anche sviluppando nuovi strumenti e tecnologie per aiutare a invertire, o almeno lento, il processo. Ciò include progetti volti a generare energia pulita e immagazzinarla in batterie a lunga durata.

Eric Mazur, il Professore Balkanski di Fisica e Fisica Applicata, ha studiato le proprietà delle strutture su scala nanometrica in silicio, che hanno applicazioni promettenti per migliorare la capacità delle celle solari. Jennifer Lewis, il professore Hansjörg Wyss di ingegneria biologicamente ispirata, ha contribuito a sviluppare materiali per la cattura e il sequestro del carbonio.

Professori Michael Aziz, il Professore Gene e Tracy Sykes di Materiali e Tecnologie Energetiche; e Roy Gordon, il Thomas Dudley Cabot Professore di Chimica e Professore di Scienza dei Materiali, stanno sviluppando non tossici, batterie a flusso di lunga durata ed economiche per immagazzinare energia da fonti di energia intermittenti, come il vento e il solare.

Anche gli studenti universitari SEAS sono coinvolti nello sforzo nel campus di Harvard.

In una classe ES96, Gli studenti SEAS hanno lavorato con l'Ufficio per la sostenibilità dell'università per valutare gli approcci alla resilienza ai cambiamenti climatici e sviluppare strategie per migliorare l'integrità della rete elettrica, edifici freschi durante il caldo estremo, e ridurre al minimo i danni da inondazioni.

"Anche se potremmo avere disfunzioni a Washington, parti degli Stati Uniti stanno facendo cose serie sul cambiamento climatico, "ha detto McElroy. "California e New England sono esempi brillanti. I sindaci delle principali città degli Stati Uniti sono stati leader nell'affrontare questi problemi. Così, dal lato ottimista, ci sono segni che le persone possono riunirsi e fare le cose".

È importante non perdere quell'ottimismo, disse Wofsy.

Lui e il team di Atom hanno visto qualcos'altro su quel primo volo dalla California:parchi solari ed eolici che generano elettricità senza emissioni di carbonio.

"Questa vista era molto più piena di speranza, " disse Wofsy. "Se applichiamo le nostre menti e le nostre risorse al problema, possiamo fare progressi significativi nel rallentare l'aumento della CO2 atmosferica. Ma è una sfida generazionale".