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Aerosol, la “materia oscura” del sistema climatico

Se stessimo a sentire solo i media, più o meno social, sembrerebbe che il dibattito climatico sia ancora fermo a problematiche, come la causa del riscaldamento globale, risolte invece da almeno 30 anni, individuando nelle emissioni antropiche di CO2 la ragione largamente preponderante. Tuttavia, se solo coloro che negano ancora questa evidenza si informassero un poco di più, potrebbero trovare un sacco di materiale forse più interessante e realmente legato a dibattiti scientifici in corso. È il caso dell’ aerosol, una sorta di “materia oscura”, ancora sfuggente, nel sistema climatico.

 

Sono ormai decenni che le Nazioni Unite, attraverso l’IPCC, presentano una tabella (Fig. 1) in cui il contributo energetico (la cosiddetta “forzante radiativa”) dell’aerosol atmosferico al riscaldamento globale continua ad essere presentato con un livello di incertezza molto ampio. Certo, questo non può togliere ai gas climalteranti il primato nel modificare il clima del pianeta, ma è sufficiente a causare deviazioni, anche consistenti, nel trend generale (come ad esempio la pausa del riscaldamento globale negli anni ‘60-70) e, cosa interessante, forse anche nel brevissimo periodo (2010-2014).

Figura 1: Tabella dell’ultimo rapporto dell’IPCC nel 2013 con i contributi energetici delle varie componenti che influenzano il sistema climatico. L’ampia barra di incertezza legata agli aerosol è rimasta sostanzialmente invariata a partire dalla prima presentazione di questa tabella nel rapporto IPCC del 1995.

Ma che cos’è l’aerosol atmosferico? È semplicemente l’insieme delle particelle solide e liquide disperse in atmosfera (Fig. 2). E perché l’aerosol è importante dal punto di vista energetico? L’aerosol è in grado di causare un effetto albedo, ovvero di riflessione, ma anche di assorbimento dei raggi solari, proprio come uno specchio (ad esempio l’aerosol di solfati) o, all’estremo opposto, come un corpo nero (ad esempio la fuliggine). Allo stato attuale sembra che, in generale, l’aerosol si comporti più come uno specchio, raffreddando quindi il clima, ma con un’incertezza ed una variabilità spaziale così ampie che potrebbe persino comportarsi da corpo nero, contribuendo così a riscaldare ancora di più l’atmosfera, anche se probabilmente solo a livello regionale.

Figura 2: Particolato atmosferico costituente l’aerosol. Questo è composto da una frazione primaria, emessa in atmosfera direttamente dalla sorgente ed una secondaria, originata da trasformazioni chimico-fisiche che avvengono in atmosfera (si veda anche la fig. 3). Quest’ultima costituisce il 60-90% del particolato atmosferico.

 

 

L’ambiguo effetto energetico dell’aerosol è essenzialmente legato a due fattori, uno diretto ed uno indiretto. Una particella atmosferica che interagisce direttamente con un raggio solare può assorbirlo oppure deviarne, anche significativamente, la traiettoria, fino addirittura ad invertirne la rotta a causa delle sue caratteristiche microfisiche come la dimensione, la forma e la composizione chimica. Tuttavia, queste particelle interagiscono con i raggi solari anche in maniera indiretta, in quanto costituiscono i nuclei di formazione dei cristalli di ghiaccio e delle goccioline d’acqua che formano le nuvole, degli specchi potenti tanto quanto le distese dei ghiacci polari ma molto più complicati da definire e analizzare*.

 

A livello globale gli aerosol, comportandosi prevalentemente come uno specchio, possono “nascondere” quindi una parte del riscaldamento globale provocato dai gas climalteranti. Come scritto nel sommario del Quinto Rapporto sul clima dell’IPCC: “Esiste un livello di fiducia molto elevato nel fatto che gli aerosol e le loro interazioni con le nuvole abbiano controbilanciato una porzione consistente del contributo energetico dei gas climalteranti. Gli aerosol continuano a rappresentare il fattore di incertezza più ampio nella stima del contributo energetico totale al sistema climatico”.

 

Essendo l’aerosol un agente sostanzialmente raffreddante, esiste quindi la possibilità che, paradossalmente, azioni che hanno l’obiettivo di mitigare l’inquinamento atmosferico, possano anche contribuire a rinvigorire il riscaldamento globale. È quello che probabilmente è accaduto all’inizio degli anni ’80 quando l’efficacia delle politiche di contenimento dell’inquinamento atmosferico (inclusa l’abbattimento dell’aerosol di solfati e delle piogge acide ad essi legati) ha causato la ripresa del riscaldamento, anche in Italia. Questo effetto potrebbe oggi essere ulteriormente rinforzato dal forte calo di inquinamento atmosferico legato ai periodi di “lockdown” per contenere il COVID-19.

Figura 3: Principali sorgenti naturali e antropiche di aerosol, con alcuni dei processi energetici legati alla sua presenza in atmosfera. Considerando le sorgenti naturali, le eruzioni vulcaniche possono contribuire ad alterare fortemente il bilancio energetico globale tramite i solfati, quantomeno nel breve periodo. È stato il caso ad esempio dell’eruzione del vulcano Pinatubo nel 1991 il cui effetto raffreddante previsto subito dopo l’eruzione (-0,5 °C) è risultato in linea con le osservazioni degli anni immediatamente successivi. Considerando invece le sorgenti antropogeniche, la fuliggine, denominata anche black carbon (soot), può alterare il bilancio energetico a livello regionale assorbendo i raggi solari e riscaldando ulteriormente l’atmosfera, come sembra avvenire in Himalaya.

 

Oggi il clima passato, presente e futuro è descritto sulla base delle leggi fisiche e grazie ad un insieme di algoritmi chiamati modelli globali che calcolano il contributo energetico sia dei fattori naturali (come la radiazione solare e gli aerosol di origine vulcanica) sia di quelli antropici (come i gas climalteranti e gli aerosol come la fuliggine). Tuttavia, mentre i dati di irraggiamento solare e dei gas climalteranti usati dai modelli sono consolidati, lo stesso non si può dire per gli aerosol, sia di origine naturale che antropica. Ad esempio, le particelle di origine minerale che vengono immesse in atmosfera, come quelle sollevate dal vento nei deserti, sono considerate dalla stragrande maggioranza dei modelli climatici di dimensioni costanti, di forma sferica e di composizione costante. Questo ignora completamente il fatto che in realtà queste particelle sono di forma e dimensioni molto eterogenee e composte da una moltitudine di minerali diversi (Fig. 4), con proprietà ottiche differenti nel riflettere o assorbire i raggi solari e probabilmente anche nel generare le nuvole.

Figura 4: Particelle di aerosol atmosferico intrappolate in una carota di ghiaccio. Le loro diverse dimensioni, forme e composizioni chimiche sono in stridente contrasto con la maggior parte dei modelli climatici che assumono invece siano sfere identiche ed omogenee (Foto: The Ohio State University).

 

Una sfida importante per la scienza del clima è quindi quella di caratterizzare l’interazione diretta ed indiretta tra i raggi solari e l’aerosol, studiandone i processi energetici a partire dalle proprietà microfisiche delle singole particelle. Solo fino a qualche anno fa questo non era possibile ma oggi, grazie ai progressi tecnologici della spettrometria di massa e della microscopia elettronica, si possono studiare dimensioni, forma, e composizione chimica di migliaia di singole particelle minerali nel giro di pochi minuti. L’obiettivo della ricerca scientifica è quindi quello di poter fornire ai modelli climatici nuove informazioni per contribuire a ridurre l’incertezza energetica legata all’aerosol e ottenere così ricostruzioni del clima del passato ancora più accurate e che ci permettano di capire meglio i cambiamenti in corso.

 

Testo di Paolo Gabrielli con contributi di: Mario Grosso, Stefano Caserini, Claudio Cassardo, Franco Miglietta, Sylvie Coyaud, Stefano Tibaldi, Vittorio Marletto e Laura Tositti.

 

*In realtà l’effetto energetico delle nubi è molto più complicato. Le nuvole basse sono molto spesse e riflettono principalmente i raggi solari raffreddando la superficie della Terra. Le nuvole alte e sottili invece lasciano passare i raggi solari in entrata e, allo stesso tempo, intrappolano parte dei raggi infrarossi in uscita emessi dalla Terra riflettendoli verso il basso e riscaldando così la superficie. È quello che succede ad esempio d’inverno quando le notti nuvolose sono tipicamente meno rigide di quelle a cielo sereno. Comunque, in media, sembra che l’effetto complessivo delle nuvole sia prevalentemente raffreddante.

 

7 responses so far

7 Responses to “Aerosol, la “materia oscura” del sistema climatico”

  1. Tommasoon Ott 31st 2020 at 09:17

    Articolo interessante.
    attenzione agli errori però….
    Nella nota * spiegate l’effetto delle nubi e, scusate, ma mi pare ci sia un errore madornale (è la spiegazione dell’effetto serra in pratica). Riportate: “Le nuvole alte e sottili invece lasciano passare i raggi solari in entrata e, allo stesso tempo, intrappolano parte dei raggi infrarossi in uscita emessi dalla Terra riflettendoli verso il basso e riscaldando così la superficie”
    A parte che “intrappolare” non si potrebbe usare (non è chiaro il fenomeno fisico) ma l’errore grave è che le radiazioni lunghe emesse dalla terra non sono riflesse dalle nuvole ma, invece, assorbite e riemesse (anche) verso il basso. Sembre una banalità ma è l’errore che quasi sempre si osserva sulle riviste “divulgative” che spiegano l’effetto serra.
    Su questo forum mi aspetto qualcosa di più professionale…

    Comunque in genere i vostri articoli sono ottimi…

  2. Paolo Gabriellion Ott 31st 2020 at 13:45

    @Tommaso

    Grazie per l’osservazione. E’ vero, la parola riflettere non e’ appropriata fisicamente e non rende giustizia al processo di assorbimento e riemissione. Questo sito ambisce ad essere divulgativo e siamo consapevoli che talvolta i termini usati (come altri in questo articolo) sono un compromesso per veicolare il concetto come ad esempio, in questo caso, che almeno parte dell’energia “torna indietro”. Non ce la prendiamo se qualcuno storce il naso.

  3. Antonioon Ott 31st 2020 at 16:12

    Secondo Hansen, la causa della recente accelerazione del riscaldamento globale è proprio degli aerosol https://mailchi.mp/caa/accelerated-global-warming

  4. Paolo Gabriellion Nov 2nd 2020 at 04:55

    @ Antonio

    Grazie mille. E’ stato proprio Hansen l’ispiratore di questo post grazie al draft di un capitolo del suo nuovo libro (consigliatissimo):

    http://www.columbia.edu/~jeh1/SophiePlanet/Planet.Chapter31.pdf

  5. Enrico Mariuttion Nov 5th 2020 at 01:09

    Questo articolo, che condivido, è in contrasto con quest’altro:

    https://www.climalteranti.it/2019/07/22/piantare-alberi-puo-salvare-il-clima/

    Qui, infatti, si parla di un effetto negativo della forestazione sull’albedo senza menzionare affatto i tanti studi che, invece, affermano il contrario, proprio in ragione dello sviluppo di aerosol atmosferici che il cui effetto supera quello del cambio di albedo superficiale.

  6. Enrico Mariuttion Nov 5th 2020 at 01:13

    c’è un “che” di troppo

  7. Armandoon Nov 5th 2020 at 16:40

    Segnalo questo articolo, sull’impatto del riscaldamento globale sull’economia.
    Una critica dell’impostazione neoclassica.

    https://www.patreon.com/posts/41100804

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