I ricercatori presso l’Istituto Paul Scherrer PSI hanno scoperto, attraverso un esperimento di laboratorio, in che modo il carbonio bruno che si genera a seguito degli incendi boschivi favorisca la formazione nell’atmosfera di ossidi di azoto nocivi per la salute e dannosi per il clima. In tal modo si potranno prevedere con maggiore precisione gli effetti degli incendi boschivi sulla qualità dell’aria e sul clima. I risultati sono stati adesso pubblicati sulla rivista specializzata Science Advances.

Nell’immaginario collettivo, gli incendi boschivi vengono considerati come un oceano di fiamme ardenti. Ma che cosa succede al fumo degli incendi? Chi osserva un incendio boschivo da una distanza di sicurezza nota soprattutto le enormi nuvole che sovrastano le fiamme. Queste nuvole di fumo salgono per diversi chilometri e poi intraprendono viaggi che possono estendersi attraverso continenti e oceani. Le sostanze inquinanti provenienti dagli incendi boschivi scoppiati in Canada, ad esempio, sono rilevabili persino allo Jungfraujoch, nelle Alpi svizzere.

Gli effetti che queste sostanze inquinanti, tra cui si contano polveri sottili, anidride carbonica e ossidi di azoto, esercitano sulla qualità dell’aria e sul clima sono molteplici e ben documentati: tra le altre cose, queste sostanze causano malattie respiratorie e, attraverso l’effetto serra, accelerano il cambiamento climatico. Ora, un gruppo di ricercatori sotto la direzione di Markus Ammann del Centro per le Scienze Energetiche e Ambientali dell’Istituto Paul Scherrer PSI ha analizzato con maggiore precisione la formazione di queste sostanze inquinanti e ha trovato una spiegazione del motivo per cui si rilevano concentrazioni elevate di ossidi di azoto anche a grande distanza dagli incendi boschivi.

Il percorso degli ossidi di azoto

Gli ossidi di azoto (NO_x), ovvero i composti costituiti da un atomo di azoto e da uno o due atomi di ossigeno, si formano durante i processi di combustione. Gli incendi boschivi e i fulmini sono fonti naturali degli ossidi di azoto. Tuttavia, a causa della combustione di combustibili fossili, gli attuali valori di ossidi di azoto nei grandi agglomerati urbani sono di gran lunga superiori rispetto a quelli presenti nell’era preindustriale.

Nella bassa atmosfera, gli ossidi di azoto sono responsabili della formazione dell’ozono, un gas serra irritante. Inoltre, gli ossidi di azoto si ossidano nell’atmosfera trasformandosi in acido nitrico (HNO₃). Questo si dissolve sotto forma di nitrato nelle particelle di aerosol più piccole, che fungono da nuclei di condensazione per le goccioline delle nuvole. La pioggia riporta il nitrato sulla Terra, dove va a depositarsi sul suolo.

A seguito di questa continua trasformazione degli ossidi di azoto in nitrati, ci si aspetterebbe di trovare nell’atmosfera una quantità di ossidi di azoto molto inferiore rispetto a quella effettivamente presente.

In realtà, nell’atmosfera esiste anche un percorso inverso già noto: con una reazione innescata dalla luce solare, i nitrati possono essere riconvertiti in ossido di azoto. Il processo si chiama fotolisi. "Questo processo è tuttavia troppo lento e non può quindi spiegare le quantità di ossido di azoto osservate", afferma Ammann.

Un’ipotesi formulata nell’ambito della chimica dell’aerosol sosteneva quindi che, oltre a questa nota fotolisi lenta, dovesse aver luogo un ulteriore processo fotolitico più rapido, e che in ciò potessero intervenire altre sostanze, rilasciate durante gli incendi boschivi.

Un incendio boschivo simulato in una stufa a legna

Gli incendi boschivi si differenziano dalle altre fonti di ossido di azoto in quanto producono anche grandi quantità di polveri sottili derivanti da composti organici, compresa una certa quantità di fuliggine. La causa della produzione di polveri sottili è da ricondurre alla combustione incompleta del legno e di altra biomassa. Queste polveri sottili organiche conferiscono al fumo il suo colore bianco-grigiastro. Una parte dei composti organici assorbe la luce nello spettro visibile. Questi composti vengono raggruppati sotto il termine "carbonio bruno".

Per studiare l’influsso esercitato dal carbonio bruno sulla fotolisi, i ricercatori del PSI hanno condotto un esperimento di laboratorio: in una stufa a legna i ricercatori hanno innanzitutto simulato un incendio boschivo, abbassando l’afflusso d’aria in modo da produrre più fumo e quindi più carbonio bruno. Con l’ausilio di filtri, il carbonio bruno è stato raccolto, poi è stato disciolto in acqua e infine trasferito in un tubo di vetro a temperatura stabilizzata.

I ricercatori hanno quindi esposto il nitrato alla luce di diverse lampade UV che simulavano la luce solare in diverse condizioni, una volta senza l’aggiunta del carbonio bruno raccolto e un’altra aggiungendolo. In entrambi i casi hanno misurato la concentrazione degli ossidi di azoto prodotti.

La luce che conteneva una componente ultravioletta particolarmente energetica, ovvero luce UV dura, ha sempre generato ossidi di azoto. La fotolisi del nitrato in presenza di luce UV dura è un fenomeno noto. Tuttavia, la quantità di ossidi di azoto era nettamente superiore nei campioni che contenevano anche carbonio bruno.

"Peraltro, quando abbiamo utilizzato lampade prive di radiazioni UV dure, siamo riusciti a rilevare ossidi di azoto solo in presenza di carbonio bruno", afferma Fengxia Bao, ricercatrice nel gruppo di Markus Ammann e prima autrice dello studio.

Poiché la fotolisi diretta con la luce UV molle residua non è possibile, i ricercatori hanno concluso che, in questo caso, la formazione dell’ossido di azoto avviene attraverso un percorso indiretto: le sostanze organiche presenti nel carbonio bruno assorbono la luce UV molle. In questo modo raggiungono uno stato eccitato e possono cedere un elettrone al nitrato. Il nitrato viene così convertito in ossido di azoto. In questo modo, la produzione di ossido di azoto viene accelerata di dieci volte rispetto al processo già noto che utilizza la luce UV dura.

Un effetto significativo

"Si tratta di un risultato inequivocabile e significativo", afferma Ammann. "Nell’esperimento siamo riusciti a dimostrare ciò che finora era stato solo vagamente ipotizzato. Il nostro studio consentirà di formulare previsioni migliori riguardo agli effetti degli incendi boschivi sulla qualità dell’aria e sul clima".

Saranno necessarie ulteriori ricerche per chiarire altri percorsi di formazione degli ossidi di azoto, prosegue Ammann: "Il nostro risultato può spiegare gran parte degli ossidi di azoto presenti nell’atmosfera, ma non chiarisce ancora tutto".

In futuro Ammann vorrebbe rendere la sua ricerca, finanziata nel quadro del progetto ReCLEAN del Consiglio dei politecnici federali, ancora più realistica. Ad esempio, nella camera di simulazione del PSI si potrebbe utilizzare l’intero materiale bruciato e non solo i componenti filtrati e disciolti in acqua.