Lo strato di aerosol della tropopausa asiatica (ATAL) si trova tra i dodici ei 18 chilometri di altezza al di sopra del Medio Oriente e dell'Asia. Questo accumulo di aerosol nel monsone asiatico è stato scoperto per la prima volta nel 2011. La sua composizione ed effetto, però, sono stati finora sconosciuti. Un consorzio europeo di scienziati ha ora scoperto che questo strato è costituito da nitrato di ammonio cristallino. Nella camera a nebbia dell'AIDA, I ricercatori del clima del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno dimostrato come questa sostanza si forma nell'alta troposfera. I risultati sono riportati in Geoscienze naturali .

Utilizzando una combinazione intelligente di telerilevamento, misurazioni in loco, calcoli del modello meteorologico, misurazioni specifiche di laboratorio, e simulazioni numeriche dettagliate, il team ha studiato la distribuzione e la composizione degli aerosol nell'ATAL. Gli aerosol sono particelle sospese più piccole provenienti da una varietà di fonti naturali e antropiche. Nell'atmosfera, gli aerosol agiscono come nuclei di condensazione a cui si attacca il vapore acqueo gassoso e, così, forma goccioline di nuvole. Per la prima volta, un aereo da ricerca ha sorvolato i livelli superiori del monsone asiatico per studiare processi chiave di importanza globale. I diversi metodi e strumenti si sono completati a vicenda per verificare i risultati misurati. Scienziati di KIT, Forschungszentrum Jülich (FZJ), Università Johannes Gutenberg e Istituto Max Planck per la chimica, sia a Magonza, Istituto Alfred Wegener, l'Università di Wuppertal, Laboratoire de Métérologie Dynamique, Parigi, e l'Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima, Roma, ha preso parte.

"Sorprendentemente, abbiamo rilevato nitrato di ammonio cristallino come costituente principale in gran parte dell'ATAL, " afferma il dott. Michael Höpfner della divisione gas in tracce atmosferiche e telerilevamento dell'Istituto di meteorologia e ricerca sul clima (IMK-ASF) del KIT. I risultati inaspettati misurati, tra gli altri, dallo strumento GLORIA di KIT e Forschungszentrum Jülich sono stati poi confermati dai ricercatori climatici presso la camera a nebbia AIDA di KIT:"I nostri esperimenti hanno rivelato che, contrariamente all'opinione prevalente, le goccioline di nitrato di ammonio liquido cristallizzano in particelle solide a meno 50 gradi in presenza di piccole, inquinamenti principalmente contenenti zolfo. Queste particelle solide continuano ad esistere anche in condizioni di temperatura e umidità dell'alta troposfera, " afferma il Dr. Robert Wagner della Divisione di ricerca sugli aerosol atmosferici dell'Istituto di meteorologia e ricerca sul clima del KIT. Con le osservazioni satellitari, i ricercatori hanno infatti trovato grandi quantità di aerosol di nitrato di ammonio sopra l'Asia. Queste osservazioni risalgono all'anno 1997, quando l'ATAL non doveva ancora esistere.

"Con questo, abbiamo risolto l'annoso enigma della composizione di ATAL, " dice Michael Höpfner. Finora, è stato considerato altamente improbabile che questo aerosol esista ad altitudini così elevate, perché il gas precursore dell'ammoniaca viene lavato via dall'atmosfera molto rapidamente dalla pioggia. "Ma abbiamo rilevato concentrazioni di ammoniaca senza precedenti durante il monsone asiatico:i valori sono fino a cinquanta volte superiori rispetto alle misurazioni precedenti, " aggiunge Höpfner. Questo ammonio proviene principalmente dall'agricoltura, in particolare dall'allevamento e dalla fertilizzazione. Le più alte emissioni di ammoniaca si trovano attualmente in Asia. Durante il monsone, le masse d'aria inquinate vengono trasportate dalla superficie terrestre ad altezze fino a 18 km. Qui, l'ammoniaca reagisce al nitrato di ammonio, un aerosol che influenza sia la formazione che le proprietà delle nuvole.

"È ora per la prima volta che i nostri dati dimostrano che gli aerosol di nitrato di ammonio sono onnipresenti nell'alta troposfera durante il monsone asiatico, " dice Höpfner. Questi risultati sono rilevanti in particolare per le interazioni di nuvole e aerosol, che rappresentano una delle maggiori incertezze nei modelli climatici. Inoltre, i risultati dimostrano che l'ammoniaca emessa al suolo ha una grande influenza sui processi nell'alta troposfera e potenzialmente sul clima asiatico.

Rintracciare l'ammoniaca:lo strumento di misurazione GLORIA e la camera a nebbia AIDA

La campagna aeronautica faceva parte del progetto StratoClim in cui 37 organizzazioni scientifiche di undici paesi europei, gli Stati Uniti., Bangladesh, India, e Nepal collaborano sotto la direzione dell'Istituto Alfred Wegener, Centro Helmholtz per la ricerca polare e marina. L'aereo d'alta quota M55-Geophysika trasportava 25 strumenti appositamente sviluppati ad altezze superiori a 20 km, circa il doppio dell'altezza normalmente raggiunta dagli aerei. Uno dei principali strumenti a bordo di Geophysika era lo spettrometro a infrarossi GLORIA (Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere) che misurava la distribuzione dell'altezza di una varietà di tracce di gas lungo la traiettoria di volo. Le misurazioni durante i voli si sono concentrate principalmente sull'ammoniaca, in quanto è largamente coinvolto nella formazione di particelle di aerosol. GLORIA è attualmente l'unico strumento in grado di misurare l'ammoniaca a queste altezze.

Sulla base dei dati misurati dallo strumento satellitare MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) di IMK-ASF di KIT per la distribuzione dell'altezza di oltre 30 tracce di gas tra il 2002 e il 2012, gli scienziati per la prima volta hanno acquisito contemporaneamente la distribuzione globale dell'ammoniaca e del nitrato di ammonio. Per i loro studi, hanno anche usato la struttura AIDA (Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere) nel Campus North di KIT. È l'unica struttura al mondo, dove l'aerosol e i processi climatici possono essere studiati in condizioni atmosferiche. Nella struttura, possono essere simulate tutte le condizioni di temperatura e pressione nella bassa e media atmosfera.