Quello che succede all'anidride carbonica atmosferica quando si muovono i sistemi a bassa pressione è rimasto in gran parte un mistero, ma la ricerca condotta dalla Penn State offre nuove intuizioni che possono aiutare a migliorare i modelli globali di carbonio. Credito:Sean Waugh, NOAA/NSSL
Alberi, colture e altra vegetazione nel Midwest degli Stati Uniti fungono da grandi serbatoi di carbonio durante l'estate, assunzione di anidride carbonica (CO 2 ) e limitando la quantità di gas serra che entra nell'atmosfera. Cosa succede all'anidride carbonica quando si avvicina un fronte freddo è rimasto in gran parte un mistero, ma la ricerca condotta dalla Penn State offre nuove intuizioni che possono aiutare a migliorare i modelli globali di carbonio.
"L'obiettivo di questa ricerca è capire e quantificare come i sistemi a bassa pressione trasportano l'anidride carbonica nell'atmosfera, " ha detto Ken Davis, professore di scienze atmosferiche e climatiche alla Penn State. "Questo fa parte di uno sforzo più grande, il progetto Atmospheric Carbon and Transport-America (ACT-America), imparare a interpretare le misurazioni dell'anidride carbonica nell'atmosfera per dedurre correttamente fonti e pozzi di anidride carbonica sulla superficie terrestre. Per fare questo, dobbiamo sapere come l'anidride carbonica viene miscelata dall'atmosfera, e non c'è stata molta attenzione in passato su come i sistemi a bassa pressione si muovano attorno a questo gas serra".
La maggior parte dei modelli che trattano il carbonio atmosferico tendono a concentrarsi su tendenze globali piuttosto che regionali, Ha aggiunto, e potrebbero non rappresentare correttamente i cambiamenti nell'anidride carbonica atmosferica che si verificano durante questi sistemi.
Per comprendere meglio il fenomeno, i ricercatori hanno studiato i livelli di anidride carbonica su Lincoln, Nebraska, prima, durante e dopo un fronte freddo che ha attraversato l'area nell'agosto 2016. I fronti freddi si verificano quando una massa d'aria fredda spinge in una massa d'aria più calda, e possono causare la formazione di temporali e un drastico calo delle temperature. Il team di ricerca ha effettuato misurazioni da due aeroplani. L'aereo ha attraversato il confine frontale del sistema, dove si incontrano le masse d'aria calda e fredda, più volte. Hanno anche volato a più altitudini, tra circa 1, 000 e 26, 000 piedi, e ha registrato i cambiamenti nei livelli di anidride carbonica nei settori caldo e freddo del sistema.
Gli scienziati hanno inserito i dati in un modello computerizzato che ha esaminato i livelli di anidride carbonica a tre diverse risoluzioni. Le risoluzioni andavano da nove a 1, Risoluzione dell'area 600 volte superiore a quella utilizzata nei modelli globali, dando ai ricercatori uno sguardo più preciso su cosa succede all'anidride carbonica mentre il sistema passa. Si sono anche concentrati su tre categorie di fonti e pozzi di anidride carbonica:flussi biogenici, o anidride carbonica assorbita e respirata dalle piante, batteri e animali, compresi gli esseri umani; fonti di combustibili fossili come automobili e fabbriche; e flussi di confine, o in questo caso sorgenti e pozzi di anidride carbonica oltre il continente nordamericano. Hanno riportato i loro risultati nel numero di maggio di Atmosfere JGR .
I ricercatori hanno studiato i livelli di CO2 su Lincoln, Nebraska, nei giorni precedenti, durante e dopo un fronte freddo che ha attraversato l'area nell'agosto 2016 per vedere come i sistemi frontali influenzano i livelli di CO2 atmosferica. Quantità di CO2, misurato in parti per milione, sono rappresentati a diverse altitudini in un periodo di cinque giorni, con i colori blu e verde che indicano livelli più bassi e i colori arancione e rosso che indicano livelli più alti di gas serra. Credito:Arkayan Samaddar, Penn State
"Abbiamo trovato un'enorme banda di anidride carbonica intrappolata intorno al sistema frontale, " disse Arkayan Samaddar, un dottorando presso il Dipartimento di meteorologia e scienze atmosferiche della Penn State. Lo studio fa parte della tesi di dottorato di Samaddar. "Analizzandolo a una risoluzione così alta, vediamo che non è solo una banda uniforme di anidride carbonica. Vediamo molta più struttura e otteniamo più informazioni di quanto otterremmo se la guardassimo a livello globale. Guardare l'anidride carbonica su scala regionale ci aiuta a determinare meglio fonti e pozzi".
I ricercatori hanno scoperto che durante questo fronte estivo, fonti biologiche e pozzi hanno rappresentato i maggiori cambiamenti nell'anidride carbonica atmosferica, il che non sorprende poiché le piante, gli animali e gli esseri umani assorbono e respirano continuamente l'anidride carbonica e l'attività biologica raggiunge picchi in estate, secondo Davis.
"Con le piante non puoi distinguere facilmente la fotosintesi, quando assorbono anidride carbonica, e respirazione, quando lo rilasciano. L'anidride carbonica atmosferica risponde allo scambio netto, " ha detto Davis.
La differenza tra le categorie di combustibili biogeni e fossili, Davis ha aggiunto, è che la prima categoria funge sia da fonte che da importante pozzo che aiuta a mitigare le emissioni di combustibili fossili, considerando che la categoria dei combustibili fossili è una fonte continua di anidride carbonica.
Gli scienziati hanno notato che le sorgenti e i pozzi hanno creato un modello coerente di anidride carbonica nell'atmosfera. Di notte, i livelli di anidride carbonica vicino alla superficie terrestre sono aumentati a più di 410 parti per milione prima di scendere a 380 parti per milione durante il giorno a causa della fotosintesi delle piante. Livelli del gas nello strato limite atmosferico, che è la parte più bassa dell'atmosfera e può estendersi fino a un'altitudine di circa 16, 400 piedi, rimasto relativamente coerente, che vanno da 380 parti per milione nella parte inferiore dello strato limite a circa 395 parti per milione negli strati superiori. Livelli di anidride carbonica al di sopra dello strato limite atmosferico, fino a quota 28 circa, 000 piedi, variava da 400 a 405 parti per milione.
I ricercatori hanno scoperto che quando il sistema frontale entrava, venti orizzontali hanno interrotto questo schema e agitato l'atmosfera, spostando l'anidride carbonica nell'alta atmosfera.
"Quando passa il settore caldo del fronte, vediamo questo campo quasi costante di anidride carbonica superiore che si estende dalla superficie terrestre fino a 28, 000 piedi, " ha detto Samaddar. "Non l'abbiamo mai visto prima."
Gli scienziati pensano che l'alto contenuto di anidride carbonica nel settore caldo provenga dagli ecosistemi della regione della costa del Golfo. Gli ecosistemi potrebbero aver respirato più di quanto non fotosintetizzassero quando i dati sono stati raccolti, mentre i raccolti e le foreste nel Midwest degli Stati Uniti e in Canada sembrano essere stati assorbitori netti di anidride carbonica, disse Davis.
Il settore caldo è subito seguito dal settore freddo, che è una massa d'aria fredda con bassi livelli di anidride carbonica proveniente dal Canada. Il settore freddo abbassa i livelli di anidride carbonica nello strato limite atmosferico fino alla superficie terrestre, e poi il normale schema di anidride carbonica riprende, disse Samaddar.
"Queste informazioni sono utili non solo per gli scienziati che cercano di capire fonti e pozzi di anidride carbonica, ma anche per i modellisti per vedere se il movimento dell'anidride carbonica nei loro modelli globali di carbonio è corretto, " Egli ha detto.
I ricercatori stanno ora cercando di misurare quanta anidride carbonica viene spinta nell'atmosfera superiore da questi sistemi frontali.
