Andare avanti tra le nuvole

Mentre il crepuscolo cala su Cambridge in una sera di pieno inverno, Dan Cziczo si ferma un momento per ammirare una vista spettacolare. È il tramonto e appena sopra l'orizzonte, strisce rosse e arancioni sfumano in strisce più profonde di viola e blu mentre nuvole di ogni tipo si estendono nel cielo che si oscura. Sbuffi di cumuli di batuffoli di cotone si fondono con uno strato ricoperto di strati e sottili fili di cirri simili a piume si trascinano sopra la testa. Per chiunque si prenda una pausa dal lavoro per guardare a ovest lungo il fiume Charles, la vista è sbalorditiva.

Per Cziczo, uno scienziato dell'atmosfera di 42 anni al MIT, la vista, in un certo senso, è il suo lavoro. Cziczo studia la formazione delle nuvole e vede le nuvole, in particolare i cirri, come una chiave per rispondere a una domanda cruciale: esattamente quanto si riscalderà la Terra nel prossimo futuro?

La migliore risposta che gli scienziati hanno fornito finora è ancora incerta: da 1 a 5 °C, a seconda della quantità di gas serra che gli esseri umani aggiungono all'atmosfera. In alcune parti del mondo tali aumenti potrebbero significare innalzamento dei mari, tempeste più forti e incendi e inondazioni dannosi. Con ogni grado di riscaldamento, gli scienziati prevedono una riduzione fino al 15% dei raccolti, una diminuzione del 15% nell'area coperta dal ghiaccio marino artico, un aumento del 10% delle precipitazioni durante le tempeste più violente e un aumento del 400% nelle aree bruciate da incendi boschivi nel occidentali degli Stati Uniti. Ciò significa che la differenza tra uno e cinque gradi di riscaldamento è piuttosto significativa.

Nel 2007, in un rapporto pubblicato dall'Intergovernmental Panel on Climate Change, vincitore del premio Nobel, scienziati di tutto il mondo hanno concluso che gran parte dell'incertezza nelle proiezioni climatiche ha a che fare con le nuvole. Gli scienziati hanno notato che mentre le nuvole possono impedire alla radiazione solare di entrare nell'atmosfera, le condizioni in cui si formano e la misura in cui effettivamente raffreddano il pianeta riflettendo quella radiazione sono molto poco conosciute. A complicare ulteriormente le cose, una Terra più calda trattiene più umidità, il che potrebbe aumentare il volume totale delle nuvole.

Per ridurre l'incertezza nelle proiezioni climatiche, Cziczo e il suo gruppo di ricerca al MIT stanno studiando argomenti come gli aerosol o le particelle sospese nell'aria, che agiscono come semi che aiutano la formazione delle nuvole. Poiché le particelle come la polvere galleggiano nell'atmosfera, forniscono una superficie su cui il vapore acqueo può condensare o congelare, formando una nebbia sottile che da lontano può apparire gonfia, stratificata o esile, a seconda della temperatura e dell'umidità relativa di una regione.

Particelle e nuvole diverse agiscono in modo diverso e comprendere questo equilibrio è davvero il modo in cui aumenteremo la certezza [delle proiezioni climatiche], afferma Cziczo. Fissarlo per dire: 'Stiamo ottenendo un grado o tre gradi di riscaldamento?' Questo è il tipo di cosa che stiamo cercando di capire.

Vedere attraverso i cirri
Stasera, Cziczo sta catturando lo spettacolo delle nuvole da un trespolo invidiabile: il tetto del Cecil di 21 piani del MIT e l'Ida Green Building, l'edificio più alto di Cambridge.

Il tetto è stato a lungo un luogo ideale per lo studio atmosferico, ospitando strumenti che misurano la velocità del vento, l'umidità relativa e la temperatura. A volte, Cziczo, professore associato presso il Dipartimento di Scienze della Terra, dell'Atmosfera e del Pianeta, porterà i suoi studenti quassù per eseguire letture strumentali, utilizzando i dati per capire se e dove si formeranno le nuvole.

Questa volta, tuttavia, è qui solo per la vista.

Se guardi attraverso il tramonto, puoi vedere le nuvole più alte, il tipo di ciuffi, dice Cziczo mentre indica i cirri in lontananza. Fanno questi filamenti freschi... il loro nome greco ha a che fare con crine di cavallo o code di cavalla, e sono quelli che abbiamo studiato ultimamente, per la loro importanza nel clima.

I cirri si formano da 4 a 12 chilometri sopra la superficie terrestre nella parte superiore della troposfera, lo strato più basso dell'atmosfera. A tali altitudini, il vapore acqueo può congelare attorno alle particelle, formando cristalli di ghiaccio. Le nuvole di ghiaccio risultanti, come sono anche conosciute le nuvole di cirri, sono solitamente il primo strato di nuvole che la luce solare incontra mentre si fa strada verso la superficie. I cristalli di ghiaccio agiscono come minuscoli riflettori che diffondono la luce solare. Si pensa che le nuvole in generale possano riflettere abbastanza luce solare nello spazio per compensare tra la metà e i tre quarti del riscaldamento causato dai gas serra come l'anidride carbonica. L'impatto netto dei cirri, tuttavia, non è chiaro: mentre proteggono il pianeta dalla luce solare in arrivo, intrappolano anche le radiazioni che cercano di fuggire dalla sua superficie.

Per sapere esattamente quale ruolo giocano i cirri, dice Cziczo, è importante capire come si formano, in particolare, quali particelle, o aerosol, li seminano naturalmente.

Mentre il sole tramonta, si dirige verso il suo laboratorio al 13° piano, dove due tubi di vetro, parzialmente racchiusi in un involucro di metallo, stanno producendo nuvole. La configurazione, che ha contribuito a costruire, si chiama camera a nebbia. Regolando la temperatura e l'umidità relativa nella camera, i ricercatori possono creare condizioni perfette per la formazione di goccioline di nuvole o cristalli di ghiaccio. L'unico ingrediente mancante è un seme ideale su cui si possono formare delle nuvole.

Setacciare i semi
Cziczo ha testato vari aerosol per vedere quali formeranno più facilmente le nuvole nella camera. Alimentando questi diversi aerosol nella camera mentre imita le condizioni meteorologiche in alcune parti del mondo, spera di determinare quali particelle stanno causando la formazione di nubi in quelle regioni. Per dimostrare, tira fuori un vasetto di polvere grigia, polvere minerale raccolta nel Wisconsin.

Facciamo una tempesta di polvere, dice, e agita il barattolo aperto davanti a due bocchette, che prendono aria in ogni tubo di vetro. I tubi sono troppo piccoli per generare nuvole visibili, quindi Cziczo utilizza un sistema di laser per misurare se il vapore acqueo si è unito in goccioline abbastanza grandi da essere considerate particelle di nuvola.

Successivamente, Cziczo asciuga le gocce di nuvola inviandole attraverso un piccolo scomparto pieno di essiccanti simili a quelli che si trovano nei pacchetti trovati nelle scatole da scarpe. Lui e i suoi colleghi possono quindi analizzarli per determinare l'esatta composizione del seme della nuvola.

La camera a nebbia è abbastanza piccola da essere imballata e portata in qualsiasi parte del mondo per campionare direttamente l'atmosfera di una regione, il che secondo Cziczo è un grande vantaggio. Gli scienziati potrebbero scoprire che mentre un certo aerosol è eccellente per seminare nuvole in laboratorio, quell'aerosol non si trova all'altitudine in cui potrebbe formare nuvole in natura. Si presume generalmente che il materiale biologico sia una sostanza fantastica per la formazione di nuvole di ghiaccio, dice, osservando che alcuni tipi di polline generano nuvole notevolmente bene nella sua camera. Ma quando vai sul campo, ti rendi conto che non è presente in gran numero nell'alta troposfera, quindi non può avere un grande effetto sulle nuvole. Se hai appena provato a terra, potresti ingannare te stesso pensando che sia importante. Quindi ha deciso di includere sia gli studi sul campo che il lavoro di laboratorio nella ricerca del suo gruppo.

Seduto tra nuvole di ghiaccio
Negli ultimi 15 anni, Cziczo ha visitato le cime delle montagne alla ricerca dei tipi di aerosol che potrebbero essere trovati in tutta la troposfera superiore. Come postdoc presso l'Università del Colorado e la National Oceanic and Atmospheric Administration, ha fatto viaggi allo Storm Peak Laboratory, nel Colorado centro-settentrionale, dove ha campionato le nuvole d'alta quota con una prima versione della camera a nebbia. Quell'esperienza lo ha preparato per una posizione di ricerca e insegnamento presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo, e poi per un letterale culmine della sua carriera: un periodo di campionamento delle nuvole presso l'Osservatorio Sfinge, una stazione di ricerca remota costruita lungo la spina dorsale del Alpi Bernesi. Chiamato per la sua architettura simile a una sfinge, è uno dei più alti osservatori terrestri del mondo a più di 11.000 piedi sul livello del mare. A questa altitudine, le nubi a fase mista, che sono simili ai cirri, possono coprire i picchi.

Il sito, che è stato chiamato il Top of Europe, è un'attrazione turistica di giorno, quando le persone viaggiano in treno, alimentato elettricamente per non contaminare le misurazioni degli scienziati con i gas di scarico. Di notte, tuttavia, i turisti decollano e i ricercatori si accampano.

La prima notte non dorme nessuno, ricorda Cziczo. Ti viene un mal di testa martellante e puoi sentire il tuo cuore battere. Ci vogliono un paio di giorni per acclimatarsi, ma dopo è incredibile... a volte, sei davvero seduto tra le nuvole di ghiaccio.

Dopo il suo periodo in Svizzera, Cziczo ha continuato il suo lavoro negli Stati Uniti presso il Pacific Northwest National Laboratory. Nel 2011, si è trasferito a est per unirsi alla facoltà del MIT.

Nel marzo 2011, lui ei suoi studenti hanno portato la camera a nebbia al Johnson Space Flight Center di Houston, dove l'hanno montata sul muso di un vecchio bombardiere B-57. L'aereo, che è stato pilotato negli anni '50 durante le missioni di ricognizione, da allora è stato riproposto come aereo da ricerca ed è ora utilizzato per progetti come una campagna sul campo della NASA chiamata Mid-latitude Airborne Cirrus Properties Experiment (MACPEX). L'aereo vola fino a 63.000 piedi, il che lo rende perfetto per campionare i cirri, anche se può essere difficile prevedere quando potrebbero apparire.

In un periodo di sei settimane, il team ha raccolto campioni di nubi sul Golfo del Messico e nel deserto sudoccidentale. L'analisi della loro composizione ha mostrato che la polvere minerale, come la sabbia sollevata da una tempesta nel deserto, rappresentava circa il 60 percento degli aerosol in quelle nuvole. I ricercatori hanno anche scoperto che tra l'8 e il 25% delle particelle di polvere che formano le nuvole conteneva piombo. Quello che non hanno trovato è stato forse più sorprendente: materiale biologico come polline e spore o carbonio emesso dalle ciminiere. Mentre i ricercatori hanno visto carbonio e polline formare facilmente nuvole in laboratorio, questo tipo di aerosol rappresentava meno dell'1% delle particelle di cirri nelle scoperte di Cziczo.

I ricercatori sperano che tali esperimenti aiuteranno a definire esattamente quali aerosol formano i cirri e, cosa più importante, se tali aerosol vengono rilasciati dall'attività umana. Ad esempio, Cziczo afferma che mentre la polvere minerale è una sostanza naturale, costituita in gran parte da terra e sabbia espulse dalla superficie terrestre, gli esseri umani ne hanno notevolmente modificato la quantità nell'atmosfera.

Quando cambi uso della terra, quando ti sbarazzi delle foreste per creare terreni coltivati, o lavori sotto i raccolti … stai perturbando la polvere minerale, dice. Quindi è una particella naturale, ma ce n'è di più a causa delle attività umane. E sembra che sia una di queste cose che sta formando nuvole di ghiaccio. La nuvola di polvere contenente piombo che il team ha trovato probabilmente proveniva anche dall'attività umana: fonti come tubi di scappamento degli aerei, centrali elettriche a carbone e benzina con piombo che non è stata gradualmente eliminata in tutto il mondo fino alla metà degli anni '90. Sebbene non stia certamente sostenendo un ulteriore inquinamento, Cziczo riconosce che il riscaldamento globale sarebbe molto peggio se non fosse per l'aggiunta umana di particelle nell'atmosfera.

In passato, i gruppi di valutazione del clima non si sono davvero occupati del fatto che l'attività antropica potesse influenzare le nuvole di ghiaccio, anche se sono note per essere importanti nel clima, afferma Jon Abbatt, professore di chimica atmosferica presso l'Università di Toronto. Questo è ciò che rende speciale il lavoro di Dan. Ha le capacità per valutare se ci sono firme antropiche nelle nuvole di ghiaccio. Questo è il punto di partenza per cercare di fare una valutazione della formazione di ghiaccio in relazione al cambiamento climatico.

Misurare insieme
Cziczo e una crescente comunità di scienziati atmosferici sperano che l'identificazione delle basi della formazione delle nuvole elimini qualsiasi incertezza residua sul riscaldamento globale. Oltre al loro lavoro sperimentale, stanno sviluppando modelli climatici che incorporano la formazione delle nuvole. I dati che raccolgono contribuiranno a rendere tali modelli molto più precisi, anche se ci sono sfide significative da superare: la maggior parte dei modelli simula il clima dividendo il globo in una griglia, calcolando la media dei dati meteorologici su quadrati che sono, alla massima risoluzione, 100 chilometri quadrati. Incorporare i dati del cloud a livello di aerosol fini richiederebbe un'enorme potenza di calcolo.

Chien Wang, ricercatore senior presso il Center for Global Change Science del MIT, sta lavorando con Cziczo per trovare modi per adattare questi dati a particolato fine a modelli climatici su larga scala. Il lavoro di laboratorio e sul campo di Dan può ovviamente aiutarci a migliorare il nostro modello per simulare meglio il collegamento tra aerosol e nuvole di ghiaccio e i loro effetti sul clima, afferma Wang. Sono molto contento che possiamo averlo in casa.

Il lavoro di Cziczo può anche aiutare a superare un altro grande ostacolo nel campo. I ricercatori di gruppi disparati tendono a costruire le proprie camere a nebbia e le misurazioni di una potrebbero non essere paragonabili a quelle di un'altra. Lo strumento che Cziczo ha aiutato a progettare è stato recentemente autorizzato da un'azienda in Colorado, che lo sta producendo come la prima camera a nuvola di ghiaccio commerciale. Il numero di modello 001 ha un posto d'onore sul suo banco di laboratorio del MIT e altri ricercatori hanno ordinato più unità.

Tornato nel suo ufficio del MIT, Cziczo guarda fuori dalla finestra, un'ampia vista che abbraccia lo skyline di Boston e alcune nuvole vaganti sopra. Di tanto in tanto scatta foto di formazioni nuvolose, o interessanti scie di condensazione di aerei in transito, e chiede ai suoi studenti di identificare il tipo di nube e dove potrebbe essersi formata. È un esercizio nato dalla semplice meraviglia tanto quanto dalla curiosità scientifica.

Da bambino sono sempre stato affascinato dalle nuvole, dal volo e cose del genere, ricorda. Penso di ricavarne più gioia ora, perché ne capisco alcune, e cerco ancora di guardare fuori e capire le cose.

Oltre a studiare le nuvole nell'atmosfera terrestre, Dan Cziczo sta studiando quelle che potrebbero formarsi su Marte. Sebbene l'atmosfera marziana sia troppo sottile per supportare la vita, le recenti immagini del Mars Reconnaissance Orbiter della NASA hanno mostrato neve di anidride carbonica, precipitata dalle nuvole.

Per scoprire cosa potrebbe formare quelle nuvole, che a Cziczo sembravano polvere di diamante, lui e i suoi studenti stanno coltivando nuvole in condizioni simili a quelle di Marte in laboratorio. Di recente hanno fatto un viaggio nella più grande camera a nebbia del mondo, l'impianto Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere (AIDA) a Karlsruhe, in Germania, un vecchio reattore nucleare riproposto il cui nucleo è stato sostituito con una camera alta tre piani . Scienziati di tutto il mondo usano l'enorme camera per osservare effetti su larga scala che non potevano vedere nei modelli da banco.

Il team di Cziczo ha contattato la NASA per dei campioni di polvere ritenuti simili nella composizione alla polvere su Marte (in realtà è stata raccolta dai deserti degli Stati Uniti) e li ha collocati nella camera a nebbia, regolandone la temperatura e l'umidità relativa ai livelli osservati su Marte. L'esperimento ha formato con successo una nuvola di ghiaccio d'acqua.

Cziczo spera di continuare questo nuovo ramo extraterrestre della sua ricerca, che secondo lui è stato ispirato in parte dalle immagini atmosferiche scattate dal Mars Reconnaissance Orbiter e dalla NASA Fenice lander.

Puoi vedere i cristalli di ghiaccio che cadono dall'atmosfera, dice. Ed è divertente, perché la prima volta che ho visto quelle immagini, sembravano nuvole nell'atmosfera terrestre.

- J.C.

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