RICERCA ITALIANA     

Metodologie fisiche innovative per la determinazione delle componenti carboniose nell'aerosol atmosferico

Università degli Studi di Milano

Abstract

Questo progetto di ricerca si propone di sviluppare e ottimizzare metodologie sperimentali innovative per la caratterizzazione dettagliata della componente carboniosa dell'aerosol atmosferico. La finalità della ricerca è di grande interesse:
- scientifico, in quanto il carbonio, oltre ad essere una delle componenti maggioritarie dell'aerosol atmosferico, è responsabile di effetti sul bilancio radiativo del pianeta, di effetti negativi sulla salute umana ed è causa di degrado del patrimonio artistico;
- metodologico, in quanto la frazione carboniosa è uno dei costituenti dell'aerosol atmosferico più difficili da misurare e, ad oggi, non esistono metodi universalmente riconosciuti come di riferimento.
La finalità del progetto è quella di sviluppare un pacchetto integrato di tecniche di misura e di analisi dati in grado di quantificare le componenti elementari, organiche ed isotopiche del carbonio nell'aerosol atmosferico in campioni raccolti sia su base giornaliera che oraria, in siti di varia tipologia e di individuarne l'origine e il processo di formazione.
Uno dei temi affrontati nel progetto è la misura del C-14 nelle componenti costituite dal carbonio elementare e dal carbonio organico per una corretta quantificazione delle sorgenti fossili, biogeniche o di combustione di biomasse. Per raggiungere questo obiettivo sarà necessario sviluppare una metodologia di preparazione del campione innovativa; questa trarrà spunto >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Roberta Vecchi Università degli Studi di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto di ricerca qui proposto si pone i seguenti obiettivi:
1)progettare e realizzare ex-novo una linea di preparazione dei campioni di carbonio elementare ed organico da sottoporre ad analisi con AMS (Accelerator Mass Spectrometry) per la quantificazione del C-14;
2)ottimizzare la procedura di grafitizzazione per preparare campioni da sottoporre ad analisi AMS anche a partire da piccole quantità di campione (da campioni di carbonio dell'ordine del milligrammo generalmente preparati per scopi di datazione si deve scendere a quantitità dell'ordine dei 10-100 microgrammi per analisi su campioni di aerosol);
3)test su acceleratore per quantificazione delle minime quantità di grafite analizzabili con il sistema AMS del LABEC-INFN;
4)progettare e realizzare una nuova camera di irraggiamento multicampione in vuoto per l'analisi del Carbonio totale mediante tecnica PESA/RBS (Particle Elastic Scattering Analysis/Rutherford Backscattering Spectrometry) su campioni giornalieri di aerosol. La camera in vuoto permetterà l’alloggiamento di rivelatori PIXE/PIGE/PESA per l’analisi elementare completa, in automatico (senza rottura del vuoto), di una serie campioni di aerosol;
5)sviluppare, ottimizzare e validare tecniche ottiche per la determinazione del "black carbon" in campioni di aerosol raccolto su supporti adatti a campionatori sequenziali, continui ed a impattori multistadio.

Risultati parziali attesi

Uno dei principali risultati che il progetto mira a raggiungere è la completa caratterizzazione della componente inorganica, organica ed isotopica del carbonio nell'aerosol atmosferico. Di conseguenza, tra i risultati attesi si annoverano anche la serie di implementazioni delle metodologie sperimentali necessarie per tale caratterizzazione: la realizzazione della linea di preparazione dei campioni per analisi di C-14 non standard e totalmente innovativa (si rammenti al proposito che un solo gruppo al mondo ad oggi effettua analisi di C-14 sulle frazioni EC ed OC), la costruzione di una nuova camera di irraggiamento per analisi PESA/RBS e, infine, l'ottimizzazione e la validazione delle varie metodiche utilizzate per l'analisi del carbonio.
La rilevanza dello studio dettagliato della componente carboniosa è già stata descritta nella sezione "stato dell'arte"; tuttavia, preme qui sottolineare il ruolo centrale giocato dagli aerosol carboniosi sia nella valutazione del forcing radiativo e nei modelli climatici globali sia nell'identificazione e quantificazione di sorgenti antropiche e naturali.
Lo studio dell'aerosol carbonioso frazionato nelle sue componenti inorganiche, organiche e isotopiche contribuirebbe inoltre all'avanzamento delle conoscenze relative alla componente secondaria degli aerosol (SOA, secondary organic aerosol) e al ruolo delle sorgenti biogeniche, la cui stima è ancora oggetto di discussione >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Gli aerosol carboniosi giocano un ruolo molto importante in problematiche ambientali quali la qualità dell'aria, la salute umana e i cambiamenti climatici globali (Anderson et al., 2003; Ramanathan et al., 2001; Penner and Novakov, 1996). Essi includono un vasto numero e un'ampia varietà di sostanze organiche, rendendo conto di una significativa frazione (fino al 50%) della componente fine dell'aerosol atmosferico in aree urbane, rurali o remote (Turpin et al., 2000).
A causa del suo comportamento termico e chimico, il carbonio totale (TC) può essere suddiviso in carbonio organico (OC) ed carbonio elementare (EC, detto anche "black carbon, BC"). L'aerosol organico può essere primario (POA, primary organic aerosol, immesso direttamente in atmosfera dalle sorgenti) e/o secondario (SOA, secondary organic aerosol, originato da processi di conversione gas-particella); la quantificazione del contributo dovuto a POA o SOA è ancora molto difficile da effettuare. Il carbonio elementare è emesso come particella primaria ed è formato da sostanze grafitiche altamente polimerizzate (Cachier, 1998; Chow et al., 2001).
Relativamente alle proprietà ottiche degli aerosol carboniosi, è importante notare che il carbonio elementare è, tra le componenti dell'aerosol, uno dei più efficienti assorbitori della radiazione solare mentre il carbonio organico è un buon diffusore della luce.
Per quanto attiene agli effetti climatici, il "black >>>