Combinando misurazioni uniche di velivoli ad alta quota e dettagliate simulazioni di modelli regionali, si dimostra che la biochimica all'interno delle piante svolge un ruolo centrale ma precedentemente non identificato nei processi di formazione di particolato fine e nelle interazioni atmosfera-biosfera-clima sulla foresta pluviale amazzonica
Secondo un recente studio condotto dai ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), i gas derivati dalle foglie delle piante guidano un fenomeno atmosferico precedentemente sconosciuto sulla foresta pluviale amazzonica. I risultati, che sono stati pubblicati su ACS Earth and Space Chemistry, (1) hanno importanti applicazioni per la scienza dell'atmosfera e per la modellazione del cambiamento climatico.
«La foresta pluviale tropicale dell'Amazzonia costituisce i polmoni della Terra e questo studio collega i processi naturali nella foresta agli aerosol, alle nuvole e all'equilibrio radiativo della Terra in modi che non sono stati precedentemente riconosciuti», ha affermato il dottor Manish Shrivastava, (2) scienziato della Terra presso PNNL e ricercatore principale dello studio.
Colmare il divario dei dati mancanti
Il dottor Shrivastava e il suo team stavano studiando le particelle fini nell'alta atmosfera quando hanno scoperto una grande disparità tra le loro misurazioni e ciò che ci si sarebbe aspettato sulla base dell'attuale comprensione dei modelli atmosferici. Attraverso ulteriori studi, il team ha scoperto che mancavano interazioni chiave foresta-atmosfera negli attuali modelli atmosferici che regolano la quantità di particelle fini nell'atmosfera superiore.
I ricercatori hanno scoperto un processo precedentemente non riconosciuto che coinvolge gas semi-volatili emessi dalle piante in tutta la foresta pluviale amazzonica e trasportati nell'alta atmosfera dalle nuvole. Questi gas sono composti chimici naturali a base di carbonio che possono facilmente condensare per formare particelle fini nell'alta atmosfera. Questo processo, ha detto Shrivastava, è molto efficiente nel produrre particelle fini ad alta quota e basse temperature. Queste particelle fini raffreddano il pianeta riducendo la quantità di luce solare che raggiunge la Terra e seminano anche nuvole che influenzano le precipitazioni e il ciclo dell'acqua.
«Senza una piena comprensione della fonte semi-volatile di gas organici, semplicemente non possiamo spiegare la presenza e il ruolo dei componenti chiave delle particelle ad alta quota», ha detto Shrivastava.
Scoperta cruciale nei processi atmosferici
Il progetto di ricerca del dottor Shrivastava, finanziato attraverso un premio per la ricerca sulla carriera precoce del Dipartimento dell'Energia (DOE), ha coinvolto lo studio della formazione di particelle di aerosol (3) note come aerosol organici secondari di isoprene epossidiolo (IEPOX-SOA), che vengono misurate da aerei che volano a diverse altitudini.
Gli IEPOX-SOA sono elementi costitutivi essenziali per le particelle fini che si trovano a tutte le altitudini della troposfera, la regione dell'atmosfera che si estende dalla superficie terrestre a circa 20 chilometri di altitudine al di sopra delle regioni tropicali. Tuttavia, i modelli atmosferici non hanno tenuto sufficientemente conto di queste particelle e della loro influenza sulle nuvole in alto sopra la Terra.
«Poiché i modelli non prevedevano i carichi IEPOX-SOA osservati ad altitudini comprese tra 10 e 14 chilometri in Amazzonia, stavamo ottenendo quelli che credevo essere guasti del modello o mancanza di comprensione delle misurazioni», ha affermato Shrivastava. «Potrei spiegarlo in superficie, ma non potrei spiegarlo ad altitudini più elevate».
Manish Shrivastava e il suo team hanno perlustrato i dati raccolti dal velivolo Grumman Gulfstream-159 (G-1), un laboratorio di volo DOE gestito dalla struttura aerea di misurazione delle radiazioni atmosferiche (Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Aerial Facility), (4) che è stato pilotato fino a 5 chilometri di altitudine. Il team ha anche confrontato i dati raccolti da un aereo tedesco noto come High Altitude and Long Range Research Aircraft, o HALO, che è volato ad altitudini che raggiungono i 14 chilometri. Sulla base delle proiezioni modellate, i loro carichi di IEPOX-SOA avrebbero dovuto essere almeno un ordine di grandezza inferiore a quello misurato, ha affermato Shrivastava. Né lui, né i suoi colleghi al di fuori del PNNL, potevano spiegare la disparità nelle misurazioni e ciò che i modelli proiettavano.
Prima della ricerca del team, si credeva che IEPOX-SOA fossero formati principalmente da percorsi chimici atmosferici multifase che coinvolgono reazioni di isoprene nella fase gassosa e particelle contenenti acqua liquida. Tuttavia, i percorsi della chimica atmosferica necessari per creare IEPOX-SOA non si verificano nella troposfera superiore a causa delle sue temperature estremamente fredde e delle condizioni secche. A quell'altitudine, le particelle e le nuvole sono ghiacciate e mancano di acqua liquida. I ricercatori quindi non sono stati in grado di spiegare la loro formazione osservata a 10-14 chilometri di altitudine utilizzando i modelli disponibili.
Per svelare il mistero, i ricercatori hanno combinato misurazioni specializzate di velivoli ad alta quota e dettagliate simulazioni di modelli regionali condotte utilizzando risorse di supercalcolo (5) presso il Laboratorio di scienze molecolari ambientali (Environmental Molecular Sciences Laboratory) (6) del PNNL. Il loro studio ha rivelato la componente sconosciuta dei processi atmosferici. Un gas semi-volatile noto come 2-metiltetrolo viene trasportato dalle correnti ascensionali delle nubi nella fredda troposfera superiore. Il gas condensa quindi per formare particelle che vengono rilevate come IEPOX-SOA dall'aereo.
«Questa è certamente una scoperta importante perché aiuta nella nostra comprensione di come si formano queste particelle fini, e quindi illumina una nuova luce su come i processi naturali nella foresta raffreddano il pianeta e contribuiscono alle nuvole e alle precipitazioni», ha detto Shrivastava. «Insieme al cambiamento climatico globale e alla rapida deforestazione in molte parti dell'Amazzonia, gli esseri umani stanno perturbando i principali processi naturali che producono particelle fini nell'atmosfera e modulano il riscaldamento globale».
Aprire le porte a ulteriori ricerche atmosferiche
La scoperta del team graffia solo la superficie, ha detto Shrivastava, nell'apprendere di questo nuovo processo atmosferico e di come influisce sulla formazione di particelle fini nell'atmosfera. Ha affermato che il processo appena identificato dalle piante potrebbe spiegare un'ampia gamma di fenomeni di particelle atmosferiche su altri luoghi boschivi in tutto il mondo.
«Nel grande schema, questo è solo l'inizio di ciò che sappiamo e aprirà nuove frontiere della ricerca nelle interazioni terra-atmosfera-aerosol-nuvole», ha affermato. «Capire come la foresta produce queste particelle potrebbe aiutarci a capire come la deforestazione e il cambiamento climatico influenzeranno il riscaldamento globale e il ciclo dell'acqua».
La ricerca è stata supportata dal premio DOE Early Career di Shrivastava e dalla ricerca sul sistema atmosferico del DOE, entrambi del programma dell'Office of Science Biological and Environmental Research. Il supporto per la raccolta dei dati a bordo del velivolo G-1 è stato fornito da ARM, una struttura utente del DOE Office of Science. Le risorse computazionali per le simulazioni sono state fornite da EMSL, anch'essa una struttura utente del DOE Office of Science.
Riferimenti:
(3) Atmospheric Aerosols - PNNL
(5) Linux Clusters
(6) Environmental Molecular Sciences Laboratory: A DOE Office of Science User Facility
Descrizione foto: Lo scienziato terrestre del PNNL Manish Shrivastava e il suo team hanno identificato un processo atmosferico che crea un tipo di particella fine sulla foresta pluviale amazzonica. Attraverso il processo, i gas semi-volatili, che sono composti chimici naturali a base di carbonio che possono facilmente condensare per formare particelle fini nell'atmosfera superiore, vengono emessi in tutta la foresta pluviale amazzonica da processi chimici interni e di superficie precedentemente non riconosciuti. - Credit: Nathan Johnson & Jason Tomlinson - Pacific Northwest National Laboratory.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Amazon Rainforest Foliage Gases Affect the Earth’s Atmosphere