Cinque anni fa, nel marzo 2014, i ricercatori hanno trascorso tre ore imballati a bordo di un vaporoso aereo di ricerca Gulfstream-1 mentre zigzagava tra l'aria incontaminata sopra la foresta pluviale amazzonica e l'aria inquinata nelle vicinanze. Era come un viaggio avanti (e indietro) nel tempo, mentre gli scienziati si intrecciavano tra le due impostazioni molto diverse, campioni d'aria impigliati caratteristici dell'ambiente industriale odierno, nonché campioni di aria non inquinata, così prima dell'era industriale.

Un team internazionale di scienziati guidato da Manish Shrivastava del Pacific Northwest National Laboratory ha analizzato alcuni dati e ha scoperto che l'inquinamento causato dall'uomo stimola la produzione di particelle che cambiano il clima note come aerosol organici secondari molto più di quanto si pensasse in precedenza. Il team ha pubblicato i suoi risultati in Comunicazioni sulla natura .

I risultati illustrano come l'inquinamento da automobili, centrali elettriche e altre fonti si combinano con le emissioni naturali degli alberi dell'Amazzonia per stimolare un marcato aumento di minuscole particelle che possono riflettere o assorbire la luce solare, aiuta a creare nuvole, cambiare i modelli di pioggia, e determinare come il carbonio scorre tra la terra e l'atmosfera, il tutto con effetti drammatici sul nostro pianeta.

Il risultato nasce da una campagna di ricerca, noto come GOAmazon, guidato dal Centro di ricerca sulla misurazione delle radiazioni atmosferiche, una struttura utente dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento di energia. La campagna si è concentrata sulla regione vicino e intorno a Manaus, una città brasiliana di oltre 2 milioni di persone che è circondata da foreste tropicali per centinaia di miglia. Gli scienziati si riferiscono al vasto baldacchino della foresta intorno a Manaus come un "Oceano Verde, " dando al nome della campagna le sue prime lettere.

La regione offre un ambiente di ricerca difficile da trovare altrove sulla terra. Da un lato di un confine indefinito c'è una foresta pluviale tropicale dritta con aria cristallina e livelli di 300 particelle di aerosol per centimetro cubo; dall'altra parte c'è l'aria sopra Manaus, con concentrazioni di particelle 100 volte superiori a causa dell'attività umana.

"Per capire davvero come l'inquinamento ha influenzato l'atmosfera, dobbiamo confrontare l'atmosfera di oggi con i tempi prima dell'era industriale, " ha detto Shrivastava. "Questo è impegnativo; Certo, non possiamo tornare indietro nel tempo. Ma l'Amazzonia è uno dei pochi posti sulla terra in cui possiamo studiare la chimica atmosferica sia del passato che del presente contemporaneamente".

In quel giorno di sole di cinque anni fa, l'aereo ARM si è spostato da un lato all'altro del confine, volando ogni secondo per la lunghezza di un campo da calcio, prelevare campioni d'aria dall'incontaminato e poi da quello inquinato.

"La regione offre un meraviglioso laboratorio naturale per capire come le emissioni antropogeniche abbiano un impatto sulla chimica atmosferica e sul clima, " disse Shrivastava.

Mentre solo una minuscola scheggia del nostro pianeta offre l'opportunità unica per questo studio, i risultati si applicano alla chimica atmosferica che si svolge ovunque sulla terra in ogni momento.

Questa chimica è alla base dei profumi rinfrescanti di un prato nel bosco o di fiori freschi. Quando quei profumi colpiscono il nostro nervo olfattivo, stiamo effettivamente rilevando una serie di gas, come isoprene e terpeni contenenti carbonio, che vengono emessi naturalmente da alberi e altra vegetazione. I gas contribuiscono all'ozono e ad altre forme di foschia che influiscono sulla quantità di luce solare che raggiunge la terra.

Quando queste emissioni naturali di carbonio interagiscono alla luce del sole con l'ossido di azoto – emesso naturalmente dal suolo ma anche un prodotto comune in gran parte emesso dall'attività umana – un risultato è la formazione di minuscole particelle note come aerosol organici secondari. Sebbene gli aerosol siano minuscoli, molto più piccolo della larghezza di un capello umano, non sono giocatori da poco quando si tratta del clima terrestre. Sono una componente importante nei cicli energetici e del carbonio del pianeta, determinando in parte il destino del vasto serbatoio di carbonio del pianeta e come scorre tra la terra e l'atmosfera.

Shrivastava e colleghi hanno cercato di capire come le emissioni antropogeniche aumentino la produzione di queste particelle di carbonio presenti in natura - quanto siano estesi gli effetti dell'attività umana nello stimolare la trasformazione dei gas espulsi dalla vegetazione in queste potenti particelle che cambiano il clima.

Il team ha integrato questi dati con altre misurazioni di laboratorio per sviluppare un modello informatico avanzato per simulare le reazioni chimiche che formano le particelle nell'atmosfera. Il modello fa il doppio dovere, riproducendo sia la chimica preindustriale che quella attuale. La maggior parte dei modelli è stata in gran parte creata sulla base delle condizioni attuali; le misurazioni di Amazon forniscono informazioni sulle condizioni della chimica preindustriale che hanno migliorato le capacità predittive del modello.

Il team ha scoperto che l'ossido di azoto emesso dalle attività umane come il traffico e le raffinerie di petrolio promuove la creazione di queste particelle dal carbonio naturale delle foreste molto più di quanto si pensasse in precedenza, causando un aumento medio compreso tra il 60 e il 200 percento e in alcuni casi anche fino al 400 percento. Questo è paragonato al 20 percento precedentemente stimato dagli scienziati sulla base di dati in località continentali più inquinate.

Il team ha anche dimostrato che la maggior parte di queste particelle secondarie contenenti carbonio sono state formate da questo fenomeno.

"L'impatto dell'inquinamento nella creazione di aerosol organici secondari è stato molto difficile da capire, " dice Shrivastava. "I nostri risultati indicano che l'atmosfera terrestre in molte località continentali è già stata sostanzialmente alterata dalle attività umane, e c'è un impatto molto più ampio e diffuso di quanto sia stato apprezzato."

Nella loro carta, Shrivastava e gli altri autori concludono:"I nostri risultati forniscono un quadro chiaro di come è probabile che le emissioni antropogeniche abbiano modificato notevolmente la formazione di SOA biogenica [aerosol organico secondario] fin dai tempi preindustriali sulla Terra, e implicano che la rapida urbanizzazione negli anni futuri potrebbe migliorare sostanzialmente la formazione di SOA biogenica nelle regioni boschive incontaminate dell'Amazzonia".

Shrivastava è uno dei tanti scienziati in tutto il mondo che stanno creando complessi modelli informatici per spiegare l'atmosfera e il sistema terrestre. Egli descrive l'atmosfera come "un grande reattore chimico che elabora costantemente sia le emissioni naturali che umane, e, a sua volta, influisce sia sul clima che sulla salute umana".