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Alcune risposte si trovano in profondità sotto il ghiaccio, in attesa di essere scoperte.
L'esecuzione di ricerche di chimica ambientale mi ha portato nei luoghi più remoti della Terra. Nei miei studi di dottorato, ho avuto la fortuna di gestire campioni dal Polo Sud e di svolgere le mie ricerche in Groenlandia, e successivamente in Antartide per i miei studi post-dottorato. Cosa stavamo cercando, che ci ha portato in mezzo al nulla?
Le eruzioni vulcaniche sono piuttosto imprevedibili. Tra i vulcani più attivi ed estetici con colate laviche ci sono l'Etna a Catania (Italia), il Kilauea sulla grande isola delle Hawaii (USA) e il Monte Fagradalsfjall in Islanda. Quando si verificano eventi più piccoli, le persone viaggiano da ogni parte per vedere questa meraviglia naturale. Tuttavia, non tutte le eruzioni sono uguali...
A seconda di una serie di fattori, tra cui l'altezza del pennacchio di eruzione e la composizione delle emissioni, gli eventi vulcanici possono avere un effetto piuttosto significativo sul clima globale. L'indice di esplosività vulcanica (VEI) è una scala logaritmica utilizzata per misurare il valore di esplosività delle eruzioni vulcaniche e classificarle da 0 (effusivo) a 8 (mega-colossale). Il più grande di questi eventi nel secolo scorso è stata l'eruzione del Pinatubo del 1991 nelle Filippine (VEI 6, colossale). La colonna di nubi è arrivata in alto nella stratosfera, espellendo enormi quantità di aerosol e gas, compreso il biossido di zolfo (SO2) che disperdono e assorbono la luce solare. Ciò ha portato ad un misurato effetto di raffreddamento globale per quasi due anni dopo la fine dell'eruzione. Le immagini di giorni senza nuvole a mezzogiorno durante questo periodo hanno mostrato un cielo piatto e bianco nebbioso, indicativo dell'effetto di dispersione degli aerosol di zolfo ad alta quota.
Altre grandi eruzioni vulcaniche hanno portato a periodi di carestia e illuminazione. Si dice che i cieli fantastici risultanti dal Krakatoa nel 1883 (VEI 6, colossale) abbiano ispirato Edvard Munch a dipingere il suo famoso capolavoro L'urlo. Se hai familiarità con Frankenstein, puoi ringraziare Mary Shelley per averlo scritto durante l'«anno senza estate» invernale del 1816, a seguito dell'eruzione del monte Tambora (VEI 7, super colossale).
Risolvere un mistero alle estremità della Terra
Questo periodo freddo è stato studiato a lungo da diversi gruppi di ricerca e metodologie. In effetti, il decennio precedente era risultato anormalmente freddo, tuttavia nessuna registrazione di un'altra eruzione vulcanica era immediatamente evidente. Alla fine, era il ghiaccio incontaminato a contenere l'indizio che ha risolto questo mistero e molti altri.
L'anidride solforosa emessa durante le eruzioni vulcaniche si ossida in aerosol di acido solforico nell'atmosfera e, a seconda dell'altezza che raggiungono, possono risiedere per giorni o addirittura anni. La deposizione di solfato vulcanico sulle calotte polari dell'Antartide e della Groenlandia conserva un record di eruzioni dovute al continuo accumulo di neve in queste aree. Pertanto, le registrazioni dell'attività vulcanica possono essere trovate nelle carote di ghiaccio polare misurando la quantità di solfato. Un modo fantastico per determinare il solfato, insieme ad una serie di anioni e cationi principali in campioni acquosi anche a livelli di tracce è con la cromatografia ionica (IC).
Naturalmente, i gas possono anche essere misurati mentre sono intrappolati negli spazi tra i fiocchi di neve, che vengono poi compattati in firn e successivamente bloccati nella calotta glaciale. Tuttavia, la risoluzione temporale per questo non è abbastanza fine per tali misurazioni vulcaniche, né il volume di gas è abbastanza grande per fare una stima accurata dell'origine vulcanica.
La perforazione di carote di ghiaccio per l'analisi ionica non è un'attività semplice. La logistica è sbalorditiva: portare sia l'attrezzatura da campo che il personale adeguatamente addestrato al centro della calotta glaciale richiede una sofisticata rete di trasporto e non può seguire un programma rigoroso perché Madre Natura segue le sue stesse regole.
È necessario un controllo medico completo da cima a fondo, poiché le strutture mediche possono essere nella migliore delle ipotesi rudimentali. Ciò include esami del sangue, monitoraggio del cuore, radiografie dentali complete e altro (a seconda dell'età e del sesso). Possono essere necessari diversi giorni per evacuare una persona ferita o malata in un ospedale adeguato e quindi essere in buona salute con una cartella clinica aggiornata fa parte della preparazione per questo tipo di lavoro a distanza.
Le apparecchiature devono essere spedite al cantiere con settimane o mesi di anticipo, spesso lasciate in balia degli elementi prima di essere rimontate. Si spera che tutto funzioni. In caso contrario, devi essere molto intraprendente perché non ci sono spedizioni regolari e le parti di ricambio sono difficili da trovare.
Le carote di ghiaccio ottenute da aree polari e altri luoghi remoti sono state utilizzate per decenni per analizzare e ricostruire eventi passati. Molte considerazioni devono essere fatte su dove perforare, quanto in profondità andare e così via. La posizione geografica è di fondamentale importanza per diversi motivi, tra cui evitare la contaminazione da emissioni antropogeniche, ma anche per il suo tasso di accumulo annuale di nevicate, la vicinanza ai vulcani e persino ad altri esseri viventi (come le colonie di pinguini, nell'Antartico).
Una registrazione ad alta risoluzione del solfato proveniente da carote di ghiaccio perforate in Groenlandia e in Antartide ha portato alla scoperta di eventi vulcanici precedentemente sconosciuti. La cromatografia ionica con un sistema a doppio canale consente la misurazione simultanea di cationi e anioni dallo stesso campione. Quando si ha a che fare con campioni così critici e piccoli volumi, questo è un enorme vantaggio per scopi di registrazione completa. Con l'aggiunta della preparazione automatica del campione come l'Ultrafiltrazione in linea Metrohm o la Diluizione in linea, l'errore umano viene eliminato con un metodo di analisi robusto e che fa risparmiare tempo.
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Preparazione del campione in linea Metrohm (MISP)
Negli ultimi due decenni, la risoluzione temporale dei dati dell'analisi delle carote di ghiaccio è aumentata in modo significativo. La conducibilità era la misura preferita per determinare i grandi eventi vulcanici nelle carote di ghiaccio, poiché è difficile vedere (senza aiuto) i depositi di tefra da molte eruzioni, contrariamente a quanto si potrebbe pensare. La conducibilità dell'acido solforico è superiore a quella dell'acqua, ma la conduttività è un parametro somma e non rivela esattamente quali componenti ci sono nel campione.
Anche quando IC ha iniziato a creare trazione in questo spazio, le dimensioni del campione non hanno consentito ai ricercatori di determinare variazioni mensili, ma approssimazioni annuali. Ciò significava che qualsiasi picco di solfato più piccolo avrebbe potuto essere trascurato. I ricercatori hanno cercato di superare questo problema confrontando i record delle carote di ghiaccio in tutto il mondo per stimare le dimensioni, l'origine e l'impatto climatico dei vulcani del passato. Sfortunatamente, quando il sito di perforazione si trova vicino al vulcanismo attivo (come nel caso della Groenlandia, sottovento rispetto all'Islanda), anche le eruzioni più piccole possono sembrare avere un effetto sovradimensionato.
La maggiore risoluzione temporale ora possibile con una preparazione del campione più sofisticata (ovvero, configurazioni a flusso continuo per la fusione del campione senza contaminazione) per l'iniezione di piccoli volumi di IC consente una datazione più accurata delle eruzioni vulcaniche senza altre registrazioni storiche apparenti.
A seconda della nevicata annuale nel sito di perforazione e della profondità del carotaggio, è possibile determinare in quale mese di un dato anno si è verificata la deposizione di solfato da un'eruzione vulcanica.
Queste informazioni, combinate con altri dati (ad esempio, la lunghezza della deposizione) aiutano a individuare la circolazione del pennacchio di eruzione e stimare l'impatto globale. Oltre a questo, altri dati possono essere ottenuti misurando la composizione isotopica del solfato depositato per determinare l'altezza della nuvola eruttiva (un metodo più accurato per confermare le eruzioni stratosferiche), ma questo esula dallo scopo di questo articolo.
Usando la cromatografia ionica, è possibile anche sul campo determinare con precisione la profondità in cui si trovano specifici eventi vulcanici di interesse nel ghiaccio. Quindi più carote di ghiaccio possono essere perforate nella stessa posizione per procurarsi un volume maggiore di ghiaccio per eseguire analisi più dettagliate.
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Per risolvere questo particolare mistero, è stata la combinazione della corrispondenza dello stesso picco di solfato misurato tramite IC nelle carote di ghiaccio di entrambe le regioni polari e la conferma della natura stratosferica dell'eruzione che ha portato alla scoperta di un evento vulcanico precedentemente non registrato ai tropici intorno all'anno 1809 d.C
Il periodo freddo è stato prolungato da una seconda eruzione vulcanica
In effetti, l'eruzione stratosferica di Tambora nel 1815 era già stata preceduta da un altro enorme evento di impatto climatico ai tropici solo pochi anni prima. Questa combinazione ha portato a uno dei periodi più freddi degli ultimi 500 anni. I dati ottenuti dalle misurazioni IC delle carote di ghiaccio sono stati determinanti in questa scoperta e in molte altre negli ultimi anni.
Dati ad alto impatto
Altre nuove eruzioni vulcaniche sono state scoperte nella documentazione delle carote di ghiaccio con il miglioramento della tecnologia analitica. Le loro date di eruzione possono anche essere determinate in modo più accurato, aiutando a spiegare quale di loro ha avuto un impatto climatico o meno. Queste informazioni aiutano a migliorare l'accuratezza dei modelli climatici, poiché gli aerosol di solfato ad alta quota risultanti da grandi eruzioni riflettono il sole e causano lunghi periodi di raffreddamento globale. È per questo motivo che alcuni gruppi hanno proposto una forma di geoingegneria dove quantità controllate di gas di zolfo vengono iniettate in alto nell'atmosfera per imitare gli effetti di un'eruzione stratosferica.
Conclusione
Spero che questo breve riassunto di una nicchia della ricerca ambientale con la cromatografia ionica abbia suscitato il tuointeresse! Forse l'ispirazione di sapere che tali ruoli esistono spingerà altri giovani scienziati a perseguire un simile percorso professionale. L'educazione alla chimica non deve sempre avvenire al chiuso!
