Shanxi Sotto la Lente: Emissioni di Monossido di Carbonio Nascoste Svelate dallo Spazio!

Amici scienziati e curiosi dell’ambiente, preparatevi perché oggi vi porto in un viaggio incredibile, quasi da detective cosmico! Immaginate di avere degli occhiali potentissimi, capaci di scrutare l’atmosfera terrestre dallo spazio e di svelare segreti invisibili all’occhio nudo. Beh, più o meno è quello che abbiamo fatto, e i risultati ci hanno lasciato a bocca aperta, soprattutto per quanto riguarda una regione specifica della Cina: la provincia dello Shanxi.

Parliamo di monossido di carbonio (CO), un gas che, diciamocelo, non è proprio un toccasana per la nostra aria né per il clima. È un inquinante primario, specialmente nelle aree ricche di attività energetiche, e lo Shanxi è una di queste, essendo un gigante nella produzione di carbone. Capire quante emissioni di CO ci siano realmente è fondamentale, non solo per la qualità dell’aria locale, ma anche perché il CO, trasformandosi in CO2, contribuisce al bilancio radiativo globale. Insomma, un attore non da poco sulla scena ambientale!

Ma cos’è successo davvero nello Shanxi?

Ecco il punto: utilizzando un sofisticato sistema di “inversione basata sullo spazio” (roba da scienziati, ma fidatevi, è super interessante!), abbiamo analizzato i dati satellitari del CO e del formaldeide (HCHO, un altro indicatore importante) sopra lo Shanxi. E cosa abbiamo scoperto? Che le stime precedenti sulle emissioni di CO erano, per usare un eufemismo, un tantino ottimistiche.

In pratica, i nostri calcoli, che abbiamo chiamato EICO, hanno rivelato che le emissioni totali annualizzate di CO sono in media sette volte superiori rispetto ad alcuni dataset esistenti, come MEIC ed EDGAR, che sono un po’ i punti di riferimento per la comunità scientifica. SETTE VOLTE! È come scoprire che il tuo contachilometri segna 100 km/h quando in realtà stai andando a 700! Parte di questa discrepanza sembra dovuta a un disallineamento spaziale, con un aumento frazionario del consumo energetico in aree precedentemente considerate a basse emissioni.

La cosa ancora più impattante è che questa sottostima del CO si traduce in un aumento netto del 7% nelle emissioni di CO2 stimate per la regione. Non bruscolini, considerando l’importanza della CO2 nel cambiamento climatico. Pensateci: se sbagliamo a contare il CO, sbagliamo anche a contare una fetta di CO2!

L’occhio dal cielo: TROPOMI e il metodo MFIEF

Per arrivare a queste conclusioni, ci siamo affidati a uno strumento spaziale chiamato TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument), che è a bordo del satellite Sentinel-5 Precursor. Questo gioiellino ci fornisce osservazioni giornaliere delle colonne di CO e HCHO. Poi, abbiamo applicato un metodo chiamato MFIEF (Model Free Inversion Estimation Framework). Senza entrare troppo nei tecnicismi, questo metodo ci permette di calcolare le emissioni basandoci sulla divergenza geospaziale della massa e del vento, oltre che sui processi di “lavandino” (sink) e produzione chimica nell’atmosfera. È un approccio “top-down”, cioè parte dalle osservazioni per risalire alle fonti, ed è progettato per conservare la massa, il che lo rende molto robusto.

Abbiamo analizzato un periodo che va da maggio 2018 ad aprile 2022, concentrandoci su un’area dello Shanxi che è un vero e proprio laboratorio a cielo aperto: ricca di carbone, con una geografia unica fatta di montagne e bacini, e generalmente poco nuvolosa, il che favorisce l’osservazione satellitare e intensi processi atmosferici.

Le emissioni medie annuali di EICO che abbiamo calcolato per lo Shanxi sono di circa 30.4 Teragrammi all’anno (Tg yr-1), con un’incertezza notevole ma gestibile. È interessante notare che, anno dopo anno, le emissioni totali di EICO hanno mostrato una diminuzione, il che è coerente con le strategie a lungo termine della Cina per la gestione della qualità dell’aria. Questa riduzione può essere attribuita a controlli indiretti su altre specie co-emesse. Tuttavia, la vera sorpresa è stata la variazione temporale.

Un’occhiata più da vicino: variazioni temporali e spaziali

Abbiamo osservato che le emissioni più elevate si verificano tipicamente tra dicembre e gennaio di ogni anno. Questo coincide con la fine del ciclo industriale e l’inizio delle festività del Capodanno Cinese. Sembra quasi che le fabbriche accelerino la produzione per recuperare eventuali ritardi prima della chiusura. E proprio in questi mesi di picco, la diminuzione delle emissioni anno su anno è stata più marcata, specialmente nelle aree a più alta intensità di emissione (che abbiamo chiamato “Caso I”).

Curiosamente, anche se il 2020 è stato l’anno del COVID-19, non è risultato essere l’anno con le emissioni di CO più basse, se analizziamo i dati da una prospettiva spazio-temporale più fine. Questo ci dice quanto sia complessa la dinamica delle emissioni e come fattori diversi possano interagire.

Il confronto con gli inventari esistenti: MEIC ed EDGAR

Quando abbiamo messo i nostri dati EICO a confronto con gli inventari “bottom-up” MEIC (Multi-resolution Emission Inventory for China) ed EDGAR (Emission Database for Global Atmospheric Research), le differenze sono state lampanti. Per il 2019 e il 2020, EICO riportava emissioni totali di 37.5 ± 18.5 Tg yr-1 e 28.8 ± 14.5 Tg yr-1 rispettivamente. Nello stesso periodo, MEIC dava 5.7 e 5.3 Tg yr-1, mentre EDGAR addirittura 3.7 Tg yr-1 per entrambi gli anni. Come dicevo, siamo su ordini di grandezza diversi, con EICO che è dalle 5 alle 10 volte più alto!

Questa enorme differenza suggerisce alcune cose:

• I picchi di emissione di dicembre e gennaio non erano ben catturati dagli inventari bottom-up.
• C’è un cambiamento spaziale: le aree a basse emissioni potrebbero contribuire più di quanto si pensasse.
• Gli inventari bottom-up potrebbero essere “datati” per alcune grandi fonti note, non tenendo conto degli effetti delle politiche sempre più stringenti, oppure sottostimare le emissioni da nuove imprese in rapida crescita, ad esempio nel settore siderurgico in alcune città.
• Al contrario, EICO sembra indicare che molte aree rurali o con piccole sorgenti, considerate quasi a zero emissioni da MEIC/EDGAR, in realtà contribuiscono in modo non trascurabile.

In sostanza, sembra che le politiche cinesi abbiano avuto successo nel ridurre le emissioni dalle “grandi fonti facili”, ma ora la sfida si sposta su aree rurali, settori in rapida evoluzione e nuove industrie.

Quanto è affidabile tutto ciò? I test di sensibilità

Naturalmente, ci siamo chiesti quanto fossero robusti i nostri risultati. Abbiamo quindi “stressato” il nostro modello MFIEF, modificando i dati di input (come le concentrazioni di CO e HCHO da TROPOMI, le emissioni a priori, il livello del vento) per vedere come cambiavano le stime finali. Ebbene, il modello si è dimostrato molto stabile e robusto: le variazioni nelle emissioni calcolate erano sempre inferiori all’entità delle perturbazioni applicate. Questo ci dà grande fiducia nella qualità dei nostri risultati.

La vita effimera del CO e del HCHO

Un altro aspetto affascinante che il nostro metodo ci permette di stimare è la “vita media” (lifetime) del CO e del HCHO nell’atmosfera locale. Per il CO, questa vita media include sia la sua decomposizione chimica (principalmente reagendo con il radicale ossidrile OH) sia la sua diffusione e mescolamento con aria meno inquinata. Abbiamo trovato che la vita media del CO nello Shanxi varia tra 1.0 e 5.7 giorni (10° e 90° percentile), mentre per l’HCHO è molto più breve, tra 0.2 e 2.3 ore.

Questi valori sono coerenti con le condizioni atmosferiche dello Shanxi: aria relativamente secca, alte emissioni di inquinanti e un aumento documentato delle emissioni di metano (che consuma OH) dovuto all’intensa produzione di carbone. Tutti fattori che influenzano la chimica atmosferica e la capacità dell’atmosfera di “pulirsi”. Abbiamo notato, ad esempio, che la vita media del CO tende ad essere più lunga a maggio e luglio, e più corta a dicembre e gennaio, a causa di una complessa interazione tra stabilità atmosferica, radiazione UV, presenza di aerosol e carichi di NOx.

Il rapporto CO/NOx: un detective per le fonti di inquinamento

Le emissioni di CO e di ossidi di azoto (NOx) dipendono da fattori come l’efficienza energetica, la temperatura di combustione e la disponibilità di ossigeno. Analizzare il loro rapporto (CO/NOx) può aiutarci a identificare e attribuire le diverse tipologie di fonti. E qui abbiamo fatto scoperte interessanti!

• Le aree urbane e industriali hanno generalmente rapporti CO/NOx più bassi rispetto alle aree rurali, che a loro volta sono inferiori a quelle naturali. Questo ha senso: le aree industriali e urbane hanno più sorgenti di combustione ad alta temperatura (centrali elettriche, trasporti) che emettono più NOx e meno CO. Le aree rurali, con un mix di piccola industria, caldaie e combustione di biomassa, tendono ad avere meno NOx e più CO.
• Analizzando specifiche sotto-categorie industriali, abbiamo visto che:
  • Cemento e centrali elettriche hanno il rapporto CO/NOx mediano più basso.
  • Caldaie e impianti di coking mostrano valori intermedi.
  • L’industria siderurgica (ferro e acciaio) ha il rapporto CO/NOx più alto. Nonostante le alte temperature di combustione (che generano NOx), le emissioni di CO da processi come la sinterizzazione e gli altiforni sono ancora più elevate.

Questa capacità di distinguere le fonti basandosi sul rapporto CO/NOx è potentissima! Ci ha permesso, ad esempio, di identificare correttamente un gran numero di impianti (centrali elettriche, cementifici, acciaierie, cokerie) confrontando i nostri risultati con i database governativi dei permessi di emissione (EP), anche per impianti non monitorati dai sistemi CEMS (Continuous Emissions Monitoring Systems).

Il viaggio del monossido: il trasporto transfrontaliero

Il CO, grazie alla sua vita media relativamente lunga, è un buon tracciante del trasporto atmosferico. Può viaggiare per centinaia di chilometri! Abbiamo osservato un corridoio di trasporto nord-sud che va da Linfen/Yuncheng fino a Taiyuan/Datong, particolarmente evidente nei mesi di dicembre e gennaio. Questo corridoio riceve input da varie sorgenti, incluse quelle urbane e industriali nella provincia dello Shaanxi (ad ovest) e, in misura minore attraverso i varchi montuosi, dalla provincia dell’Hebei (ad est).

È interessante notare un indebolimento del trasporto da grandi megalopoli come Xi’an (Shaanxi) tra il 2018 e il 2022, probabilmente a causa delle politiche anti-inquinamento, ma un contemporaneo aumento del trasporto da città più piccole e in via di sviluppo come Weinan (sempre nello Shaanxi, vicino al confine con lo Shanxi). Questo ci dice che le dinamiche di sviluppo economico e le politiche ambientali regionali giocano un ruolo cruciale.

Cosa ci insegna questa scoperta e quali sono i prossimi passi?

Questa ricerca ci ha aperto gli occhi su quanto ancora ci sia da capire riguardo alle emissioni di CO, anche in regioni studiate. La sottostima che abbiamo rilevato nello Shanxi ha implicazioni importanti per gli inventari di CO2 e per le strategie di mitigazione dell’inquinamento e del cambiamento climatico. I risultati suggeriscono che, mentre le politiche hanno avuto successo sulle “grandi fonti”, ora è necessario concentrarsi più a fondo sulle aree rurali, sulle aree in rapida trasformazione e sulle nuove industrie.

Il nostro metodo MFIEF si è dimostrato uno strumento potente e flessibile. In futuro, potremmo migliorarlo integrando osservazioni di altri inquinanti (come CO2, black carbon, SO2), espandendolo ad altre regioni del mondo, specialmente quelle con condizioni climatiche e sviluppo industriale simili, magari nel Sud del mondo dove i dati a priori sono scarsi. Potrebbe persino essere utilizzato per la risposta rapida a eventi di inquinamento estremo.

Insomma, il cielo sopra di noi è pieno di informazioni preziose. Sta a noi, con gli strumenti giusti e un pizzico di curiosità da detective, continuare a leggerle per capire meglio il nostro pianeta e proteggerlo. E chissà quali altre sorprese ci riserva!

Fonte: Springer