Jon Thompson cerca di scoprire come la composizione e la morfologia delle particelle influenzino la loro capacità di assorbire o riflettere la luce, riscaldando o raffreddando così il clima.

L'attenzione sulle cause alla base del cambiamento climatico è incentrata principalmente sull'anidride carbonica (CO2), che può vivere nell'atmosfera per più di 100 anni. Ridurre la quantità di anidride carbonica è stato l'obiettivo di molti che lavorano per ridurre il cambiamento climatico.

Ma l'anidride carbonica non è l'unico fattore che ha portato a un cambiamento climatico. particolato, più comunemente noti come aerosol atmosferici, esistono nell'atmosfera in concentrazioni numeriche di diverse migliaia per centimetro cubo di aria e possono riscaldare o raffreddare l'atmosfera. Gli aerosol che assorbono fortemente la luce solare riscalderanno l'atmosfera, mentre quelli che riflettono la luce solare nello spazio raffredderanno la terra. Il rapporto specifico tra luce riflessa e luce assorbita è cruciale per determinare l'effetto netto. Questo rapporto è descritto da aerosol albedo.

Ma quali sono i fattori che determinano l'esatta quantità di luce assorbita o riflessa dall'aerosol? Questa è la domanda che Jon Thompson, ricercatore della Texas Tech University, ha cercato di risolvere dai suoi giorni di dottorato.

"All'epoca si sapeva che gli aerosol avevano probabilmente un impatto sul clima, ma i ricercatori volevano migliori vincoli quantitativi su tali effetti, " ha detto Thompson, professore associato presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica. "La domanda scientifica generale è, qual è l'impatto climatico degli aerosol atmosferici? La presenza di aerosol aumenta o diminuisce la riflessività del pianeta, e qual è l'effetto netto sulla temperatura?"

Fare quello, i ricercatori hanno esaminato non solo i diversi tipi di aerosol presenti nell'atmosfera, ma anche la loro combinazione con altre sostanze chimiche, in particolare carbonio nero, e come ciò influisca sulla riflettività.

Cos'è un aerosol?

Menzionare l'aerosol alla persona media e hanno visioni di lacca per capelli o altre emissioni domestiche da una bomboletta pressurizzata che si disperdono in una nebbia. Ma questo non è il tipo di aerosol che Thompson ei suoi colleghi ricercatori hanno esaminato nel corso degli anni.

"In realtà lo capisco molto ed è uno dei malintesi, le persone spesso pensano che io faccia ricerche sui deodoranti o qualcosa del genere, "ha detto Thompson.

Un aerosol è definito come una miscela di particelle solide fini o goccioline liquide nell'aria o in un altro gas. Ci sono diverse fonti di aerosol che esistono nell'atmosfera, ma si dividono essenzialmente in due categorie:naturali o artificiali, detto anche antropogenico.

Una fonte di aerosol naturale più comune nel Texas occidentale è la polvere portata dal vento, che si verifica in zone con forte vento e bassa umidità. Ma la polvere portata dal vento può viaggiare per diverse migliaia di miglia dalla sua fonte. Non è raro trovare particelle di sabbia del deserto provenienti dal deserto del Sahara in Florida o persino nel Texas orientale. Un'altra fonte di aerosol naturale è l'aerosol di sale marino, che è lo spruzzo creato dalle onde che si infrangono nell'oceano. Una terza fonte di aerosol naturale deriva da eruzioni vulcaniche che rilasciano anidride solforosa (SO2) che può reagire nell'atmosfera per creare aerosol di solfato.

L'aerosol di solfato è un aerosol secondario, che sono aerosol formati da una reazione chimica nell'atmosfera piuttosto che essere emessi direttamente. Ma molti aerosol secondari hanno fonti antropogeniche, come bruciare carbone o combustibili che contengono zolfo, ammoniaca prodotta dall'agricoltura, o combustibili fossili incombusti.

"Una volta che i gas precursori iniziano a reagire, hanno la tendenza a incorporare atomi di ossigeno nei prodotti di reazione, e ciò rende i materiali risultanti meno volatili, " ha detto Thompson. "Di conseguenza, i prodotti di reazione iniziano a condensarsi su altre particelle aumentando così la massa dell'aerosol secondario. Questo è il processo che vediamo in molti grandi centri abitati, come Los Angeles e Pechino, Cina." "La deposizione di materiale aggiuntivo può alterare drasticamente le proprietà ottiche delle particelle, quindi studiare il processo e i cambiamenti risultanti è fondamentale per comprendere l'effetto climatico dell'aerosol".

Misurazione delle proprietà ottiche dell'aerosol

Thompson ha iniziato a esaminare la questione dell'ottica dell'aerosol come parte di un gruppo che ha adattato il metodo Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) alla misurazione degli aerosol mentre lavorava alla sua tesi. CRDS è un processo in cui la luce di un laser pulsato rimbalza avanti e indietro tra specchi altamente riflettenti per creare un lungo percorso, di solito diversi chilometri, per misurare la perdita ottica.

Thompson e i suoi colleghi hanno integrato CDRS con Integrating Sphere Nepholometry (ISN), che è stato originariamente sviluppato dai ricercatori dell'Università del Nevada-Reno. L'ISN utilizza laser e una camera sferica per misurare la quantità di luce diffusa dagli aerosol.

Combinando le due tecniche, Thompson e i suoi colleghi hanno stabilito di poter misurare contemporaneamente quanta luce viene dispersa dagli aerosol e quanta viene assorbita con lo stesso campione, e farlo in un'atmosfera naturale ha impedito alle particelle di aerosol di accumularsi su un filtro, che possono alterare i risultati. Ulteriori progressi strumentali hanno consentito la misurazione della concentrazione di massa di carbonio nero o fuliggine in combinazione con le misurazioni ottiche.

Questo è ciò che è noto come misurazione dell'albedo dell'aerosol.

"Se l'albedo è uguale a uno, le particelle di aerosol sono perfettamente riflettenti e non assorbono affatto la luce, " disse Thompson. "Se l'albedo è uguale a zero, che non si verifica mai, sono perfettamente assorbenti. Ciò nonostante, possiamo misurare quel rapporto, e questo è estremamente importante per determinare se l'aerosol nell'atmosfera porterà o meno al riscaldamento o al raffreddamento del clima".

carbonio nero

Uno dei principali fattori sconosciuti sul fatto che gli aerosol assorbano o riflettano la luce è la loro interazione con il carbonio nero, che si forma dalla combustione incompleta di motori diesel o benzina.

La miscelazione del carbonio nero con un materiale secondario come sostanze organiche o solfati aumenta effettivamente la capacità di assorbimento delle particelle miscelate, ma quanto dipende da dove si trova il black carbon, se è al centro della particella o attaccato al lato.

Anche l'umidità gioca un ruolo importante nella composizione delle particelle. Il carbone nero di per sé non assorbe molto l'acqua, ma quando mescolato con solfato o nitrato, diventerà più igroscopico e raccoglierà acqua dall'atmosfera, che permette alla particella di crescere.

"Vogliamo studiare l'organizzazione della particella e sapere come i materiali si mescolano e dove si trova il carbonio nero all'interno della particella, "Ha detto Thompson. "Si dissolve? Si immerge al centro della goccia? È in superficie? In che modo ciò influisce sulle proprietà di assorbimento della luce del materiale? Crediamo che questi dettagli non siano stati tutti elaborati, tuttavia hanno profonde conseguenze sulla quantità di luce che viene assorbita."

Thompson ha precedentemente effettuato misurazioni ottiche sia in un laboratorio qui a Lubbock, sia a Houston, dove il clima è molto più umido lungo la costa del Golfo. I risultati di questi esperimenti hanno mostrato che, con ulteriori ricerche, i segreti dell'organizzazione delle particelle di aerosol con il black carbon possono essere svelati e le loro propensioni ad assorbire la luce possono essere determinate.

Thompson ei suoi colleghi sperano di ottenere ulteriori finanziamenti per continuare questa ricerca su scala più ampia.

"Tutte queste cose devono essere risolte per capire meglio come il black carbon influenza il sistema climatico, " ha detto Thompson. "Questi sono i tipi di cose su cui vorremmo lavorare con i dispositivi che abbiamo sviluppato".