La firma ottica a infrarossi rivela la fonte

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13252 (2023) Citare questo articolo

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Il progresso della conoscenza della composizione mineralogica della polvere è fondamentale per comprenderne e prevederne gli impatti climatici e ambientali. La variabilità della mineralogia delle polveri da una fonte all'altra e la sua evoluzione durante il trasporto atmosferico non vengono misurate su larga scala. In questo studio utilizziamo misurazioni di laboratorio per dimostrare che la firma di estinzione degli aerosol di polvere sospesi nella finestra atmosferica 740 − 1250 cm−1 può essere utilizzata per derivare la mineralogia delle polveri in termini dei principali minerali attivi nell'infrarosso, vale a dire quarzo, argille, feldspati e calcite. Varie firme spettrali nell’estinzione della polvere consentono di distinguere tra più sorgenti globali con composizione variabile, mentre le modifiche degli spettri di estinzione della polvere nel tempo informano sui cambiamenti della mineralogia delle particelle dipendenti dalle dimensioni durante il trasporto. Il presente studio conferma che le osservazioni di telerilevamento a infrarossi spettrali e iperspettrali offrono un grande potenziale per chiarire la mineralogia dimensionale e segregata della polvere aerodispersa su scala regionale e globale.

La polvere minerale è tra le specie di aerosol più abbondanti e diffuse sulla Terra1,2,3. L'aerosol di polvere influenza il sistema climatico in molteplici modi, compresi gli effetti diretti sul bilancio radiativo atmosferico delle onde corte e delle onde lunghe4,5,6,7,8, l'effetto indiretto sulla formazione e le proprietà delle nubi liquide e di ghiaccio9,10,11,12, il contributo ai cicli biogeochimici agendo come fonte di nutrienti per gli ecosistemi13,14, partecipazione alle reazioni chimiche atmosferiche15,16 e contributo al degrado della qualità dell'aria e agli impatti sulla salute umana17,18. Come dimostrato da un ampio lavoro scientifico negli ultimi decenni, l'intensità e l'entità di questi diversi effetti dipendono dalla composizione mineralogica delle polveri, cioè dall'abbondanza, dalle proporzioni relative e dallo stato di miscelazione dei diversi minerali che compongono gli aerosol, che comprendono principalmente silicati nel forma di argille (caolinite, illite, smectite, clorite,..), quarzo e feldspati (orthose, albite,..), carbonati (calcite, dolomite), solfati (gesso) e ossidi di ferro e titanio19,20,21. Infatti, diversi minerali mostrano caratteristiche diverse in termini di proprietà di assorbimento e diffusione spettrale, capacità di agire come condensazione di nubi o particelle di nuclei di ghiaccio, reattività chimica o solubilità22,23,24,25,26,27,28. La conoscenza della composizione mineralogica delle polveri è fondamentale per valutare il loro ampio ruolo nel sistema climatico terrestre e nell'ambiente.

Le osservazioni mostrano che la mineralogia degli aerosol di polvere è lungi dall'essere omogenea nell'atmosfera3,19,20,29,30,31,32,33,34. In primo luogo, a causa della diversa mineralogia del suolo delle diverse aree di origine, la composizione della polvere varia con la regione di emissione, e questo sia su scala globale, regionale e locale19,35,36,37. Anche la composizione mineralogica della polvere cambia con la dimensione: quarzo, feldspati e specie ricche di calcio sono generalmente più abbondanti nella componente grossolana, mentre le argille e gli ossidi di ferro si basano principalmente sulla frazione fine inferiore a 2 µm20,38. In conseguenza della sua dipendenza dalle dimensioni, la mineralogia della polvere si modifica durante il trasporto a causa della progressiva perdita di particelle grossolane dovuta alla sedimentazione gravitazionale33,39,40. Nell’atmosfera può inoltre verificarsi una miscelazione di pennacchi di polvere con origini e storia diverse, influenzando ulteriormente la mineralogia della polvere sospesa.

Ad oggi, le informazioni disponibili sulla composizione mineralogica delle polveri, sulla loro dimensione − dipendenza e sui cambiamenti spaziali − temporali nell'atmosfera rimangono ancora scarse e per lo più limitate alle condizioni specifiche campionate durante campagne intensive sul campo. Manca ancora la capacità di ottenere una mappatura regionale e globale della mineralogia delle polveri disperse nell’aria, una limitazione cruciale per sviluppare e validare adeguatamente la rappresentazione delle polveri nei modelli del sistema terra, nonché per limitare le sue forzanti climatiche regionali e globali7,26,41.