Cafca - Composizione dell'atmosfera, forzanti climatiche e qualità dell'aria

La macroarea CAFCA (composizione dell’atmosfera, forzanti climatiche e qualità dell’aria) si occupa dello studio della composizione atmosferica, con particolare attenzione ai composti gassosi e agli aerosol, i quali esercitano un effetto di forzante climatica e/o sono rilevanti per la qualità dell’aria e la salute. L’impiego di strumenti avanzati sperimentali e modellistici consente di studiare le fonti, la dispersione e le trasformazioni degli aerosol e dei gas (incluso il vapore acqueo) nell’atmosfera, dallo strato limite planetario (PBL) all’alta atmosfera, coprendo scale che vanno dal locale al globale.

Argomenti di ricerca

Interazioni aerosol-nuvole-radiazione.
Osservazioni e modellizzazione dei cambiamenti della composizione atmosferica.
Caratterizzazione degli andamenti delle sorgenti naturali e antropiche di inquinanti.
Studi su composti atmosferici considerati inquinanti emergenti.
Composizione atmosferica nelle aree hotspot.
Atmosfere planetarie.
Studi scientifici di supporto, sviluppo di algoritmi e utilizzo dei dati per missioni satellitari passate, presenti e future.
Cal/Val: aspetti scientifici dello sviluppo di metodologie; fonte di sostenibilità per alcune realtà di osservazione.

Attività

Interazioni aerosol-nuvole-radiazione

L’incertezza sugli impatti climatici delle emissioni naturali e antropiche deriva dalla complessità dell’interazione degli aerosols sulla radiazione e sulle precipitazioni attraverso la formazione delle nubi. L’ISAC contribuisce agli sforzi della ricerca internazionali per ridurre questa incertezza studiando l’attivazione microfisica delle goccioline delle nubi e i diversi regimi nuvolosi, dalla nebbia ai cicloni. La ricerca si concentra sulle sorgenti di aerosol naturali e antropiche che fungono da nuclei di condensazione delle nubi (CCN) e da nuclei di ghiacciamento (IN). Vengono inoltre esplorate le interazioni tra la diffusione, l’assorbimento e la radiazione degli aerosol, sottolineando il ruolo del black/brown carbon e delle polveri minerali nell’inquinamento, nella combustione della biomassa e negli eventi di polveri desertiche in regioni come il Mediterraneo, l’Artico e l’Asia centrale.

Osservazioni e modellizzazione dei cambiamenti della composizione atmosferica

Comprendere come le sorgenti naturali e antropiche determinino la variabilità spaziale e temporale della composizione atmosferica è fondamentale per valutare i benefici e i compromessi tra le azioni di miglioramento della qualità dell’aria e gli approcci per limitare le emissioni di gas serra e le forzanti climatiche di breve durata. La ricerca dell’ISAC su questo vasto argomento si basa sull’integrazione delle tecniche di osservazione e di modellizzazione.

Una rete di osservatori atmosferici dell’ISAC si occupa del monitoraggio continuo a lungo termine dei gas reattivi e dei gas serra, delle proprietà chimiche e fisiche degli aerosol atmosferici, degli inquinanti emergenti e delle forzanti climatiche di breve durata. L’istituto ha esperienza nell’utilizzo di approcci avanzati di “source apportionment” combinando modelli numerici di trasporto con modelli recettoriali per studiare il contributo delle specifiche sorgenti (naturali e antropiche) alla composizione dell’atmosfera e alla tossicità del particolato atmosferico nelle aree rurali e densamente popolate.

L’ISAC sviluppa e applica vari modelli, inclusi approcci euleriani e lagrangiani, per studiare la composizione atmosferica su scala locale e globale. La catena meteorologica GLOBO-BOLAM-MOLOCH fornisce dati per modelli atmosferici, come CHIMERE, e per modelli di dispersione, come SPRAY e FLEXPART. L’ISAC sta inoltre sviluppando il modello di sistema terrestre regionale COAWST-Chem, che integra WRF-Chem, Gocart e ROMS/SWAN per esaminare le interazioni tra composizione atmosferica, aerosol e dinamiche marine. Questo modello ad alta risoluzione mira a esplorare i processi climatici in regioni come il Mediterraneo e l’Artico, concentrandosi su gas in traccia, sull’aerosol e sul loro impatto sul clima regionale e sui processi atmosferici.

Composizione atmosferica nelle aree hotspot

La ricerca attuale sull’inquinamento atmosferico e sul clima si concentra su specifiche regioni considerate più vulnerabili al cambiamento globale, chiamate “hotspot”. Queste aree comprendono hotspot inquinati con elevati livelli di composti tossici (PM, NOx, ozono) e di agenti che contribuiscono al riscaldamento climatico (ozono e black carbon), nonché regioni di fondo in cui i riscontri positivi tra il riscaldamento atmosferico e l’ecosistema portano a un’amplificazione del cambiamento climatico. Per questi motivi, le regioni polari e montane, così come le megalopoli e i grandi complessi urbani, sono tra le aree di ricerca prioritarie. In questo contesto, la ricerca dell’ISAC è dedicata alla caratterizzazione della composizione chimico-fisica dell’atmosfera terrestre su diverse scale temporali e allo studio dei processi dinamici e radiativi sulla base di attività di osservazione condotte in specifiche aree hotspot, quali i siti di alta quota, gli ambienti polari, il bacino del Mediterraneo e le aree urbane.

Atmosfere planetarie

Una delle domande scientifiche più importanti riguarda la formazione della Terra e del sistema solare, per la quale è necessario studiare non solo la Terra, ma anche altri pianeti. L’ISAC ha contribuito a questa ricerca studiando le atmosfere di Titano (una luna di Saturno) e di Giove. L’atmosfera di Titano assomiglia a quella che si pensa sia l’atmosfera primordiale della Terra, mentre la comprensione della composizione di Giove può fornire informazioni sulla formazione del sistema solare. L’ISAC è coinvolto nell’analisi dei dati dello strumento VIMS sulla missione Cassini e dello strumento JIRAM sulla sonda spaziale Juno della NASA. L’istituto sviluppa anche strumenti per analizzare i set di dati su Marte, come quelli di ExoMars TGO. Tra le scoperte più importanti dell’ISAC vi sono l’identificazione di idrocarburi policiclici aromatici (IPA) nella mesosfera di Titano, l’osservazione di cicloni ai poli di Giove, e l’acquisizione di immagini dettagliate delle aurore di Giove. Juno continuerà a fornire dati preziosi su Giove negli anni a venire.

Osservazioni satellitari

Negli ultimi 30 anni sono stati sviluppati numerosi satelliti per osservare e monitorare la composizione atmosferica della Terra, fornendo dati globali dallo strato limite alla stratosfera. Questi strumenti satellitari sono complementari alle osservazioni fatte sulla superficie terrestre e consentono anche lo studio di altri pianeti del sistema solare. L’ISAC, un attore chiave nella ricerca satellitare, partecipa alla missione FORUM, che misurerà la parte del lontano infrarosso dello spettro elettromagnetico, in particolare la radiazione ad onda lunga in uscita. L’ISAC contribuisce anche alla missione Changing-Atmosphere InfraRed Tomography Explorer (CAIRT), che mira a far progredire la comprensione del cambiamento climatico, della chimica atmosferica e delle dinamiche. L’ISAC sta lavorando a dispositivi per integrare i dati degli strumenti CAIRT e IASI-NG, in particolare per analizzare le nubi di cenere e di ghiaccio.

L’ISAC è fortemente coinvolta nell’analisi e nello sfruttamento dei dati atmosferici provenienti da varie piattaforme satellitari, sviluppando algoritmi avanzati per il recupero di dati sulla composizione atmosferica da strumenti quali MIPAS, AATSR e SLSTR. Questi algoritmi fungono da prototipi per i software utilizzati dalle agenzie spaziali quali ESA e EUMETSAT per l’elaborazione dei dati satellitari. Inoltre, l’ISAC sostiene studi planetari, come l’utilizzo dei dati delle missioni Cassini e Juno per studiare l’atmosfera di Titano e Giove. Gli algoritmi tracciano anche l’evoluzione della composizione atmosferica della Terra, offrendo informazioni sulle tendenze relative alle attività umane. Attraverso il progetto ESA CCI+, l’ISAC sta coordinando la valutazione dei dati sui gas serra di lunga durata per stimarne l’efficacia ai fini della ricerca sul clima.

Osservazioni dal suolo

Un monitoraggio continuo dei principali costituenti atmosferici, integrato da intensivi periodi di osservazione volti a colmare specifiche lacune di conoscenze, è necessario per comprendere come la composizione atmosferica cambia nel tempo e nello spazio e quali sono le principali fonti e i processi che determinano questi cambiamenti, sia indotti dalle attività umane o legati a fenomeni naturali, che causa o conseguenza del cambiamento climatico. A tal fine, l’ISAC gestisce un insieme unico di strutture di osservazione in Italia e contribuisce al monitoraggio atmosferico presso stazioni di ricerca nazionali e internazionali in tutto il mondo. L’ISAC è responsabile di sette osservatori atmosferici distribuiti in tutto il paese, in luoghi strategici per il monitoraggio della composizione atmosferica nell’area mediterranea. Queste strutture comprendono: una stazione GAW-WMO globale (Mt. Cimone) e tre regionali (Lecce, Lamezia Terme, Capo Granitola), più tre osservatori atmosferici in località rurali, suburbane e urbane (San Pietro Capofiume, Roma-Tor Vergata, Bologna). L’ISAC gestisce e coordina anche la prima rete nazionale di ceilometri (Alicenet), contribuisce al programma E-Profile EUMETNET e alla rete europea internazionale di fotometri Skynet (EuroSkyrad). L’ISAC partecipa alle Infrastrutture Europee di Ricerca per gli studi ambientali, in particolare al “Integrated Carbon Observation System” (ICOS) e al “Aerosols, Clouds and Trace Gases” (ACTRIS). Inoltre, l’ISAC effettua osservazioni nell’Artico e in Antartide, e per quasi un decennio ha effettuato osservazioni continue al Mt. Everest (5079 m s.l.m.), all’interno della stazione GAW Nepal Climate Observatory – Pyramid (NCO-P).

L’ISAC gestisce anche strutture mobili da impiegare durante specifiche campagne sul campo. Queste includono i furgoni dotati di strumentati, i palloni aerostatici e i carichi utili compatti da utilizzare a bordo di navi e/o aerei. La dotazione strumentale di tali strutture comprende tecniche di rilevamento in situ e a distanza per l’analisi della struttura termodinamica atmosferica, delle proprietà fisiche e chimiche degli aerosol, dei gas serra atmosferici, dei gas reattivi in traccia nonché dell’acqua in fase gassosa, liquida e solida. L’ISAC partecipa anche a diverse attività di calibrazione/validazione di dati satellitari.

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Progetti di ricerca

TOX-IN-AIR “evaluation of the role of natural and anthropogenic sources on acellular and in vitro TOXicity INdicators of AtmospherIc aerosol” – PRIN2022-PNRR
ICOS “Integrated Carbon Observation System”
ACTRIS “Aerosols, Clouds and Trace Gases”
FORCeS “Constrained aerosol forcing for improved climate projections” – H2020 LC-CLA-08-2018.
MAPP “Metrology for Aerosol optical Properties” – EMPIR-EURAMET- H2020.
“The cryosphere in a changing Arctic: understanding feedbacks to climate change”, ENI-CNR joint research agreement 2019-2024.
OT4CLIMA “Sviluppo di tecnologie innovative di Osservazione della Terra per lo studio del Cambiamento Climatico e dei suoi impatti su ambiente e territorio” – PON Cluster 2014-2020.
RHAPS “Redox-activity and Health-effects of Atmospheric Primary and Secondary aerosol” – PRIN 2017.
DustClim “Dust Storms Assessment for the development of user-oriented Climate Services in Northern Africa, Middle East and Europe” – EC-ERA4CS-H2020 (https://sds-was.aemet.es/projects-research/dustclim)
InDust “International Network to Encourage the Use of Monitoring and Forecasting Dust Products” – EC-COST
ATMO-ACCESS “Access to Atmospheric Research Facilities”
ASI-PRIMARY “PRocessing Images and data for Monitoring AiR qualitY”
BAQUNIN “Boundary-layer air quality analysis using network of instruments super site”
ASI-FIT-FORUM, ASI-CASIA, PerRec (CAIRT Phase A Mission Performance and Requirement Consolidation)