Immagini al microscopio elettronico a trasmissione di campioni di polvere da laboratorio. In senso orario da sinistra in alto, fuliggine di fullerene, aggregato di carbonio nero dallo scarico del veicolo, Hematite-TD e Hematite-KJ.
La nostra società industrializzata rilascia molti e vari inquinanti nel mondo. La combustione in particolare produce una massa di aerosol che include il fumo nero
Sebbene ciò rappresenti solo una piccola percentuale delle particelle di aerosol, il carbonio nero è particolarmente problematico a causa della sua capacità di assorbire il calore e ostacolare le capacità di riflessione del calore di superfici come la neve. Quindi, è essenziale sapere come il carbonio nero interagisce con la luce solare. I ricercatori hanno quantificato l'indice di rifrazione del carbonio nero nel grado più accurato che potrebbe avere un impatto sui modelli climatici.
Ci sono molti fattori che guidano il cambiamento climatico; alcuni sono molto familiari, come le emissioni di anidride carbonica dalla combustione di combustibili fossili, anidride solforosa dalla produzione di cemento o emissioni di metano dall'agricoltura animale. Le particelle di aerosol di carbone nero, anch'esse da combustione, sono meno trattate nelle notizie ma sono particolarmente importanti. Essenzialmente fuliggine, il carbone nero assorbe molto bene il calore dalla luce solare e lo immagazzina, aggiungendosi al calore atmosferico. Allo stesso tempo, dato che i colori scuri sono meno efficaci nel riflettere la luce e quindi il calore, poiché il carbonio nero copre le superfici più chiare, inclusa la neve, riduce il potenziale di tali superfici di riflettere il calore nello spazio.
Le misurazioni precedenti delle proprietà ottiche del fumo nero erano spesso confuse da fattori come la mancanza di campioni puri o difficoltà nel misurare le interazioni della luce con particelle di diverse forme complesse. Un articolo pubblicato dal gornale Aerosol Science and Technology (1), descrive che il dottor Nobuhiro Moteki (2) e il suo team hanno migliorato questa situazione catturando le particelle di carbonio nero nell'acqua, quindi isolandole con solfati o altri prodotti chimici idrosolubili. Isolando le particelle, il team è riuscito a illuminarle meglio e analizzare il modo in cui si disperdono, il che ha fornito ai ricercatori i dati per calcolare il valore dell'indice di rifrazione.
«Comprendere l'interazione tra il fumo nero e la luce solare è di fondamentale importanza nella ricerca sul clima», ha affermato l'Assistente Professor Nobuhiro Moteki del Dipartimento di Scienze della Terra e Planetarie dell'Università di Tokyo. «La proprietà più critica del fumo nero a questo proposito è il suo indice di rifrazione, fondamentalmente come reindirizza e disperde i raggi di luce in arrivo. Tuttavia, le misurazioni esistenti dell'indice di rifrazione del fumo nero erano imprecise. Il mio team e io abbiamo intrapreso esperimenti dettagliati per migliorare questo aspetto. Con le nostre misurazioni migliorate, ora stimiamo che gli attuali modelli climatici potrebbero sottostimare l'assorbimento della radiazione solare dovuto al fumo nero di un significativo 16%».
Le misurazioni precedenti delle proprietà ottiche del fumo nero erano spesso confuse da fattori come la mancanza di campioni puri o difficoltà nel misurare le interazioni della luce con particelle di diverse forme complesse. Moteki e il suo team hanno migliorato questa situazione catturando le particelle di carbonio nero nell'acqua, quindi isolandole con solfati o altri prodotti chimici idrosolubili. Isolando le particelle, il team è stato in grado di illuminarle meglio e analizzare il modo in cui si disperdono, il che ha fornito ai ricercatori i dati per calcolare il valore dell'indice di rifrazione.
«Abbiamo misurato l'ampiezza, la forza e la fase della luce diffusa da campioni di carbonio nero isolati nell'acqua», ha detto Moteki. «Questo ci ha permesso di calcolare quello che è noto come l'indice di rifrazione complesso del fumo nero. Complesso perché invece di essere un singolo numero, è un valore che contiene due parti, una delle quali è “immaginaria” (riguardante l'assorbimento), sebbene il suo impatto sia molto, molto reale. Numeri così complessi con componenti immaginarie sono in realtà molto comuni nel campo della scienza ottica e oltre».
Poiché le nuove misurazioni ottiche del fumo nero implicano che gli attuali modelli climatici stanno sottovalutando il suo contributo al riscaldamento atmosferico, il team spera che altri ricercatori sul clima e responsabili politici possano utilizzare le loro scoperte. Il metodo sviluppato dal team per accertare il complesso indice di rifrazione delle particelle può essere applicato a materiali diversi dal fumo nero. Ciò consente l'identificazione ottica di particelle sconosciute nell'atmosfera, nell'oceano o nelle carote di ghiaccio e la valutazione delle proprietà ottiche dei materiali in polvere, non solo quelle legate al problema in corso del cambiamento climatico.
Finanziamento: i fondi sono stati forniti dal Fondo per la ricerca ambientale e lo sviluppo tecnologico (JPMEERF20202003) dell'Agenzia per il restauro e la conservazione ambientale, il programma KAKENHI della Società giapponese per la promozione della scienza (JSPS) (JP19H04236, JP19KK0289, Manoscritto accettato JP19H04259, JP19H05699, 22H03722, e 22H01294) e il progetto Arctic Challenge for Sustainability ArCS II (JPMXD1420318865) del Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia (MEXT) del Giappone.
L'Università di Tokyo è la principale università del Giappone e una delle migliori università di ricerca del mondo. La vasta produzione di ricerca di circa 6.000 ricercatori è pubblicata nelle migliori riviste del mondo nelle arti e nelle scienze. Il nostro vivace corpo studentesco di circa 15.000 studenti universitari e 15.000 laureati comprende oltre 4.000 studenti internazionali. (3)
Riferimenti:
(2) Nobuhiro Moteki
Descrizione foto: Immagini al microscopio elettronico a trasmissione di campioni di polvere da laboratorio. In senso orario da sinistra in alto, fuliggine di fullerene, aggregato di carbonio nero dallo scarico del veicolo, Hematite-TD e Hematite-KJ. Immagini al microscopio elettronico a trasmissione di aerosol ambientali raccolte da un campionatore aerosol-impattatore installato sulla nave da ricerca Shinsei Maru. Le frecce rosse indicano singoli aggregati di carbonio nero, la maggior parte dei quali sono stati mescolati con solfato (frecce verdi) e/o materiali organici (frecce azzurre). - Credit: Moteki et al. CC-BY.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Dark clouds on the horizon The most accurate measurements yet of black carbon in the atmosphere