Per condurre un’analisi completa di ciò che costituisce i pennacchi di fumo degli incendi, il team di Rajan Chakrabarty ha trascorso 45 giorni viaggiando in diverse località degli incendi negli Stati Uniti occidentali, dove ha campionato il fumo gassoso e le specie di aerosol e ne ha analizzato le proprietà chimiche e ottiche. Questa ricerca è stata condotta nell’ambito della campagna sul campo Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality (FIREX-AQ), una joint venture guidata da NOAA e NASA. (Foto: Steve Brown/NOAA)
Mentre il fumo degli incendi canadesi continua a colpire vaste aree degli Stati Uniti, provocando una scarsa qualità dell’aria e conseguenze negative per la salute di milioni di americani, più persone che mai sentono gli effetti di stagioni degli incendi più lunghe e di un clima che cambia. Ora, i ricercatori della Washington University di St. Louis hanno scoperto che gli incendi possono avere impatti climatici ancora maggiori di quanto si pensasse in precedenza.
In un nuovo studio pubblicato il 7 agosto in Geoscienza della natura, i ricercatori guidati da Rajan Chakrabarty, Harold D. Jolley Career Development Associate Professor presso il Department of Energy, Environmental & Chemical Engineering presso la McKelvey School of Engineering, hanno scoperto che gli incendi stanno causando un effetto di riscaldamento molto maggiore di quanto previsto dal clima scienziati. Il lavoro, che si concentra sul ruolo del “carbonio marrone scuro” – una classe abbondante ma precedentemente sconosciuta di particelle emesse come parte del fumo degli incendi – evidenzia l’urgente necessità di rivedere i modelli climatici e aggiornare gli approcci per l’ambiente che cambia.
In questo video time-lapse, guarda il NOAA-CHEM Twin Otter che campiona il fumo degli incendi boschivi nell’Oregon orientale da Granite Gulch Fire, nell’agosto 2019. (Video: NOAA OMAO)
Per condurre un’analisi completa di ciò che costituisce i pennacchi di fumo degli incendi boschivi, il team di Chakrabarty ha trascorso 45 giorni viaggiando in diverse località degli incendi negli Stati Uniti occidentali, dove ha campionato il fumo gassoso e le specie di aerosol e ne ha analizzato le proprietà chimiche e ottiche. Questa ricerca è stata condotta nell’ambito della campagna sul campo Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality (FIREX-AQ), una joint venture guidata dalla National Aeronatics and Space Administration e dalla National Oceanic and Atmospheric Administration.
Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality (FIREX-AQ), una joint venture guidata da NOAA e NASA.
“La comprensione convenzionale è stata che i pennacchi scuri del fumo degli incendi contengono fuliggine di carbonio nero, che assorbe la radiazione solare, mentre i pennacchi più leggeri contengono principalmente carbonio organico che disperde la luce solare, il che significa che compensa l’assorbimento o l’effetto di riscaldamento della fuliggine”, ha detto Chakrabarty. “In genere, i modelli climatici ignorano o respingono il carbonio organico come insignificante rispetto al black carbon quando si tratta di riscaldamento, ma non è quello che rivelano le osservazioni sul campo.
“Questa non è un’immagine binaria. Invece, stiamo osservando un intero continuum in cui c’è un forte assorbimento della luce da parte del carbonio organico, o carbonio marrone scuro, simile al carbonio nero”, ha detto.
Durante il campionamento del fumo terrestre e aereo da incendi su larga scala, il team di Chakrabarty ha riscontrato un assorbitore di luce anormalmente forte nei pennacchi che non era carbonio nero, ma rappresentava più della metà dell’assorbimento totale osservato.
Chakrabarty si è rivolto a Rohan Mishra, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, per indagare su questo materiale sconosciuto e sulle sue proprietà. Arashdeep Thind, che ha conseguito un dottorato in scienza e ingegneria dei materiali nel 2021 mentre lavorava nel laboratorio di Mishra, ha utilizzato un sofisticato microscopio elettronico, ospitato presso il Center for Nanophase Materials Sciences, una struttura per utenti del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL). — per misurare le proprietà ottiche delle singole particelle dai campioni di fumo raccolti dal team di Chakrabarty.
“Sapevamo che c’era qualcosa di insolito in questo materiale nella sua composizione, struttura e spettro di assorbimento”, ha detto Mishra. “Osservando la struttura atomica locale delle particelle marrone scuro – che hanno dimensioni di poche decine di nanometri – e misurando contemporaneamente le loro proprietà ottiche utilizzando il microscopio elettronico dell’ORNL, siamo stati in grado di decifrare che queste particelle sono simili a carbone nero. È probabile che si formino in modo simile alla fuliggine nelle fiamme ad alta temperatura lungo i bordi anteriori degli incendi».
Mishra e Chakrabarty hanno scoperto che il carbonio marrone scuro assorbe leggermente meno luce del carbonio nero per particella, ma è quattro volte più abbondante nei pennacchi. Ciò significa che le particelle furtive di carbonio marrone scuro negli incendi probabilmente provocano un riscaldamento climatico molto maggiore di quanto precedentemente riconosciuto.
Hanno anche notato che queste particelle assorbono lunghezze d’onda della luce dall’ultravioletto al vicino infrarosso, coprendo l’intero spettro visibile. Sorprendentemente, questo potente carbonio marrone è resistente allo sbiancamento fotochimico guidato dalla luce solare che fa perdere agli aerosol organici che assorbono la luce la loro capacità di assorbimento nell’atmosfera.
Mishra e Chakrabarty hanno scoperto che il carbonio marrone scuro assorbe leggermente meno luce del carbonio nero per particella, ma è quattro volte più abbondante nei pennacchi. (Immagine cortesia laboratorio Chakrabarty)
Le scoperte del team hanno ampie implicazioni. Con la previsione di un aumento degli incendi a livello globale nei prossimi decenni, il ruolo del carbonio marrone scuro prodotto negli incendi avrà un impatto ancora maggiore. Chakrabarty e Mishra affermano che ciò sottolinea la necessità di sfruttare la collaborazione multidisciplinare per rivedere i modelli climatici esistenti per tenere conto degli effetti inaspettati del carbonio bruno nel fumo degli incendi. Senza questo aggiustamento critico, hanno detto, c’è il rischio di sottovalutare gli effetti del riscaldamento globale degli incendi e, quindi, l’urgenza degli sforzi di mitigazione del cambiamento climatico.
Chakrabarty RK, Shetty NJ, Thind AS, Beeler P, Sumlin BJ, Zhang C, Liu P, Idrobo JC, Adachi K, Wagner NL, Schwarz JP, Ahern A, Sedlacek III AJ, Lambe A, Daube C, Lyu M, Liu C, Herndon S, Onasch TB, Mishra R. Assorbimento a onde corte da fumo di incendio dominato da carbonio marrone scuro. Nature Geoscience, 7 agosto 2023. DOI: 10.1038/s41561-023-01237-9
Questa ricerca è stata supportata dalla NASA (80NSSC18K1414 e NNH20ZDA001N-ACCDAM), National Oceanic and Atmospheric Administration (NA16OAR4310104), National Science Foundation (AGS-1455215 e AGS-1926817) e US Department of Energy (DE-SC0021011).
Per gentile concessione della Washington University di St. Louis. Originariamente pubblicato dalla McKelvey School of Engineering.
Immagine in primo piano per gentile concessione del California Department of Forestry and Fire Protection.
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