Le particelle di carbonio nero, più comunemente note come fuliggine, assorbono il calore nell'atmosfera. Per anni, gli scienziati sanno che queste particelle stanno influenzando il riscaldamento climatico della Terra, ma misurare il loro effetto esatto si è rivelato elusivo.

Ricercatori della Michigan Technological University e del Brookhaven National Laboratory, insieme a partner di altre università, industria, e laboratori nazionali, hanno determinato che mentre la forma delle particelle contenenti carbonio nero ha un certo effetto sul riscaldamento atmosferico, è importante tenere conto delle differenze strutturali nelle particelle di fuliggine, così come il modo in cui le particelle interagiscono con altri materiali organici e inorganici che ricoprono il carbonio nero mentre viaggia attraverso l'atmosfera.

Pubblicato oggi in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , l'articolo fornisce un quadro che riconcilia simulazioni di modelli con osservazioni di laboratorio ed empiriche, e che può essere utilizzato per migliorare le stime dell'impatto del black carbon sul clima.

Ogni particella di carbonio nero è unica

L'assorbimento della radiazione solare da parte del black carbon è paragonabile a quello dell'anidride carbonica. Eppure il carbonio nero rimane nell'atmosfera solo per giorni o settimane, mentre l'anidride carbonica può rimanere nell'atmosfera per centinaia di anni.

Per anni gli scienziati hanno approssimato le particelle di carbonio nero alla forma sferica in modelli che spesso venivano ricoperti da altri materiali organici. Il pensiero era che mentre le particelle di fuliggine viaggiano attraverso l'atmosfera, il rivestimento aveva quello che viene chiamato "effetto lente"; il mantello punta la luce verso il basso sul nerofumo, causando un maggiore assorbimento delle radiazioni. E mentre le particelle di fuliggine sono effettivamente rivestite di materiali organici, quel rivestimento non è uniforme da particella a particella.

"Quando scatti un'immagine al microscopio, le particelle non assomigliano mai perfettamente a una sfera con lo stesso rivestimento, " ha detto Claudio Mazzoleni, professore di fisica alla Michigan Tech e uno dei coautori dell'articolo. "Se fai un calcolo numerico su sfere perfette rivestite da un guscio, un modello mostrerà un maggiore assorbimento delle particelle di carbonio nero di un fattore fino a tre".

Studi empirici sulle particelle di carbonio nero dimostrano che l'assorbimento è molto inferiore a quanto suggerirebbero i modelli, mettendo in discussione l'efficacia del modello e la nostra comprensione dell'effetto di forzatura del clima del black carbon.

La ricerca suggerisce che il rivestimento di materiale organico non è completamente sferico; a seconda di come i materiali organici si aggrappano a una particella di carbonio nero, la forma risultante può far sì che la particella agisca in modo molto diverso anche se ha la stessa quantità di materiale di un'altra particella di fuliggine di forma diversa. Ma ancora più importante è che la quantità di rivestimento potrebbe cambiare in modo disparato da particella a particella. Questi due attributi riducono entrambi il miglioramento dell'assorbimento previsto.

Laura Feroce, uno scienziato atmosferico associato al Brookhaven National Laboratory, applicato il modello di particelle risolte per tenere conto dell'eterogeneità delle particelle durante la modellazione del carbonio nero.

"Mentre la maggior parte dei modelli di aerosol semplifica la rappresentazione della composizione delle particelle, il modello a particelle risolte tiene traccia della composizione delle singole particelle mentre si evolvono nell'atmosfera, " Ha detto Fierce. "Questo modello è particolarmente adatto per valutare l'errore derivante da approssimazioni comuni applicate nei modelli di aerosol su scala globale".

Meno effetto sul riscaldamento climatico di quanto pensassimo

Essenzialmente, i ricercatori hanno introdotto nella modellazione climatica la diversità del rivestimento organico e inorganico sulle particelle e la natura non uniforme delle particelle stesse. Combinando un modello empirico con misurazioni di laboratorio, il modello prevedeva un aumento di potenziamento dell'assorbimento da parte del carbonio nero molto più basso di quanto si pensasse in precedenza. La modellazione aggiornata avvicina inoltre l'output del modello a quanto misurato sul campo.

"La gente pensa che il black carbon abbia un effetto riscaldante molto forte sull'atmosfera, che dipende dall'assorbimento, " disse Mazzoleni. "Se hai un assorbimento maggiore, contribuisce al riscaldamento e ha un maggiore impatto climatico. Per capire quanto il black carbon contribuisce al riscaldamento del clima, dobbiamo capire questi dettagli perché possono fare la differenza".

Questa ricerca fornisce un percorso per migliorare le previsioni dell'effetto radiativo del carbonio nero sul clima. La riduzione delle emissioni di carbonio nero nell'atmosfera può aiutare a ridurre alcuni degli effetti del cambiamento climatico. I risultati di questo studio suggeriscono che l'assorbimento di una particella per massa è inferiore a quanto si pensasse in precedenza, ma quanto carbonio nero sta costringendo al riscaldamento atmosferico dipende anche dai livelli di emissioni, interazioni con le nuvole e la distanza percorsa da una particella. E mentre la riduzione delle emissioni di fuliggine è significativa, la riduzione dell'anidride carbonica nell'atmosfera è ancora della massima importanza.