Riscaldamento globale compreso tra 1,5 e 4,4 gradi Celsius entro il 2100 rispetto all’era preindustriale: questa è l’attuale previsione del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC). Si basa su vari scenari che prevedono cambiamenti nelle emissioni di gas serra prodotte dall’uomo. Nel migliore dei casi, se riduciamo le emissioni in modo rapido e radicale, riusciremo comunque a raggiungere l’obiettivo di 1,5 gradi Celsius previsto dall’accordo sul clima di Parigi. Nel peggiore dei casi, lo supereremo di gran lunga. Tuttavia, queste affermazioni sono tutte gravate da incertezza. Nel peggiore dei casi, se le emissioni continueranno a crescere bruscamente, le temperature potrebbero aumentare di 3,3 gradi Celsius, o addirittura di 5,7 invece che di 4,4 gradi Celsius.
Le incertezze nelle previsioni climatiche, come la domanda su quanto cambierà la temperatura in caso di una specifica variazione dei gas serra, sono dovute essenzialmente al fatto che la scienza non ha ancora compreso i dettagli di tutti i processi in gioco nell’atmosfera, come l’interazione dei diversi gas e della materia in sospensione in essa contenuta. L’obiettivo del progetto CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets), che i ricercatori atmosferici stanno portando avanti nell’ambito di una collaborazione internazionale presso il CERN, il centro di ricerca nucleare con sede nella regione di Ginevra, è quello di fare luce su questo problema. Il PSI ha contribuito alla costruzione della camera CLOUD ed è membro del comitato direttivo del progetto.
Il mistero della formazione delle nuvole
La questione di come si evolverà la copertura nuvolosa, in particolare, rimane in gran parte nebulosa. Tuttavia, la copertura nuvolosa è un fattore chiave per il clima, poiché quando ci sono più nuvole, queste riflettono più luce e, di conseguenza, hanno un effetto di raffreddamento sulla superficie terrestre.Per formare le goccioline d’acqua che compongono le nuvole, il vapore acqueo ha bisogno di particelle solide o liquide - chiamate nuclei di condensazione - attorno alle quali condensare. Questi nuclei di condensazione sono gli aerosol più complessi: minuscole particelle, solide o liquide, con un diametro compreso tra 0,1 e 10 micrometri, che vengono prodotte ed emesse nell’atmosfera sia da processi naturali sia dall’uomo. Queste particelle possono contenere sale marino, sabbia del deserto, inquinanti provenienti dall’industria o dal traffico, o particelle di fuliggine provenienti da incendi. Tuttavia, quasi la metà di tutti i nuclei di condensazione si forma una sola volta nell’aria, quando diverse molecole gassose si combinano e diventano solide, un fenomeno che gli specialisti chiamano "nucleazione" o "formazione di nuove particelle" (NPF). All’inizio queste particelle sono ancora minuscole, appena più grandi di qualche nanometro, ma col tempo possono crescere per condensazione delle molecole gassose fino a diventare nuclei di condensazione.
Gas climatici percepibili all’olfatto
La maggior parte dei gas antropogenici che contribuiscono alla formazione di nuove particelle è costituita da anidride solforosa (SO2) sotto forma di acido solforico, prodotto principalmente dalla combustione di carbone e petrolio. I principali gas naturali che svolgono un ruolo includono i cosiddetti isopreni, monoterpeni e sesquiterpeni. Si tratta di idrocarburi emessi principalmente dalla vegetazione. Sono i principali componenti degli oli essenziali che sentiamo quando viene tagliata l’erba, ad esempio, o quando facciamo una passeggiata nel bosco. Quando queste sostanze si ossidano nell’aria, formano delle particelle.Va notato che la concentrazione di anidride solforosa nell’atmosfera è diminuita notevolmente negli ultimi anni grazie a una legislazione ambientale più severa, e che questa concentrazione è destinata a diminuire ulteriormente", spiega Lubna Dada, scienziato atmosferico del PSI. La concentrazione di terpeni, invece, sta aumentando, perché quando sono sotto stress, la vegetazione ne emette di più, ad esempio quando le temperature e gli eventi meteorologici estremi diventano più frequenti e la vegetazione è più spesso soggetta a siccità". La grande domanda per migliorare le previsioni climatiche è quindi sapere quale fattore predomina, contribuendo all’intensificazione o alla riduzione della formazione delle nuvole. E per farlo, dobbiamo conoscere il contributo di ciascuna di queste sostanze alla formazione di nuove particelle. Si sa già molto sull’acido solforico, e il ruolo dei monoterpeni e dell’isoprene è ora meglio compreso grazie alle misurazioni sul campo e agli esperimenti in camera come CLOUD, a cui il PSI ha partecipato.
I sesquiterpeni sono rari ma efficaci
Finora i sesquiterpeni non sono stati oggetto di ricerca. Questo perché sono piuttosto difficili da misurare", afferma Lubna Dada. Da un lato perché reagiscono molto rapidamente con l’ozono, dall’altro perché sono molto più rari degli altri". Mentre ogni anno vengono emessi nell’atmosfera circa 465 milioni di tonnellate di isopreni e 91 milioni di tonnellate di monoterpeni, la quantità corrispondente di sesquiterpeni è di soli 24 milioni di tonnellate. Tuttavia, come dimostra il nuovo studio di Lubna Dada, questi composti svolgono un ruolo importante nella formazione delle nuvole. Secondo le misurazioni, a parità di concentrazione, formano un numero di particelle dieci volte superiore rispetto alle altre due sostanze organiche.Per scoprirlo, Lubna Dada e i suoi coautori hanno utilizzato l’esclusiva camera CLOUD del centro di ricerca nucleare del CERN. Si tratta di una camera isolata che simula diverse condizioni atmosferiche. Con quasi 30 metri cubi, questa camera climatica è la più pulita al mondo rispetto ad altre strutture simili", sottolinea Lubna Dada. Così pulita che ci permette di studiare i sesquiterpeni anche quando riproduciamo la loro bassa concentrazione nell’atmosfera".
Ed era proprio questo l’obiettivo dello studio. Si trattava di simulare la formazione biogenica di particelle nell’atmosfera. E farlo come nell’era preindustriale, quando ancora non c’erano emissioni antropiche di anidride solforosa. Rispetto a oggi, questo permette di identificare più chiaramente l’influenza umana e di proiettarla nel futuro. Ma in natura l’anidride solforosa di origine antropica è presente da molto tempo. Anche per questo motivo è stata presa in considerazione solo la camera CLOUD. In queste condizioni controllate, è possibile produrre una miscela pre-industriale.
Le particelle persistenti causano la formazione di più nubi
Durante i test è emerso che nell’aria pura l’ossidazione di una miscela naturale di isopreni, monoterpeni e sesquiterpeni produce un’ampia varietà di composti organici, noti come ULVOC (Ultra-Low-Volatility Organic Compounds). Queste molecole sono meno volatili e quindi molto efficaci nel formare particelle. L’enorme effetto dei sesquiterpeni è stato rivelato quando i ricercatori li hanno mescolati con isoprene e monoterpeni. Con un’aggiunta di appena il 2%, il tasso di formazione di nuove particelle è raddoppiato. "Ciò si spiega con il fatto che una molecola di sesquiterpene contiene 15 atomi di carbonio, mentre i monoterpeni ne contengono solo dieci e l’isoprene solo cinque", spiega Lubna Dada.Da un lato, lo studio ha rivelato un altro fattore con cui la vegetazione influenza il tempo e il clima. Ma soprattutto, sulla base dei risultati ottenuti, i ricercatori propongono di includere i sesquiterpeni nei modelli climatici, insieme agli isoprenici e ai monoterpeni, per migliorare le previsioni. Soprattutto con la diminuzione delle concentrazioni di anidride solforosa nell’atmosfera e il contemporaneo aumento delle emissioni biogene dovute allo stress climatico, è probabile che il ruolo dei sesquiterpeni nel clima di domani diventi sempre più importante. Tuttavia, se vogliamo migliorare ulteriormente le previsioni sulla formazione delle nuvole, saranno necessari ulteriori studi. Questi sono già in fase di pianificazione da parte del Laboratorio di Chimica dell’Atmosfera. "Nella prossima fase, vogliamo studiare con i nostri partner CLOUD cosa è successo nel contesto dell’industrializzazione, quando i gas di origine antropica, come l’anidride solforosa, l’ammoniaca e altri composti organici antropogenici, si sono mescolati con l’atmosfera naturale", afferma Imad El Haddad, responsabile del gruppo Atmospheric Molecular Processes.
Testo: Jan Berndorff
