Per la prima volta, un team di ricerca internazionale guidato dall'Istituto Leibniz per la ricerca troposferica (TROPOS) ha studiato le particelle di nucleazione del ghiaccio atmosferico (INP) nelle carote di ghiaccio, che può fornire approfondimenti sul tipo di copertura nuvolosa nell'Artico negli ultimi 500 anni. Questi INP svolgono un ruolo importante nella formazione del ghiaccio nelle nuvole, e quindi hanno una grande influenza sul clima. Finora, però, ci sono solo poche misurazioni che risalgono solo a pochi decenni. Il nuovo metodo potrebbe fornire informazioni sulle nuvole storiche dagli archivi climatici e quindi colmare grandi lacune nelle conoscenze nella ricerca sul clima.

Il team di TROPOS, l'Università di Copenaghen, l'Università di Berna e l'Istituto Paul Scherrer scrive sulla rivista Lettere di ricerca geofisica che i risultati sulle variazioni delle concentrazioni di particelle nucleanti di ghiaccio nell'atmosfera nel corso dei secoli aiuterebbero i ricercatori del clima a comprendere meglio i futuri cambiamenti climatici.

Gli archivi climatici sono importanti per ricostruire il clima passato e fare dichiarazioni sullo sviluppo del clima nel futuro. In Europa, il tempo è stato osservato e registrato regolarmente solo per circa 300 anni. Per il periodo precedente e per le località prive di stazione meteorologica, però, la ricerca dipende dalle conclusioni degli archivi naturali. La ricerca sul paleoclima utilizza un'ampia varietà di archivi naturali come gli anelli degli alberi, carote di ghiaccio o sedimenti.

Negli ultimi decenni, sono stati sviluppati e perfezionati una serie di metodi che utilizzano indicatori indiretti (proxy climatici) per trarre conclusioni su fattori climatici come la temperatura, precipitazione, eruzioni vulcaniche e attività solare. Le nuvole sono responsabili delle precipitazioni, tra l'altro, ma sono molto sfuggenti e quindi difficili da studiare. Ma il numero, il tipo e l'estensione delle nuvole e il loro contenuto di ghiaccio hanno una grande influenza sul bilancio di radiazione dell'atmosfera, la temperatura al suolo e le precipitazioni, e le informazioni sui parametri che influenzano le nuvole sono quindi importanti per la ricostruzione del clima.

Un metodo per migliorare le nostre conoscenze sulle nuvole e il loro ruolo nella storia del clima è ora presentato da un team di ricerca internazionale dalla Germania, Danimarca e Svizzera. In accordo con loro, il team ha ricostruito per la prima volta le concentrazioni di particelle nucleanti di ghiaccio (INP) dalle carote di ghiaccio. Queste misurazioni potrebbero essere utilizzate per ricostruire la copertura nuvolosa in futuro.

"La formazione di ghiaccio nelle nuvole a fase mista è principalmente causata dalla formazione di ghiaccio eterogenea, cioè INP sono necessari per stimolare il congelamento delle goccioline di nubi superraffreddate. Il numero e il tipo di queste particelle quindi influenzano la precipitazione, durata e proprietà di radiazione delle nuvole. In laboratorio, siamo stati in grado di dimostrare che due tipi di particelle sono particolarmente adatte a questo scopo:polvere minerale dal suolo e varie particelle biologiche come batteri, spore fungine o polline, " spiega il dottor Frank Stratmann, capo del gruppo di lavoro sulle nuvole di TROPOS.

Le carote di ghiaccio sono spesso utilizzate per ricostruire vari parametri climatici come la temperatura, precipitazioni o eruzioni vulcaniche nel corso di migliaia di anni. Per lo studio ora pubblicato, il team è stato in grado di attingere a parti di due carote di ghiaccio dell'Artico:la carota Lomo09 è stata perforata sul ghiacciaio Lomonosovfonna alle Svalbard ad un'altitudine di 1200 metri nel 2009. La carota di ghiaccio EUROCORE è stata estratta in modo elaborato nel 1989 dalla vetta del Calotta glaciale della Groenlandia ad un'altitudine di oltre 3000 metri.

I campioni congelati di queste carote sono stati inviati a Lipsia, dove sono stati esaminati per l'INP. Piccoli campioni del ghiaccio sono stati sciolti e l'acqua di fusione divisa in tante piccole gocce da uno e 50 microlitri. Queste gocce sono state poste in due allestimenti sperimentali, ciascuno con quasi 100 piccoli trogoli, e sono stati poi raffreddati in maniera controllata. Queste configurazioni sono state precedentemente utilizzate in altri studi:L'array di nucleazione del ghiaccio di Lipsia (LINA) e l'array di gocce di nucleazione del ghiaccio (INDA) sono strumenti in cui le gocce vengono raffreddate in modo controllato. Attraverso una finestra di vetro, i ricercatori possono osservare a quale temperatura quante gocce si congelano. Il numero di gocce congelate viene quindi convertito nella concentrazione di particelle nucleanti di ghiaccio. "Nel 2015, I ricercatori statunitensi hanno ricavato le concentrazioni atmosferiche di INP dalla neve e dall'acqua piovana. Ciò che funziona per le precipitazioni dovrebbe funzionare anche per i campioni di ghiaccio è stato il nostro approccio. E così siamo stati i primi a dimostrare che le concentrazioni storiche di nuclei di ghiaccio possono essere estratte anche dalle carote di ghiaccio, " dice Markus Hartmann di TROPOS, che ha svolto le indagini nell'ambito della sua tesi di dottorato.

Questo apre nuove possibilità per la ricerca sul paleoclima. Dagli anni '30, innumerevoli carote di ghiaccio sono state estratte dai ghiacciai di tutto il mondo ed è stato ricostruito il clima del passato. Le informazioni sulla fase cloud (cioè, se contiene ghiaccio o acqua liquida) non era disponibile. Lo studio dei ricercatori polari e atmosferici è un primo passo in questa direzione. Poiché il team non disponeva di un nucleo di ghiaccio continuo, poteva solo ricostruire le particelle di nucleazione del ghiaccio dai singoli anni del periodo 1735-1989 in Groenlandia e 1480-1949 alle Svalbard. Globale, non c'è stata alcuna tendenza nelle particelle nucleanti di ghiaccio nell'ultimo mezzo millennio. "Però, l'Artico si sta riscaldando drammaticamente solo da circa 25 anni. Il ghiaccio analizzato ora si è formato prima che iniziasse questo forte riscaldamento. Sarebbe quindi auspicabile sia la misurazione di un nucleo di ghiaccio continuo che di ghiaccio più recente, " aggiunge Markus Hartmann.

Il fatto che l'umanità abbia causato il riscaldamento globale attraverso le emissioni è indiscusso tra i ricercatori. Però, non è chiaro quanto le nuvole nell'atmosfera siano cambiate di conseguenza. I ricercatori sperano quindi anche di ottenere importanti informazioni dalle indagini sulle particelle nucleanti di ghiaccio nell'aria. Nell'autunno/inverno 2016, un team dell'Università di Pechino, TROPOS, l'Università di Göteborg e l'Accademia cinese delle scienze, ha misurato le concentrazioni di particelle nucleanti di ghiaccio nell'aria della capitale cinese Pechino. Però, non sono stati in grado di dimostrare alcun collegamento con l'alto livello di inquinamento atmosferico.

"Supponiamo quindi che le particelle nucleanti di ghiaccio a Pechino provengano più da fonti naturali, come tempeste di polvere o la biosfera, entrambi sono noti come fonti di particelle nucleanti di ghiaccio, che da processi di combustione antropica, " afferma il Dr. Heike Wex di TROPOS. Ma questa è un'istantanea di un luogo e l'influenza indiretta dell'uomo non dovrebbe essere dimenticata:i cambiamenti nell'uso del suolo o la siccità hanno un impatto sulla polvere nell'atmosfera e sulla biosfera, che a sua volta può portare a cambiamenti nelle nuvole." Per comprendere meglio gli effetti dell'umanità sull'atmosfera, i ricercatori del cloud misurano sia nei punti caldi dell'inquinamento atmosferico, come le metropoli dei paesi emergenti, sia in regioni relativamente pulite come le regioni polari.

Finora, relativamente poco si sa circa la quantità, proprietà e fonti di particelle nucleanti di ghiaccio nell'Artico, sebbene siano un fattore importante nella formazione delle nuvole e quindi per il clima lì. Le serie temporali lunghe con risoluzione temporale mensile o settimanale sono praticamente inesistenti, ma essenziale per studiare gli effetti stagionali. Nel diario Chimica e fisica dell'atmosfera , una rivista ad accesso aperto della European Geosciences Union (EGU), una squadra internazionale, guidato anche da TROPOS, ha recentemente pubblicato una panoramica delle variazioni stagionali nelle concentrazioni dei nuclei di ghiaccio nell'Artico. Campioni provenienti da quattro stazioni di ricerca nell'Artico dal 2012/2013 e 2015/2016 sono stati studiati nel Lipsia Cloud Laboratory di TROPOS:Alert in Canada, Ny-Ålesund a Spitsbergen (Norvegia), Utqiagvik (Barrow) in Alaska (USA) e Villum (Stazione Nord) in Groenlandia (Danimarca).

"Questo ci dà una panoramica delle variazioni tra le stagioni:più abbondanti sono le particelle nucleanti di ghiaccio nell'aria dalla fine della primavera fino all'inizio dell'autunno, le minori si trovano in inverno e all'inizio della primavera. Ciò influenza il modo in cui il tipo di copertura nuvolosa nell'Artico cambia durante l'anno e quindi l'influenza delle nuvole sul riscaldamento dell'Artico, " spiega Heike Wex. I ricercatori sperano che gli studi portino a migliori previsioni sui cambiamenti climatici, poiché i modelli climatici attualmente non sono in grado di riflettere adeguatamente il riscaldamento dell'Artico, che porterà a incertezze che vanno dall'innalzamento del livello del mare ai cambiamenti climatici regionali in Europa.

Anche i complessi processi di feedback tra biosfera e clima faranno parte della spedizione MOSAiC:a settembre 2019, il rompighiaccio da ricerca tedesco Polarstern, guidato dall'Istituto Alfred Wegener (AWI), andrà alla deriva attraverso l'Oceano Artico per un anno. Fornito da ulteriori rompighiaccio e aerei, un totale di 600 persone provenienti da 17 paesi prenderanno parte alla spedizione MOSAiC. Insieme a un partner internazionale, l'AWI è responsabile delle cinque principali aree di ricerca:fisica del ghiaccio marino e copertura nevosa, processi nell'atmosfera e nell'oceano, cicli biogeochimici e l'ecosistema artico. TROPOS svolgerà un ruolo di primo piano in due misurazioni centrali:primo, un contenitore di telerilevamento per l'intera deriva del ghiaccio esplorerà continuamente l'aerosol verticale e la distribuzione delle nuvole utilizzando lidar, radar e radiometri a microonde. D'altra parte, un pallone legato misurerà lo strato limite dell'Artico nel modo più accurato possibile durante una sezione di volo. Entrambe le misure consentono di rilevare più o meno direttamente la distribuzione verticale delle particelle nucleanti di ghiaccio. Inoltre, TROPOS indagherà nuovamente il microstrato superficiale del mare e gli stagni di fusione, che è probabilmente una delle principali fonti di particelle nucleanti di ghiaccio nell'Artico.

Dal 2016, il Collaborative Research Center TR172 "Arctic Amplification" della German Research Foundation (DFG) ha studiato le ragioni per cui l'Artico si sta riscaldando molto più del resto della Terra. Oltre all'Università di Lipsia, la rete di ricerca comprende anche le università di Brema e Colonia, l'Istituto Alfred Wegener, il Centro Helmholtz per la ricerca polare e marina (AWI) e l'Istituto Leibniz per la ricerca troposferica (TROPOS) di Lipsia. Tilo Arnhold