Nuove misurazioni rivelano una sorprendente abbondanza di nanoparticelle stratosferiche

Gli scienziati del Chemical Sciences Laboratory (CSL) della NOAA hanno scoperto una classe di particelle ultrafini, ricche di sostanze organiche, precedentemente trascurata ma molto diffusa negli strati alti dell’atmosfera terrestre. Queste minuscole particelle – la maggior parte delle quali ha un diametro inferiore a 0,11 micrometri (circa 100 volte più piccole di un granello di polvere) – sono risultate sorprendentemente abbondanti nelle zone più basse della stratosfera, quasi 11 chilometri sopra la superficie terrestre.

Sebbene troppo piccole per essere rilevate dalla maggior parte dei sensori satellitari e dagli strumenti trasportati da palloni sonda, queste particelle rappresentano fino al 90% della superficie disponibile per le reazioni chimiche atmosferiche e la condensazione di gas in tracce.

“Fino ad ora, queste particelle sono state per noi quasi invisibili”, ha affermato Ming Lyu, autore principale del nuovo studio pubblicato su Science e ricercatore presso il CIRES dell’Università del Colorado, affiliato al NOAA CSL. “La maggior parte degli strumenti e dei satelliti le ignora perché sono semplicemente troppo piccole, ma sono estremamente abbondanti e quindi, nel complesso, possono avere un grande impatto”.

Le superfici degli aerosol forniscono la “piattaforma di reazione” per una varietà di processi microfisici e chimici nell’atmosfera. La quantità di superficie particellare determina la velocità con cui possono avvenire determinate reazioni chimiche, comprese quelle che influiscono sull’ozono stratosferico.

Gli aerosol stratosferici svolgono anche un ruolo importante nel clima globale della superficie, riflettendo la luce solare o assorbendo la radiazione terrestre. La direzione e l’entità di questo effetto dipendono fortemente dalle dimensioni, dalla composizione e dall’abbondanza delle particelle.

Origini troposferiche, impatto stratosferico

Le misurazioni sono state effettuate durante la missione SABRE (Stratospheric Processes, Budget, and Radiative Effects) della NOAA nel febbraio 2023. I ricercatori hanno equipaggiato l’aereo ad alta quota WB-57 della NASA con una serie di strumenti altamente specializzati, molti dei quali sviluppati dal NOAA CSL, per effettuare misurazioni dettagliate delle concentrazioni di particelle, della distribuzione dimensionale e della composizione chimica, insieme a numerosi gas in tracce, nella stratosfera dell’estremo nord.

Il nuovo tipo di particelle ultrafini è risultato associato a livelli più elevati di protossido di azoto (N₂O), un indicatore comune del recente movimento dell’aria dalla superficie (troposfera) verso l’alto, poiché il N₂O viene emesso solo a livello del suolo da fonti come l’agricoltura, l’industria e la produzione di energia.

Utilizzando la spettrometria di massa delle particelle, i ricercatori hanno scoperto che la popolazione di aerosol molto piccoli nella bassa stratosfera è ricca di sostanze organiche, con circa il 50% della loro massa costituita da composti di origine superficiale, confermandone così l’origine troposferica. Una volta formatesi nell’alta troposfera a partire dalle emissioni superficiali, queste nanoparticelle ricche di sostanze organiche vengono trasportate nella stratosfera insieme al N₂O e ad altri inquinanti attraverso correnti ascensionali tropicali, tempeste convettive e il sollevamento graduale dell’aria ai tropici.

Un punto cieco nel monitoraggio atmosferico

Overview of the processes of stratospheric aerosol formation, transport and removal. Figure: Chelsea Thompson, NOAA

I nuovi risultati evidenziano una lacuna critica nell’attuale tecnologia di monitoraggio atmosferico. La maggior parte degli strumenti satellitari è orientata al rilevamento di particelle con diametro superiore a 0,2 µm, mentre gli strumenti trasportati da palloni sono limitati a dimensioni superiori a 0,15–0,3 µm. Di conseguenza, questa abbondanza di nanoparticelle organiche era rimasta in gran parte inosservata e sottovalutata.

Queste nuove misurazioni sono state possibili solo grazie a una strumentazione avanzata costruita su misura, capace di effettuare misurazioni dettagliate di particelle fino a 0,003 µm (3 nm) di diametro.

Nuove osservazioni come queste rappresentano anche un test critico per i modelli informatici. In questo caso, gli autori hanno scoperto che un modello chimico-climatico non è stato in grado di replicare la distribuzione dimensionale “bimodale” osservata delle particelle nella bassa stratosfera, che si verifica quando queste minuscole nanoparticelle si mescolano e si combinano con le particelle di solfato stratosferico più grandi già esistenti.

Sebbene il modello avesse previsto la presenza di particelle più piccole, la loro formazione tramite nuovi processi di nucleazione nella bassa stratosfera risultava incoerente con le osservazioni in situ durante la missione SABRE; inoltre, le particelle modellate erano spesso molto più grandi di quelle osservate e contenevano a malapena sostanze organiche.

“Il modello tratta tutte le piccole particelle essenzialmente come solfati, ma noi stiamo osservando un grande contributo da parte delle sostanze organiche”, ha detto Lyu. “Questa discrepanza potrebbe portare a errori nel modo in cui simuliamo la crescita delle particelle, la chimica dell’aria e gli impatti radiativi degli aerosol”.

Implicazioni per l’intervento climatico

I risultati sono particolarmente rilevanti per la potenziale fattibilità dell’iniezione di aerosol stratosferici (SAI), una forma di intervento climatico che prevede l’iniezione nella stratosfera di particelle o gas in grado di creare particelle (come il biossido di zolfo) per riflettere la luce solare e raffreddare il pianeta.

Molte strategie di SAI propongono l’implementazione nelle regioni tropicali o subtropicali della bassa stratosfera, proprio dove queste piccole particelle organiche sono predominanti. Queste nanoparticelle non solo forniscono un’estesa superficie (precedentemente ignorata) che guida le reazioni chimiche, ma fungono anche da “pozzo di condensazione”, assorbendo i gas chimici. Così facendo, possono crescere abbastanza da iniziare a riflettere la luce solare.

“Se si pensa di iniettare vapore di biossido di zolfo o altri gas condensabili nella stratosfera, queste piccole particelle di fondo saranno le prime a cui il nuovo materiale si attaccherà”, ha spiegato il coautore Charles Brock. “Questo cambia tutto in termini di come progettare e prevedere gli effetti”.

La NOAA non conduce esperimenti di SAI nell’atmosfera, pertanto gli scienziati utilizzano modelli informatici per tentare di simulare gli effetti del SAI sui modelli meteorologici e climatici. Per simulare con maggiore precisione i processi stratosferici, è necessario migliorare gli strumenti trasportati da palloni affinché rilevino particelle inferiori a 0,1 micrometri, e i modelli devono riuscire a catturare meglio le dimensioni, la composizione e il comportamento degli aerosol ricchi di sostanze organiche.

“Comprendere queste piccole particelle è fondamentale per prevedere come la stratosfera risponderebbe a qualsiasi tipo di perturbazione, sia naturale, come un vulcano, sia causata dall’uomo”, ha concluso Lyu.

Il set di dati completo della missione SABRE è disponibile pubblicamente e i ricercatori sperano che stimolerà miglioramenti sia nella modellazione che nella strumentazione.

Abstract

L’analisi dei recenti dati in situ rivela una modalità persistente di particelle aerosol ricche di sostanze organiche nella stratosfera al di sotto dei 19 chilometri, con una concentrazione di protossido di azoto (N₂O) > 270 parti per miliardo in volume, con un diametro medio geometrico numerico di ~0,03-0,11 µm (0,08-0,2 µm in superficie e 0,11-0,3 µm in volume). Questa modalità, composta principalmente da particelle ricche di sostanze organiche trasportate dalla troposfera, è scarsamente rilevata dai satelliti e dalla maggior parte delle misurazioni ottiche effettuate tramite palloni, ma domina la superficie disponibile per le reazioni eterogenee e funge da pozzo per i vapori condensabili. Queste piccole particelle crescono in dimensioni e diminuiscono in concentrazione man mano che si mescolano con l’aria stratosferica più vecchia. Un modello chimico-climatico globale non riesce a replicare le caratteristiche di queste particelle, suggerendo che siano necessari miglioramenti nel modello per una valutazione accurata delle proposte di geoingegneria.

FONTE https://csl.noaa.gov/news/2026/442_0423.html