Misure a Lungo Termine di Proprieta’ Chimiche e Fisiche dell’Aerosol Atmosferico a Dome C

Finanziato da: MIUR (PNRA 2015/AC3.04 – PNRA14_00091-Linea A3) Periodo: Novembre 2015 – Giugno 2021

Introduzione

Gli aerosol hanno alta variabilità spaziale e temporale e i modelli globali sul forzante radiativo rivelarono che il 45% della variabilità dipende dall’incertezza nelle emissioni naturali invece che in quelle antropiche. Questo risultato porta a considerare l’importanza di caratterizzare l’aerosol naturale che raggiunge l’Antartide. Misure a lungo termine di aerosol e dei loro precursori gassosi a Dome C porterà ad una migliore conoscenza delle sorgenti, delle reazioni atmosferiche e di trasporto, dei processi de posizionali e post-deposizionali (includendo l’interazione all’interfaccia aria/neve) dell’aerosol presente in Antartide, conducendo ad una migliore conoscenza dei processi di feedback clima-ambiente, un miglior sviluppo dei modelli climatici e di interpretazione dei passati cambiamenti dell’aerosol nel ghiaccio Antartico.

Descrizione

Le misure includeranno: materiale particellare; i gas (NO_x, O₃) coinvolti nei processi degli aerosol; monitoraggio dei raggi cosmici (neutroni, muoni), come potenziali agenti per la nucleazione in-situ. La strumentazione verrà installata nella stazione di Studi Atmosferici di Dome C. Campioni giornalieri di neve saranno raccolti in un’area pulita. Misure dirette (con risoluzione di pochi minuti) e campionamenti (da 24 ore a 15 giorni) includeranno: distribuzione granulometrica (DMPS + OPC); PM₁₀ per ioni e metalli; PM₁₀ per analisi elementare PIXE; PM₁₀ per la frazione EC/OC; PM₁₀ per la caratterizzazione geochimica delle particelle dust; campionamento a 4 stadi per ioni e metalli; campionamenti a 5 stadi ad alto volume per i composti organici (WSOC, amino acidi, metossifenoli, zuccheri, zuccheri anidri) e per alogeni (I e Br); misure di ozono, VOC e NO_x; conteggio di neutroni e muoni. Contemporaneamente sarà raccolta la neve superficiale per studiare l’interfaccia aria/neve. Verranno anche studiate le dinamiche del ghiaccio marino mediante determinazione dei trend stagionali di Br, I e MSA allo scopo di valutare il ruolo del ghiaccio marino nel promuovere l’attività del fitoplancton. L’identificazione delle aree di potenziale sorgente (PSA) dell’aerosol dust sarà eseguito da un PM₁₀ di caratterizzazione geochimica (REEs e rapporti isotopici di Pb, Sr e Nd). Il ruolo della fotochimica sarà studiato comparando l’irradiazione solare (BSRN DC Observatory) con le concentrazioni particellari di nss-SO₄^2-, MSA, nitrato, composti organici e alogeni. L’ozono troposferico sarà continuamente misurato per valutare la capacità ossidante dell’atmosfera a Dome C. La sorgente derivante dalla neve per i composti azotati (N) verrà valutata comparando le misura atmosferiche e nella neve di particelle di NO₃^– e NO₂^– con i gas NO_x e HNO₂ misurati a due altezze sopra la neve. L’efficienza del PM₁₀ nel campionamento del nitrato sarà valutato con un denuder all’entrata del campionatore (per eliminare HNO₃ gassoso) e con un filtro nylon di back-up (per eliminare la volatilizzazione delle specie acide e volatili). Lo studio delle sorgenti del nitrato includerà anche gli scambi troposfera-stratosfera. L’identificazione e l’evoluzione temporale (velocità di formazione e di nuova crescita delle particelle) degli eventi di nucleazione sarà eseguita con le misure DMPS (40 classi dimensionali; 3 – 1000 nm). Il ruolo dei Raggi Cosmici nel formare le nuove particelle sarà valutato comparando i relativi trend con i dati DMPS.

Obiettivi

Gli obiettivi per le misure a lungo termine degli aerosol includono:

• capire i processi di feedback aerosol-clima nelle regioni più sensibili ai cambiamenti ambientali e climatici;
• stabilire i valori di fondo del carico atmosferico, granulometrico e di composizione chimica dell’aerosol;
• migliorare l’attendibilità dei modelli climatici rendendo disponibile i dati a lungo termine per un’effettiva valutazione dell’aerosol globale (ERFari e ERFaci);
• studiare con sufficiente statistica i trend stagionali e annuali di importanti componenti aerosolici (S-, N- e C-; emissioni biogeniche; dust; sea spray);
• valutare la forza della sorgente e l’efficienza del trasporto a lungo raggio dell’aerosol formato nelle aree marine e continentali a più basse latitudini;
• stimare il contributo delle sorgenti locali e regionali dell’aerosol Antartico;
• studiare gli effetti della fotochimica e delle sorgenti radicali che (ozono) sulle reazioni chimiche dei precursori gassosi e sulla formazione delle nuove particelle a condizioni atmosferiche molto atipiche (temperatura, continua irradiazione estiva);
• migliorare l’attendibilità delle ricostruzioni paleo-climatiche e paleo-ambientali da stratigrafie del ghiaccio e da anche una migliore conoscenza dello scambio aerosol-neve superficiale;
• valutare il possibile ruolo dei Raggi Cosmici nella Nuova Formazione delle Particelle (NPF) in un’area dove la nucleazione è improbabile dovuto alle basse concentrazioni atmosferiche dei loro precursori.

 

Attività CNR-IIA

Specifici obiettivi scientifici:

• determinare la quantità e gli scambi atmosfera-neve dei composti organici e dei composti reattivi dell’azoto (NO_x, HNO₃, HNO₂ e i relativi sali, VOC includendo aldeidi, e acidi carbossilici);
• ottimizzare la misura del nitratto particellare nella frazione grossa e fine rimuovendo le interferenze gassose e quantificando la parte del nitrato volatile e non;
• capire i possibili processi di trasformazione chimica durante il trasporto atmosferico a lungo raggio.

  Attività di campo in Antartide Estate 2016-2017 e inverno 2017. L’efficienza del campionamento del nitrato PM₁₀ è stato valutato usando due denuders (per eliminare HNO₃ e NH₃) e filtri Teflon e Nylon di back-up (per correggere la volatilizzazione di HNO₃ e NH₃) installati all’entrata del campionatore PM₁₀. Queste misure furono comparata ad un altro campionatore PM₁₀ (senza denuder e filtri back-up) su base giornaliera e settimanale. Estate 2017-2018 Misure atmosferiche della frazione organica più grande (VOC, aldeidi, acidi carbossilici) furono eseguite mediante trappole e filtri. Le misure degli ossidi di azoto non furono ottenute a causa del malfunzionamento dell’analizzatore a chemiluminescenza. La neve superficiale fu anche raccolta giornalmente e nello stesso periodo delle misure atmosferiche per valutare gli scambi atmosfera-neve. Estate 2018-2019 Come per l’estate 2017/2018, le misure atmosferiche della frazione organica più grande (VOC, aldeidi, acidi carbossilici) furono eseguite. Le misure degli ossidi di azoto non furono ottenute a causa del malfunzionamento dell’analizzatore a chemiluminescenza. La neve superficiale fu anche raccolta giornalmente e nello stesso periodo delle misure atmosferiche per valutare gli scambi atmosfera-neve.   Attività in Italia Estate 2017-2018 Determinazione di tutti i composti ionici, includendo MSA, e acidi carbossilici, fu eseguita mediante le tecniche IC e HPLC/UV. Tutti i valori furono corretti dai bianchi. Le concentrazioni atmosferiche dei composti carbonilici furono determinate mediante derivatizzazione con 2,4 – DNPH e successiva analisi HPLC/UV. Nel caso dei campioni di neve, fu eseguita la procedura di estrazione fase solida (SPE) dopo derivatizzazione. I VOC furono desorbiti termicamente dalle trappole e analizzati mediante GC-MS. Estate 2018-2019 Come per l’estate 2017/2018.  

Partecipanti

• CNR-IIA
• Università di Firenze, UNIFI, Italia
• CNR-ISAC
• Università di Venezia, UNIVE, Italia
• Università di Genova, UNIGE, Italia
• LGGE (Grenoble, France
• KOPRI (Incheon, South Korea)
• Institute of Alpine and Arctic Research (INSTAAR); University of Colorado (Boulder, USA)
• Desert Research Institute (Reno, Nevada)
• Dept. Analytical Chemistry Ghent Univ. (Ghent, Belgium)
• FMI (Helsinki, Finland)
• EMPA (CH)

Gruppo di lavoro