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Quantifying the atmospheric implications of the solid phase and phase transitions of secondary organic aerosols

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Una componente delle particelle atmosferiche poco compresa ma considerevole è appena diventata meno misteriosa

Una quantificazione del flusso di aerosol organici secondari (SOA, Secondary Organic Aerosols) è fondamentale per prevedere con precisione gli effetti sul clima e sull’inquinamento. Studi sperimentali e di modellizzazione pionieristici e complementari hanno colmato importanti lacune di conoscenza.

Cambiamento climatico e Ambiente icon Cambiamento climatico e Ambiente

La nebbia e il fumo, nonché prodotti commerciali quali la lacca per capelli e la vernice spray, sono aerosol (sospensioni di particelle disperse in gas, nonché nell’atmosfera). Anche la formazione delle nuvole e l’impollinazione sono il risultato di particelle nell’atmosfera terrestre. Mentre gli aerosol organici primari vengono emessi nell’aria da fonti quali la vegetazione e la combustione di carburanti, i SOA si formano nell’atmosfera attraverso processi chimici multifase. Combinando metodi sperimentali e di modellizzazione innovativi, il progetto QAPPA, finanziato dall’UE, ha fatto luce sui processi SOA critici in condizioni atmosferiche rilevanti, concentrandosi sui SOA di origine biogenica in uno stato vetroso (solido amorfo o semisolido).

Transizioni di fase dello stato dei SOA interessanti ma per lo più non caratterizzate

I processi di partizione gas-solido e gas-liquido svolgono ruoli critici nel tempo di trasporto e di permanenza degli inquinanti organici nell’atmosfera, importanti per quantificare gli effetti dei SOA sui cambiamenti climatici e sull’inquinamento atmosferico. Tuttavia, fino ad ora, il cambiamento di fase dei SOA era scarsamente caratterizzato, così come l’effetto della fase vetrosa su vari processi atmosferici. Uno dei motivi della carenza di dati è proprio la difficoltà di ottenerli e integrarli. Secondo Annele Virtanen, coordinatrice del progetto, «Le misurazioni sul campo in ambienti e condizioni diversi hanno messo in discussione la nostra metodologia. Oltre ai miglioramenti tecnici, dovevamo anche sviluppare nuovi approcci di analisi dei dati per risolvere la dipendenza multidimensionale di diversi fattori».

Rivelare dipendenze precedentemente sconosciute

Sulla scia del precedente lavoro sperimentale e di modellizzazione pionieristico pubblicato nella prestigiosa rivista Nature, il team ha superato gli ostacoli e allargato i confini di ciò che poteva essere estratto dai dati misurati. Come spiega la Virtanen, «QAPPA ha risolto e quantificato con successo gli effetti del SOA in fase solida amorfa o semisolida in condizioni rilevanti dal punto di vista atmosferico. Abbiamo osservato che la fase vetrosa è lo stato prevalente del SOA atmosferico a bassa umidità. Quando l’umidità raggiunge valori atmosferici, che in molti ambienti possono essere relativamente alti, le particelle si liquefanno e diminuisce il ruolo dei limiti di diffusione della fase particellare nei processi centrali». I risultati dimostrano che, a temperature superiori a 0 °C, il partizionamento dei vapori organici è dominato dalla tensione di vapore dei vapori sottoposti a partizionamento, una fonte chiave di incertezza nei modelli. Inoltre, a queste temperature, l’assorbimento di acqua da parte degli aerosol organici non viene influenzato in modo significativo dalla fase vetrosa. Per contro, gli esperimenti del team in corso dimostrano che, a temperature inferiori allo zero, l’assorbimento di acqua e probabilmente anche la nucleazione del ghiaccio di aerosol organici possono essere influenzati dallo stato vetroso e dalle limitazioni della diffusione della fase particellare. Il particolato che funge da siti di nucleazione per la formazione di goccioline delle nubi e di particelle di ghiaccio influenza le precipitazioni e le proprietà riflettenti delle nuvole. La Virtanen prevede di concentrare gli sforzi futuri sulle basse temperature e sul ruolo dei SOA vetrosi nella nucleazione del ghiaccio. Nel frattempo, la Virtanen afferma: «Sebbene la fase fisica dei SOA non abbia un ruolo importante in molti processi nell’ambiente naturale in condizioni tipiche, potrebbe avere un ruolo significativo nelle misurazioni di laboratorio. Ciò andrebbe tenuto presente quando vengono interpretati i risultati di laboratorio e soprattutto quando questi vengono utilizzati per sviluppare e migliorare le parametrizzazioni per i modelli».

Parole chiave

QAPPA, aerosol organici secondari (SOA), fase, vetrosa, atmosferico, particella, aerosol, temperatura, stato, atmosfera, nucleazione, ghiaccio, partizionamento, gas, solido amorfo, modellizzazione

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