Come gli alberi influenzano la formazione delle nuvole

Scoperti i cosiddetti sesquiterpeni – idrocarburi gassosi rilasciati dalle piante – come un fattore importante nella formazione delle nuvole

I vapori biogenici formano nuove particelle nell’atmosfera, influenzando il clima globale. I contributi dei monoterpeni e dell'isoprene alla formazione di nuove particelle (NPF) sono stati ampiamente studiati. Tuttavia, i sesquiterpeni hanno ricevuto poca attenzione nonostante il loro ruolo potenzialmente importante a causa del loro elevato peso molecolare.

Nell’ambito del progetto internazionale CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) presso il centro di ricerca nucleare CERN, i ricercatori del Paul Scherrer Institute hanno identificato i cosiddetti sesquiterpeni – idrocarburi gassosi rilasciati dalle piante – come un fattore importante nella formazione delle nuvole. Questa scoperta potrebbe ridurre le incertezze nei modelli climatici e aiutare a fare previsioni più accurate. Lo studio è stato ora pubblicato sulla rivista Science Advances (1).

Secondo le ultime proiezioni del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC), entro il 2100 il clima globale sarà da 1,5 a 4,4 gradi Celsius più caldo rispetto ai livelli preindustriali. Questa cifra si basa su vari scenari che descrivono come potrebbero svilupparsi le emissioni di gas serra di origine antropica in futuro. Quindi, nel migliore dei casi, se riusciamo a ridurre le emissioni in modo rapido e radicale, possiamo ancora raggiungere l’obiettivo di 1,5 gradi dell’Accordo di Parigi. Nel peggiore dei casi, finiremo molto al di sopra di tale soglia. Tuttavia, tali proiezioni sono soggette anche a qualche incertezza. Nello scenario peggiore, ad esempio, con le emissioni che continuano ad aumentare bruscamente, l’aumento della temperatura potrebbe essere compreso tra 3,3 e 5,7 gradi Celsius, anziché 4,4 gradi.

Queste incertezze nel prevedere come cambieranno le temperature a seguito di sviluppi concreti nelle emissioni di gas serra sono essenzialmente dovute al fatto che gli scienziati non comprendono ancora appieno tutti i processi che avvengono nell’atmosfera – le interazioni tra i vari gas e aerosol in essa contenuti. A stabilirli è lo scopo del progetto CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets), una collaborazione internazionale tra ricercatori atmosferici del centro di ricerca nucleare CERN di Ginevra. PSI ha contribuito a costruire la camera CLOUD ed è membro del comitato direttivo del progetto.

Il mistero della formazione delle nubi

Soprattutto resta per ora in gran parte nebuloso lo sviluppo futuro della nuvolosità. Tuttavia, questo è un fattore chiave nella previsione del clima perché più nuvole riflettono più radiazione solare, raffreddando così la superficie terrestre.

Per formare le goccioline che compongono le nuvole, il vapore acqueo ha bisogno di nuclei di condensazione, particelle solide o liquide su cui condensare. Questi sono forniti da un'ampia varietà di aerosol, minuscole particelle solide o liquide di diametro compreso tra 0,1 e 10 micrometri, prodotte e rilasciate nell'aria sia dalla natura che dall'attività umana. Queste particelle possono includere, ad esempio, il sale del mare, la sabbia del deserto, gli inquinanti dell'industria e del traffico o le particelle di fuliggine degli incendi. Tuttavia, circa la metà dei nuclei di condensazione si formano in realtà nell’aria quando diverse molecole gassose si combinano e si trasformano in solidi, un fenomeno che gli esperti chiamano “nucleazione” o “formazione di nuove particelle” (NPF). Per cominciare, tali particelle sono minuscole, appena più grandi di pochi nanometri.

Gas serra che puoi sentire l'odore

Il principale gas di origine antropica che contribuisce alla formazione di particelle è l'anidride solforosa sotto forma di acido solforico, derivante principalmente dalla combustione di carbone e petrolio. I gas naturali più importanti coinvolti sono i cosiddetti isopreni, monoterpeni e sesquiterpeni. Si tratta di idrocarburi che vengono rilasciati principalmente dalla vegetazione. Sono componenti fondamentali degli oli essenziali che annusiamo quando, ad esempio, tagliamo l'erba o andiamo a fare una passeggiata nel bosco. Quando queste sostanze si ossidano, cioè reagiscono con l'ozono, nell'aria formano degli aerosol.

«Va notato che la concentrazione di anidride solforosa nell’aria è diminuito significativamente negli ultimi anni a causa della legislazione ambientale più severa e continuerà a diminuire», afferma la dottoressa Lubna Dada (2), scienziata dell’atmosfera presso il PSI. «La concentrazione di terpeni, invece, aumenta perché le piante ne rilasciano di più quando sono sotto stress, ad esempio quando c'è un aumento delle temperature e delle condizioni meteorologiche estreme e la vegetazione è più frequentemente esposta alla siccità».

La grande domanda per migliorare le previsioni climatiche è quindi quale dei fattori prevarrà, portando ad un aumento o una diminuzione della formazione delle nubi. Per rispondere a questa domanda bisognerebbe sapere in che modo ciascuna di queste sostanze contribuisce alla formazione di nuove particelle. Si sa già molto sull’acido solforico, e anche il ruolo dei monoterpeni e dell'isoprene è ora compreso meglio grazie a misurazioni sul campo e ad esperimenti in camera come CLOUD, in cui è stato coinvolto PSI.

I sesquiterpeni sono rari ma efficaci

Fino ad ora, i sesquiterpeni non sono stati al centro della ricerca. «Questo perché sono piuttosto difficili da misurare», spiega Dada. «In primo luogo perché reagiscono molto rapidamente con l’ozono e in secondo luogo perché si presentano molto meno frequentemente rispetto alle altre sostanze». Ogni anno vengono rilasciati circa 465 milioni di tonnellate di isoprene e 91 milioni di tonnellate di monoterpeni, mentre i sesquiterpeni rappresentano solo 24 milioni di tonnellate. Tuttavia, il nuovo studio, di cui Dada è l’autore principale, ha dimostrato che questi composti svolgono un ruolo importante nella formazione delle nubi. Secondo le misurazioni formano dieci volte più particelle delle altre due sostanze organiche alla stessa concentrazione.

Per determinarlo, Dada e i suoi coautori hanno utilizzato l’esclusiva camera CLOUD presso l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare, il CERN. La camera è una stanza sigillata in cui è possibile simulare diverse condizioni atmosferiche. «Con una capacità di quasi 30 metri cubi, questa camera climatica è la più pura del suo genere al mondo», afferma Dada. «Così puro che ci permette di studiare i sesquiterpeni anche alle basse concentrazioni registrate nell’atmosfera».

Questo era esattamente ciò che lo studio si proponeva di fare. È stato progettato per simulare la formazione di particelle biogene nell'atmosfera. Più specificamente, i ricercatori erano interessati a studiare l’epoca preindustriale, quando non c’erano emissioni di anidride solforosa di origine antropica. Ciò consente di determinare in modo più chiaro gli effetti delle attività umane e di proiettarli nel futuro. Tuttavia, il biossido di zolfo di origine antropica è diventato da tempo onnipresente in natura. Questo è un altro motivo per cui solo la camera CLOUD era praticabile. Consente inoltre di produrre una miscela preindustriale in condizioni controllate.

Le particelle persistenti portano a più nuvole

Gli esperimenti hanno rivelato che l’ossidazione di una miscela naturale di isoprene, monoterpeni e sesquiterpeni nell’aria pura produce un’ampia varietà di composti organici – i cosiddetti ULVOC (Ultra-Low-Volatility Organic Compounds). Come suggerisce il nome, questi non sono molto volatili e quindi formano in modo molto efficiente particelle, che possono crescere nel tempo fino a diventare nuclei di condensazione. L'enorme effetto dei sesquiterpeni è stato rivelato quando i ricercatori hanno aggiunto i sesquiterpeni nella camera con una sospensione di soli isopreni e monoterpeni. Anche solo l’aggiunta del 2% ha raddoppiato il tasso di formazione di nuove particelle. «Ciò può essere spiegato dal fatto che una molecola di sesquiterpene è composta da 15 atomi di carbonio, mentre i monoterpeni ne contengono solo dieci e gli isoprene solo cinque», afferma la dottoressa Dada.

«Da un lato, lo studio rivela un altro modo in cui la vegetazione può influenzare il tempo e il clima. Soprattutto, però, i risultati della ricerca suggeriscono che i sesquiterpeni dovrebbero essere inclusi come fattore separato nei futuri modelli climatici, insieme all’isoprene e ai monoterpeni, per rendere le loro previsioni più accurate. Ciò è particolarmente vero alla luce della diminuzione delle concentrazioni atmosferiche di anidride solforosa e del simultaneo aumento delle emissioni biogeniche a causa dello stress climatico, il che significa che quest’ultimo diventerà probabilmente sempre più importante per il nostro clima futuro. Tuttavia, sono necessari anche altri studi per migliorare ulteriormente le previsioni sulla formazione delle nubi. Questi sono già in fase di progettazione presso il Laboratorio di Chimica dell'Atmosfera. “Avanti”...», afferma il dottor Imad El Haddad (3), leader del gruppo per i processi molecolari atmosferici.

Il Paul Scherrer Institute PSI sviluppa, costruisce e gestisce strutture di ricerca grandi e complesse e le mette a disposizione della comunità di ricerca nazionale e internazionale. Le principali priorità di ricerca dell'istituto riguardano i campi della materia e dei materiali, dell'energia, dell'ambiente e della salute umana. Il PSI è impegnato nella formazione delle generazioni future. Pertanto circa un quarto del nostro personale è costituito da dottorandi, laureati o apprendisti. Complessivamente il PSI impiega 2200 persone ed è quindi il più grande istituto di ricerca della Svizzera. Il budget annuale ammonta a circa 420 milioni di franchi. Il PSI fa parte del dominio dell'ETH, gli altri membri sono i due politecnici federali svizzeri, l'ETH di Zurigo e l'EPFL di Losanna, nonché l'Eawag (Istituto federale svizzero di scienze e tecnologie acquatiche), Empa (Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali) e WSL (Istituto federale per la ricerca sulla foresta, la neve e il paesaggio). 3 volte all'anno nella pubblicazione vengono forniti approfondimenti sull'entusiasmante ricerca del PSI con punti focali mutevoli. (4)

Riferimenti:

(1) Role of sesquiterpenes in biogenic new particle formation

(2) Lubna Dada

(3) Imad El Haddad

(4) Paul Scherrer Institut (PSI)

Descrizione foto: Nel Laboratorio di Chimica dell'Atmosfera Lubna Dada studia, tra le altre cose, la formazione e la composizione chimica degli aerosol. - Credit: Paul Scherrer Institute/ Markus Fischer.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: How trees influence cloud formation