Assorbimento delle onde corte da parte del fumo di incendi dominato da carbonio marrone scuro

May 29, 2023

Nature Geoscience volume 16, pagine 683–688 (2023)Citare questo articolo

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Gli incendi emettono nell’atmosfera grandi quantità di carbonio nero e carbonio organico che assorbe la luce, noto come carbonio bruno. Queste particelle perturbano il bilancio delle radiazioni della Terra attraverso l'assorbimento della radiazione a onde corte in arrivo. Si ritiene generalmente che il carbonio bruno perda la sua capacità di assorbimento dopo l'emissione nell'atmosfera a causa dello sbiancamento fotochimico provocato dalla luce solare. Di conseguenza, l’effetto di riscaldamento atmosferico esercitato dal carbonio bruno rimane altamente variabile e scarsamente rappresentato nei modelli climatici rispetto a quello del carbonio nero, relativamente non reattivo. Dato che si prevede che gli incendi aumenteranno a livello globale nei prossimi decenni, è sempre più importante quantificare questi impatti radiativi. Qui presentiamo le misurazioni dell’assorbimento delle onde corte su scala d’insieme e su scala di particelle nei pennacchi di fumo provenienti da incendi negli Stati Uniti occidentali. Troviamo che un tipo di carbonio marrone scuro contribuisce per tre quarti all’assorbimento della luce visibile breve e per metà all’assorbimento della luce visibile lunga. Questa specie di aerosol organico fortemente assorbente è insolubile in acqua, resiste al fotosbiancamento diurno e aumenta l'assorbimento con il trattamento atmosferico notturno. I nostri risultati suggeriscono che la parametrizzazione del carbonio bruno nei modelli climatici deve essere rivista per migliorare la stima della forzante radiativa dell’aerosol di fumo e del riscaldamento associato.

Gli aerosol di fumo degli incendi provocano un forte riscaldamento atmosferico e un raffreddamento di grandi superfici che sono importanti per i cambiamenti climatici della Terra quanto l’anidride carbonica e altri gas serra1,2. La composizione in massa degli aerosol di fumo è prevalentemente (>95%) organica (OA) con frazioni minoritarie (<3%) di sostanze inorganiche e nerofumo grafitico (BC)2,3, con quest'ultimo considerato l'assorbitore dominante delle onde corte in arrivo radiazione solare4. Le caratteristiche di assorbimento della luce dell’OA variano ampiamente e rimangono scarsamente limitate nei modelli climatici5,6. Attualmente, i contributi al riscaldamento atmosferico derivanti dall'OA che assorbe la luce e residente in un pennacchio sono ignorati o considerati trascurabili a causa del fotosbiancamento rispetto al BC relativamente non reattivo nelle parametrizzazioni dei modelli2,7,8.

La visione tradizionale sostiene che i cromofori dell'OA assorbono prevalentemente a lunghezze d'onda corte della luce visibile ma in modo trascurabile a lunghezze d'onda visibili più lunghe, risultando in un aspetto visivo brunastro o giallastro, da cui il nome ottico "carbonio marrone" (BrC)9,10. Le tecniche comuni utilizzate per misurare la BrC in laboratorio o sul campo prevedono l'estrazione con solvente della frazione organica solubile del particolato seguita dalla misurazione dell'assorbanza complessiva mediante spettrofotometria ultravioletto (UV)-visibile-infrarosso11,12,13. L'assorbanza misurata del BrC solubile viene successivamente convertita in un indice di rifrazione immaginario k che in genere si estende su valori compresi tra 10−4 e 10−2 nell'intervallo di lunghezze d'onda λ di 380 e 500 nm6,14,15. Pertanto, la componente solubile BrC del fumo assorbe debolmente rispetto alla BC, che ha un k elevato ≈ 0,63 attraverso gli spettri UV-visibile-vicino infrarosso16. Inoltre, il BrC è altamente suscettibile allo sbiancamento o alla perdita della capacità di assorbire la luce entro poche ore o giorni dall'emissione17,18,19.

Recenti studi di laboratorio14,20,21,22,23 indicano la presenza di componenti BrC scuri (d-BrC) nel fumo di combustione della biomassa che assorbono fortemente attraverso le lunghezze d'onda visibili e del vicino infrarosso. Questa classe di BrC ha una bassa volatilità, è insolubile e presenta valori k elevati ≈ 0,2–0,4 nello spettro visibile6,15. Nelle ustioni di laboratorio è stato dimostrato che il componente d-BrC comprende il 5-15% della massa del fumo OA, con la frazione rimanente composta da BrC14 solubile e debolmente assorbente. Le prove osservative del d-BrC nei pennacchi di fumo degli incendi e il suo significato rispetto all’assorbimento atmosferico delle onde corte rimangono sfuggenti.

Abbiamo integrato osservazioni su scala di massa e di particelle per caratterizzare le proprietà ottiche e fisico-chimiche dei componenti dominanti che assorbono la luce nei pennacchi di fumo degli incendi degli Stati Uniti occidentali. Questo studio faceva parte della campagna Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality del 2019 sponsorizzata dalla NASA (National Aeronautics and Space Administration) e dalla National Oceanic and Atmospheric Administration24 per indagare sulla composizione dei pennacchi degli incendi boschivi occidentali. Una suite di strumenti per la caratterizzazione di aerosol e gas è stata utilizzata a bordo dell'Aerodyne Mobile Laboratory con sede a terra e dell'aereo Douglas DC-8 della NASA. Misurazioni sincronizzate, per quanto possibile, sono state condotte su ciascuna piattaforma per intercettare e studiare i pennacchi durante la stagione degli incendi del 2019 da vicino (meno di 3 km) all’area di gestione degli incendi fino alla troposfera (10-11 km di altitudine).