Alcune particelle nell'atmosfera hanno la capacità unica di modificare le proprietà delle nuvole provocando il congelamento delle gocce d'acqua a temperature più elevate rispetto a quelle che farebbero da sole. Con questa capacità, queste cosiddette particelle nucleanti di ghiaccio possono influenzare notevolmente l'evoluzione delle nuvole, precipitazione, e clima. Precedenti ricerche hanno indicato la combustione di biomassa come negli incendi boschivi come una delle principali fonti di particelle atmosferiche, a volte includendo queste rare e sfuggenti particelle nucleanti di ghiaccio, ma questa relazione tra combustione e rilascio di nucleanti di ghiaccio non è stata compresa.

Un nuovo studio del Centro per gli studi sulle particelle atmosferiche della Carnegie Mellon mira a rispondere a queste domande sulle particelle nucleanti di ghiaccio e sulla loro relazione con la combustione della biomassa. Guidato da Ryan Sullivan, professore associato di chimica e ingegneria meccanica, un team di ricercatori ha condotto esperimenti approfonditi sulle emissioni di autentici combustibili da biomassa. Hanno scoperto che i minerali derivanti dalla combustione della biomassa sono una fonte importante e non riconosciuta di particelle nucleanti di ghiaccio che possono spiegare gran parte dell'attività di congelamento osservata nel fumo degli incendi.

Il gruppo, compreso il dottorato di ricerca studenti Leif Jahn, Michele Pollino, Lidia Jahl, e Thomas Brubaker, per prima cosa hanno considerato le prove preliminari ottenute che hanno rivelato che la capacità di nucleazione del ghiaccio delle particelle emesse dalla combustione della biomassa, in particolare l'aerosol, è diventata più forte nel tempo. Questo andava contro i precedenti esperimenti sul campo, che ha scoperto che l'invecchiamento chimico degrada la capacità di nucleazione del ghiaccio della maggior parte dei tipi di particelle, o non lo altera.

I ricercatori hanno ipotizzato che questa capacità rafforzata provenga da cambiamenti chimici nelle particelle di fuliggine di carbonio nero nell'aerosol. Si ritiene che le particelle di fuliggine siano i nucleanti di ghiaccio rilasciati dalla combustione del carburante e le superfici delle particelle si ossidano maggiormente con l'età. Quando le particelle di fuliggine si ossidano nell'atmosfera, forse sono diventati più idrofili, aumentando la loro capacità di nucleazione del ghiaccio, poiché la nucleazione del ghiaccio coinvolge le molecole d'acqua che si formano sulla superficie in un embrione di cristallo di ghiaccio.

"Abbiamo fatto molti esperimenti, e i nostri esperimenti hanno indicato che la nostra ipotesi originale non era corretta perché i combustibili che producevano più fuliggine in genere avevano le proprietà di nucleazione del ghiaccio più deboli, o nessuno che possiamo misurare, "Dice Sullivan. "Quindi non sembrava che la fuliggine fosse la spiegazione." Questo diede loro un indizio fondamentale che qualcosa di diverso dalla fuliggine grafitica era responsabile della nucleazione del ghiaccio che stavano misurando.

Sto ancora cercando di spiegare perché le proprietà nucleanti del ghiaccio dell'aerosol siano cresciute dopo l'invecchiamento, Sullivan si è incuriosito della cenere rimasta nella padella dove hanno bruciato i combustibili durante i loro esperimenti. Tramite la diffrazione dei raggi X dagli atomi che compongono la cenere, hanno scoperto che la cenere che aveva le proprietà di nucleazione del ghiaccio più forti conteneva anche il materiale più cristallino. Quando hanno esaminato le minuscole particelle di aerosol submicroniche usando la microscopia elettronica e a raggi X, hanno anche visto nei campioni minerali che erano i migliori nucleanti di ghiaccio. Questa è stata una scoperta chiave poiché è noto che la presenza di minerali cristallini guida la capacità di nucleazione del ghiaccio, ma questo non era stato esplorato sia nell'aerosol che brucia la biomassa sia nella cenere che viene lasciata indietro.

Dopo aver raccolto autentici campioni di combustibile da biomassa da vari rifugi faunistici nazionali, hanno condotto più esperimenti per esplorare come i cambiamenti nel carburante originale si riferiscono alle differenze nella capacità di congelamento delle emissioni di fumo. Sono stati in grado di collegare la produzione di questi nuovi minerali dalla combustione della biomassa a livelli più elevati di elementi che formano minerali misurati in alcuni dei combustibili originali. Sono stati anche in grado di escludere definitivamente che le particelle di fuliggine di carbonio nero siano la fonte dei nucleanti del ghiaccio.

La comunità della chimica atmosferica non si era concentrata molto sui minerali prodotti nell'aerosol che brucia la biomassa perché si presume provenissero da particelle di suolo o polvere preesistenti che erano atterrate sull'albero o sulla pianta e sono state poi risospese nell'atmosfera durante gli incendi. Ma Sullivan e il suo team hanno scoperto che questi minerali sono effettivamente prodotti dalla combustione stessa. Se il carburante contiene elementi come il silicio, ferro da stiro, alluminio, e calcio, quando bruciato, vengono create particelle contenenti minerali. I combustibili di erba alta tendono a produrre più particelle nucleanti di ghiaccio rispetto agli alberi perché contengono naturalmente più elementi che formano minerali in essi.

Sullivan vede questo come un esempio del metodo scientifico al lavoro. La loro ipotesi originale che la fuliggine fosse la risposta è stata supportata da dati preliminari e altri studi di letteratura, ma i loro dati sperimentali dicevano qualcosa di completamente diverso. Così, hanno sviluppato diversi esperimenti e metodi di analisi per continuare la loro indagine. Questo è stato un progetto quinquennale e l'obiettivo principale del premio alla carriera della National Science Foundation (NSF) di Sullivan.

"I nostri risultati sono una prospettiva totalmente diversa per la comunità della chimica atmosferica per quanto riguarda la fonte di minerali nel fumo che brucia biomassa, " ha detto. "Hanno contribuito ad affrontare le incertezze di vecchia data riguardo alle domande sul perché alcuni combustibili da biomassa creano particelle nucleanti di ghiaccio quando bruciano e altri no, quali sono le fonti delle particelle, e come si evolveranno mentre si muovono attraverso l'atmosfera."