Un team di ricercatori dell'ETH di Zurigo ha utilizzato per la prima volta simulazioni sul supercomputer CSCS Piz Daint per studiare come determinati meccanismi di invecchiamento delle particelle di fuliggine nell'atmosfera influenzano la formazione delle nubi. I risultati mostrano che l'influenza dell'ozono e dell'acido solforico sull'invecchiamento della fuliggine altera la formazione delle nubi e, in definitiva, il clima.

legna ardente, prodotti petroliferi o altri materiali organici rilasciano nell'atmosfera particelle di fuliggine costituite principalmente da carbonio. Questa fuliggine è considerata il secondo agente climatico antropogenico più importante dopo l'anidride carbonica. Nell'atmosfera o come depositi su superfici di neve e ghiaccio, le particelle di fuliggine assorbono la radiazione solare a onde corte e contribuiscono così al riscaldamento globale.

Nell'atmosfera, le particelle di fuliggine hanno anche un effetto indiretto sul clima alterando la formazione, sviluppo e proprietà delle nuvole. Un gruppo di ricerca guidato da Ulrike Lohmann, professore all'Istituto per l'atmosfera e il clima dell'ETH di Zurigo, ha ora studiato per la prima volta come due tipi specifici di particelle di fuliggine influenzano le nuvole e, a sua volta, il clima:da un lato, aerosol di fuliggine che invecchiano a causa dell'ozono e, dall'altra, quelli che invecchiano a causa dell'acido solforico.

La chimica della fuliggine cambia la formazione delle nuvole

"Fino ad ora, si presumeva che questi due tipi di invecchiamento della fuliggine avessero scarso effetto sulla formazione delle nuvole e sul clima, "dice David Neubauer, programmatore scientifico nel gruppo di ricerca di Lohmann. Però, i risultati delle simulazioni ora effettuate sul supercomputer CSCS Piz Daint dipingono un quadro diverso.

Quando le particelle di fuliggine si combinano con l'ozono o l'acido solforico, le loro proprietà fisiche e chimiche cambiano, scrivono i ricercatori nel loro studio recentemente pubblicato sulla rivista Geoscienze naturali . Le particelle di fuliggine invecchiate dall'ozono formano nuclei di condensazione negli strati inferiori dell'atmosfera, che aiutano le nuvole a formarsi. Negli strati più alti dell'atmosfera, però, le particelle di fuliggine invecchiate dall'acido solforico fungono da nuclei di ghiaccio e aiutano la formazione dei cirri.

Il team ha simulato il modo in cui le particelle di fuliggine che invecchiano in modo diverso influenzano la formazione delle nuvole, e di conseguenza il clima, dai tempi preindustriali al futuro. In queste simulazioni, lo sviluppo delle particelle di aerosol è accoppiato alla fisica della formazione delle nubi in un calcolo interattivo. Questo è complesso e richiede più tempo di calcolo rispetto alle simulazioni climatiche convenzionali.

I ricercatori hanno formulato ipotesi chiaramente definite per i loro calcoli descrivendo lo stato di invecchiamento delle particelle di fuliggine, a seconda della temperatura e della concentrazione di ozono. Entrambi i fattori hanno un'influenza significativa sull'invecchiamento:perché la fuliggine invecchi rapidamente attraverso l'ozono, la temperatura e la concentrazione di ozono devono essere elevate. Per la capacità della fuliggine di agire come nuclei di ghiaccio dall'invecchiamento dell'acido solforico, una temperatura bassa gioca il ruolo decisivo.

La mutata formazione delle nuvole porta al riscaldamento

Simulazioni di fuliggine invecchiata con ozono mostrano che quando il contenuto di anidride carbonica dell'atmosfera raddoppia rispetto all'era preindustriale, si formano meno nuvole basse. Inizialmente si formano considerevolmente più goccioline di nubi dall'invecchiamento della fuliggine con l'ozono. Però, la loro alta concentrazione porta a un maggiore raffreddamento della parte superiore delle nuvole causando una maggiore miscelazione di aria secca dall'alto. "Queste nuvole poi evaporano più rapidamente, soprattutto in un clima più caldo, " spiega Lohmann. "In un clima più caldo, l'aria miscelata ha anche un'umidità relativa inferiore". A causa dell'evaporazione più rapida, rimangono meno nuvole basse, e più radiazioni a onde corte raggiungono la terra e la riscaldano.

Le particelle di fuliggine invecchiate dall'acido solforico, d'altra parte, causare la formazione di più cristalli di ghiaccio e rendere i cirri otticamente più spessi, cioè sono meno permeabili alle radiazioni. Si estendono fino alla tropopausa, che si trova ad un'altitudine di 10-18 chilometri, e anche indugiare più a lungo nelle regioni più alte dell'atmosfera. Di conseguenza, i cirri assorbono una parte maggiore della radiazione termica a onde lunghe emessa dalla Terra e ne consentono una minore fuoriuscita nello spazio. L'effetto riscaldante dei cirri aumenta e aggrava il riscaldamento globale:quando il contenuto di anidride carbonica nell'atmosfera raddoppia rispetto ai tempi preindustriali, entrambi i tipi di invecchiamento della fuliggine insieme portano a un aumento da 0,4 a 0,5 gradi C del riscaldamento globale. Di conseguenza, il ciclo dell'acqua accelererà ulteriormente e le precipitazioni globali aumenteranno ulteriormente, scrivono i ricercatori.

Studi futuri, che includono aerosol provenienti da incendi boschivi, motori di aerei o automobili, e combinare misurazioni sul campo e in laboratorio con simulazioni, potrebbe fornire un quadro ancora più chiaro degli effetti degli aerosol di fuliggine. Potrebbero anche aiutare a sviluppare strategie per ridurre le emissioni. "Questo non solo andrebbe a vantaggio del clima e della qualità dell'aria, ma anche la salute delle persone, " sottolinea Neubauer.