Rutti di fuliggine dai motori diesel, sale da fornelli a legna e letame e germoglia dalle ciminiere delle raffinerie di petrolio. Secondo recenti ricerche, inquinamento dell'aria, compresa la fuliggine, è legato a malattie cardiache, alcuni tumori e, negli Stati Uniti, ben 150, 000 casi di diabete ogni anno.

Al di là del suo impatto sulla salute, fuliggine, noto come black carbon dagli scienziati dell'atmosfera, è un potente agente di riscaldamento globale. Assorbe la luce solare e intrappola il calore nell'atmosfera in grandezza seconda solo al famigerato biossido di carbonio. Commenti recenti sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ha definito l'assenza di consenso sulla grandezza di assorbimento della luce della fuliggine "una delle grandi sfide nella scienza del clima atmosferico".

Rajan Chakrabarty, assistente professore presso la School of Engineering &Applied Science presso la Washington University di St. Louis, e William R. Heinson, un borsista post-dottorato della National Science Foundation nel laboratorio di Chakrabarty, raccolse quella sfida e scoprì qualcosa di nuovo sulla fuliggine, o piuttosto, una nuova legge che descrive la sua capacità di assorbire la luce:la legge di assorbimento della luce. Con esso, gli scienziati saranno in grado di comprendere meglio il ruolo della fuliggine nel cambiamento climatico.

La ricerca è stata selezionata come "Editors' Suggestion" pubblicata online il 19 novembre sulla prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica .

Grazie alla sua capacità di assorbire la luce solare e riscaldare direttamente l'aria circostante, gli scienziati del clima incorporano la fuliggine nei loro modelli, sistemi computazionali che cercano di replicare le condizioni del mondo reale, e quindi prevedono le tendenze future del riscaldamento. Gli scienziati usano le osservazioni del mondo reale per programmare i loro modelli.

Ma non c'è stato un consenso su come incorporare l'assorbimento della luce della fuliggine in questi modelli. Lo trattano in modo troppo semplicistico, usando una sfera per rappresentare un puro, aerosol di carbone nero.

"Ma la natura è divertente, ha i suoi modi per aggiungere complessità, " disse Chakrabarty. "Per messa, L'80% di tutto il black carbon che trovi è sempre mescolato. non è perfetto, come lo trattano le modelle."

Le particelle sono mescolate, o rivestito, con aerosol organici co-emessi con fuliggine da un sistema di combustione. Si scopre, il carbonio nero assorbe più luce quando è rivestito con questi materiali organici, ma l'entità del miglioramento dell'assorbimento varia in modo non lineare a seconda della quantità di rivestimento presente.

Chakrabarty e Heinson volevano capire una relazione universale tra la quantità di rivestimento e la capacità della fuliggine di assorbire la luce.

Primo, hanno creato particelle simulate che sembravano proprio quelle che si trovano in natura, con vari gradi di rivestimento organico. Quindi, utilizzando tecniche prese in prestito dal lavoro di Chakrabarty con i frattali, la squadra ha fatto calcoli rigorosi, misurare bit per bit l'assorbimento della luce nelle particelle.

Quando hanno tracciato le grandezze di assorbimento rispetto alla percentuale di rivestimento organico, il risultato fu ciò che matematici e scienziati chiamano una "legge di potere universale". Ciò significa che, all'aumentare della quantità di rivestimento, l'assorbimento della luce della fuliggine aumenta di una quantità relativa proporzionalmente.

(La lunghezza e l'area di un quadrato sono legate da una legge di potenza universale:se si raddoppia la lunghezza dei lati di un quadrato, l'area aumenta di quattro. Non importa quale fosse la lunghezza iniziale del lato, la relazione durerà sempre.)

Si sono poi rivolti al lavoro svolto da diversi gruppi di ricerca che hanno misurato l'assorbimento della luce ambientale della fuliggine in tutto il mondo, da Houston a Londra a Pechino. Chakrabarty e Heinson hanno nuovamente tracciato miglioramenti dell'assorbimento rispetto alla percentuale di rivestimento.

Il risultato fu una legge di potenza universale con lo stesso rapporto di un terzo trovato nei loro esperimenti simulati.

Con così tanti valori diversi per il miglioramento dell'assorbimento della luce nella fuliggine, Chakrabarty ha detto che i modellisti climatici sono confusi. "Cosa diavolo facciamo? Come spieghiamo la realtà nei nostri modelli?

"Ora hai l'ordine nel caos e una legge, " ha detto. "E ora puoi applicarlo in modo computazionalmente poco costoso."

Le loro scoperte indicano anche che il riscaldamento dovuto al black carbon potrebbe essere stato sottovalutato dai modelli climatici. Assumere una forma sferica per queste particelle e non tenere adeguatamente conto del miglioramento dell'assorbimento della luce potrebbe comportare stime di riscaldamento significativamente inferiori.

Rahul Zaveri, scienziato senior e sviluppatore del modello completo di aerosol MOSAIC presso il Pacific Northwest National Laboratory, definisce i risultati un progresso significativo e tempestivo.

"Sono particolarmente entusiasta dell'eleganza matematica e dell'estrema efficienza computazionale della nuova parametrizzazione, " Egli ha detto, "che può essere facilmente implementato nei modelli climatici una volta sviluppata la parametrizzazione complementare per la diffusione della luce da parte di particelle di carbonio nero rivestite".