Il fumo dei numerosi incendi che bruciano in Occidente ha reso la qualità dell'aria pericolosa per milioni di persone negli Stati Uniti. Ed è proprio la più piccola delle particelle di aerosol in quell'aria a renderla particolarmente dannosa per la salute umana. Ma per decenni, non sappiamo per quanto tempo queste particelle rimangano effettivamente in volo.

Una nuova ricerca degli scienziati della Colorado State University ci sta dando una comprensione molto migliore di questo processo, che può aiutare non solo nella previsione della qualità dell'aria, ma anche nei modelli climatici globali.

Particelle di aerosol, sia dal fumo degli incendi o dallo scarico delle auto, giocano un ruolo importante in quanto calore viene assorbito o deviato dall'atmosfera. Però, non abbiamo del tutto compreso quanto velocemente queste minuscole particelle siano state estratte dall'aria, specialmente in assenza di umidità. Ciò ha aggiunto una sostanziale incertezza ai modelli climatici già complessi.

Delphine Farmer, professore associato presso il Dipartimento di Chimica del CSU College of Natural Sciences, sapevamo che era ora di fare di meglio.

Farmer e i suoi colleghi hanno recentemente annunciato di essere stati in grado di rilevare, negli ambienti del mondo reale, dalle foreste alle praterie, la velocità con cui queste importanti particelle lasciano effettivamente l'atmosfera. Le loro scoperte sono apparse online per la prima volta la settimana del 5 ottobre nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Questo lavoro evidenzia davvero l'importanza e la potenza delle misurazioni sul campo, " Farmer ha detto. "Possiamo utilizzare direttamente le osservazioni degli studi sul campo per restringere le incertezze nei modelli climatici, e per migliorare la nostra comprensione dei processi rilevanti per il clima".

Puntare sull'incertezza

Le particelle di aerosol cadono dall'aria in due modi principali. Il primo e più comune è noto come deposizione "umida", quando l'umidità li strappa dall'aria, sia attraverso la formazione di nubi, neve, o pioggia. Gli scienziati hanno avuto una discreta padronanza di questa forza, che rappresenta circa l'80% dell'effetto aerosol nell'atmosfera.

Ma l'altra forza, deposizione "secca", è stato molto più misterioso, sebbene svolga un ruolo non trascurabile a livello globale. Poiché gli aerosol sono così piccoli (misurati in nanometri e micron) non cadono semplicemente a causa della gravità. Possono diffondersi a lungo nelle correnti d'aria. quanto tempo, però, è stata la domanda.

"Quando una particella viene emessa nell'atmosfera, la quantità di tempo che rimane nell'aria dipende da questi processi di rimozione, " Farmer ha detto. Questo è fondamentale, lei spiegò, perché "più a lungo una particella rimane nell'atmosfera, più opportunità ha di viaggiare più lontano, o fare nuvole, o avere un impatto sulla salute umana. Quindi ottenere il giusto processo di rimozione è essenziale per prevedere le concentrazioni di particelle e i loro effetti".

Primi risultati di calcoli teorici negli anni '70 e '80, e misurazioni più rozze completate su superfici lisce intorno al 2000, sono stati inseriti nei modelli climatici per decenni.

Qui è dove Farmer, che ha fatto una carriera di ricerca nel monitoraggio della chimica atmosferica con strumenti ad alta risoluzione, ha visto un'opportunità di miglioramento.

Modelli climatici migliorati e salute umana

Farmer e i suoi colleghi lo sapevano, Certo, la superficie terrestre, e persino quella dell'oceano, non è tutta liscia. Quindi volevano vedere cosa stava realmente accadendo a queste particelle nel mondo reale.

In particolare, hanno osservato le forze oltre la gravità che stavano guidando i viaggi di questi aerosol. "Per i piccoli, particelle rilevanti per il clima e la salute, la turbolenza nell'atmosfera porta le particelle sulle superfici e consente a quelle particelle di rimanere bloccate, " disse il contadino.

E per questo, queste piccole particelle non hanno un percorso diretto verso una superficie, specialmente in un ambiente superficiale complesso come una foresta. Farmer lo ha spiegato come ogni microscopica particella di aerosol esegue il proprio guanto di sfida, "un po' come American Ninja Warrior, dove la particella deve evitare di colpire diversi ostacoli per rimanere nell'atmosfera. E ogni guanto di sfida è particolarmente impegnativo per le diverse dimensioni delle particelle".

Per vedere come se la cavavano queste particelle di varie dimensioni in questo percorso a ostacoli, i ricercatori hanno distribuito uno spettrometro aerosol ad altissima sensibilità, che utilizza un laser per contare le particelle. Hanno installato stazioni di misurazione in una foresta di pini nella foresta sperimentale di Manitou in Colorado, e nelle praterie delle Grandi Pianure Meridionali in Oklahoma, per catturare i dati del mondo reale su queste particelle mentre alla fine sono atterrate.

"Abbiamo misurato la velocità con cui diverse particelle corrono questo guanto di sfida, " ha spiegato Farmer. "Poi abbiamo usato quelle misurazioni per capire quale parte del guanto di sfida ha rallentato le diverse particelle".

Hanno trovato un intervallo di vita molto più ristretto per queste importanti particelle rispetto a quanto suggerito da modelli precedenti. Infatti, le vecchie previsioni contavano su una rimozione più rapida delle particelle molto piccole (quelle inferiori a 100 micron) e su una rimozione più lenta delle particelle più grandi (quelle superiori a 400 micron).

"Ciò significa che potremmo aver sottovalutato l'effetto indiretto dell'aerosol nei modelli, " ha detto Farmer. "La buona notizia è che abbiamo sopravvalutato l'incertezza:ora conosciamo meglio i tassi di perdita di particelle".

I nuovi risultati possono essere applicati a tutti i tipi di superfici irregolari, dalle foreste alle praterie alle aree agricole fino ai mari agitati.

Più effetti di aerosol sulla terra

Quando si integrano le loro scoperte in modelli degli effetti dell'aerosol a livello globale, Farmer e i suoi coautori prevedono che ci sarà un effetto aerosol maggiore di quanto precedentemente ipotizzato su determinate aree territoriali, comprese parti del Nord America, Europa, Asia, Sud America, Australia, e l'Africa subsahariana e un abbassamento dell'effetto aerosol sugli oceani.

"Si scopre che la corsa delle particelle a stabilirsi su una superficie è piuttosto importante per prevedere gli effetti radiativi" e come potrebbe essere il clima futuro, ha detto l'agricoltore.

I loro nuovi dati suggeriscono anche che abbiamo sottovalutato la quantità di aerosol nell'aria che sono più dannosi per la salute umana, quelli inferiori a 2,5 nanometri (noti anche come PM2,5), quali sono, Per esempio, la parte più comunemente pericolosa del fumo degli incendi boschivi.

"Il nostro [numero] rivisto aumenta le concentrazioni di PM2,5 sulla superficie dell'11% a livello globale e del 6,5% sulla terra, Farmer e i suoi collaboratori hanno scritto nel loro nuovo articolo. Cosa importante da sapere perché "l'esposizione al PM2.5 è legata a malattie respiratorie e cardiovascolari".

I coautori dello studio includevano Jeffery Pierce, professore associato presso il Dipartimento di Scienze dell'Atmosfera del Walter Scott, Jr. College of Engineering, e Kelsey Bilsback, un ricercatore post-dottorato lì; così come i ricercatori di dottorato presso il Dipartimento di Chimica Ethan Emerson, Anna Hodshire, e Holly DeBolt; e Gavin McMeeking dell'azienda Handix Scientific di Boulder.

Questo importante lavoro dimostra anche quanto stanno diventando avanzate e di grande impatto le tecnologie di misurazione sul campo.

"Per me, the most exciting aspect of this work is that we are able to take real-world measurements over a forest and a grassland site and use them to directly improve our understanding of the climate system, " Farmer said.