Aerosol hygroscopicity and photodegradation in the polluted Indo-Gangetic Plain compared with the clean Himalayas examined using a quartz crystal microbalance

L'aria che respiriamo non è mai veramente vuota. È piena di minuscole particelle galleggianti di polvere, fuliggine e sale, note come aerosol. Questi frammenti microscopici svolgono un ruolo enorme nel clima del nostro pianeta. Possono raffreddare la Terra riflettendo la luce solare nello spazio, oppure riscaldarla assorbendo il calore. Forse ancora più importante, agiscono come i semi su cui si formano le nuvole. Senza queste particelle, il vapore acqueo nell'atmosfera farebbe fatica a condensarsi in gocce di pioggia o cristalli di ghiaccio. Tuttavia, il comportamento di queste particelle non è fisso; cambia a seconda di ciò di cui sono fatte e di quanta umidità c'è nell'aria circostante. Quando l'aria è umida, alcune particelle assorbono acqua e si gonfiano, mentre altre rimangono asciutte. Questa capacità di attrarre e trattenere l'acqua, chiamata igroscopicità, determina quanto diventano grandi le particelle, quanto tempo rimangono in cielo e quanto efficacemente possono trasformarsi in nuvole. Comprendere questi sottili cambiamenti è cruciale per prevedere gli schemi meteorologici e modellare il futuro cambiamento climatico, eppure le regole esatte che governano il modo in cui diversi tipi di inquinamento si comportano nell'aria umida rimangono un enigma.

Per risolvere parte di questo enigma, un team di ricercatori si è recato in due angoli della India vastamente diversi per confrontare l'aria che si trovava lì. Una località era Leh, un deserto d'alta quota nell'Himalaya, dove l'aria è rarefatta, fredda e straordinariamente pulita. L'altra era Delhi, una metropoli in espansione, densamente popolata nella pianura dell'Indo-Gange, nota per la sua fitta foschia e l'intenso inquinamento. Gli scienziati volevano vedere come le minuscole particelle di questi due mondi reagivano quando esposte all'umidità e alla luce solare. Hanno raccolto campioni di polvere fine, specificamente particelle più piccole di 2,5 micrometri, e li hanno portati in un laboratorio per testarli in condizioni controllate. Utilizzando uno strumento altamente sensibile chiamato microbilancia a cristallo di quarzo, capace di rilevare variazioni di massa anche di pochi nanogrammi, hanno osservato come le particelle crescessero all'aumentare dell'umidità e come si restringessero quando esposte alla luce ultravioletta.

I risultati hanno rivelato un netto contrasto tra i due ambienti. Le particelle provenienti dall'aria pulita dell'Himalaya si comportavano in modo molto prevedibile e cristallino. Man mano che l'umidità aumentava, rimanevano solide finché l'aria non raggiungeva un punto specifico, intorno al 68 percento di umidità. In quel preciso istante, assorbivano improvvisamente un'ondata d'acqua e si scioglievano in goccioline liquide, un processo noto come deliquescenza. Questa transizione netta è tipica delle particelle composte in gran parte da sali e composti organici altamente solubili. Infatti, queste particelle dell'Himalaya erano molto desiderose di catturare l'acqua, mostrando una forte tendenza a crescere man mano che l'aria diventava più umida. Contenevano anche componenti che venivano facilmente degradati dalla luce solare. Quando i ricercatori hanno irradiato le particelle con luce ultravioletta, una parte significativa della massa particellare è evaporata, suggerendo che la materia organica nell'aria pulita della montagna fosse chimicamente attiva e soggetta a svanire sotto il sole.

In netto contrasto, le particelle della città inquinata di Delhi rifiutavano di comportarsi nello stesso modo ordinato. Anche quando l'umidità saliva all'86 percento, il livello massimo che l'esperimento poteva raggiungere in sicurezza, queste particelle non mostravano mai quella transizione improvvisa e netta da solido a liquido. Invece, sembravano rimanere in uno stato amorfo e appiccicoso, assorbendo l'acqua in modo molto lento e graduale. Erano molto meno propense ad assorbire acqua rispetto alle loro controparti himalayane. I ricercatori hanno scoperto che le particelle di Delhi erano probabilmente rivestite da composti organici complessi e meno solubili, possibilmente derivanti dai gas di scarico dei veicoli e dalla combustione di combustibili solidi, che impedivano loro di sciogliersi pulitamente. Inoltre, queste particelle urbane erano molto più resistenti alla luce solare. Quando esposte alla stessa radiazione ultravioletta, perdevano molta meno massa rispetto alle particelle montane, indicando che la loro composizione chimica era più stabile e difficile da scomporre.

Questi risultati evidenziano che la fonte dell'inquinamento conta tanto quanto la quantità di inquinamento. L'aria dell'Himalaya, sebbene lontana dalle grandi città, trasporta particelle "invecchiate" che hanno viaggiato per lunghe distanze e si sono trasformate in un mix di sali solubili e organici reattivi. L'aria di Delhi, invece, è dominata da emissioni fresche generate localmente che creano un rivestimento appiccicoso e idrorepellente sulle particelle. Questa differenza nella composizione chimica cambia il modo in cui le particelle interagiscono con l'atmosfera. Le particelle pulite della montagna sono più propense a gonfiarsi con l'acqua e potenzialmente a seminare le nuvole, mentre le particelle sporche della città potrebbero rimanere più piccole e asciutte, alterando il loro impatto sulla luce solare e sulle precipitazioni. Lo studio sottolinea inoltre che la storia dell'aria, incluso il tempo in cui le particelle sono state esposte alla luce solare e all'umidità, modella le loro proprietà fisiche.

Misurando direttamente questi comportamenti, i ricercatori hanno fornito un quadro più chiaro di come funzionano gli aerosol in due regioni critiche del subcontinente indiano. I dati suggeriscono che i modelli utilizzati per prevedere il clima e il tempo debbano tenere conto di queste specifiche differenze chimiche. Trattare tutte le particelle come se reagissero allo stesso modo all'umidità o alla luce solare porterebbe a previsioni imprecise. Lo studio conferma che la frazione organica dell'aria, che provenga da fonti naturali nelle montagne o da attività umane nelle città, gioca un ruolo decisivo nel determinare se una particella crescerà, si restringerà o si scioglierà. Mentre il clima cambia e i modelli di inquinamento si spostano, comprendere queste interazioni microscopiche diventa sempre più vitale per comprendere il futuro della nostra atmosfera.