GEMS ci Svela i Segreti dell’Aerosol nel Sud-est Asiatico: Missione Compiuta?

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi del nostro pianeta! Oggi voglio parlarvi di una sfida ambientale che mi sta particolarmente a cuore e di come la tecnologia satellitare ci stia dando una grossa mano: l’inquinamento da aerosol nel Sud-est asiatico. Immaginatevi vaste aree, soprattutto agricole, dove la combustione della biomassa è una pratica comune. Questo rilascia nell’aria tonnellate di particolato fine, il famigerato PM2.5, che non solo crea quelle foschie dense e opprimenti, ma mette a serissimo rischio la nostra salute.

Il Problema: Fumo negli Occhi (e nei Polmoni) nel Sud-est Asiatico

L’Organizzazione Mondiale della Sanità non usa mezzi termini: l’inquinamento atmosferico è una delle maggiori minacce globali alla salute pubblica. E quando parliamo di Sud-est asiatico, la situazione si fa critica. Un recente report della Banca Mondiale ha stimato che nel 2019 i costi indotti dall’inquinamento atmosferico hanno raggiunto la cifra spaventosa di 8,1 trilioni di dollari a livello mondiale! Nello stesso anno, l’inquinamento outdoor ha causato 4,2 milioni di morti premature, con il Sud-est asiatico e le regioni del Pacifico occidentale in cima alla triste classifica.

Il principale colpevole? Il PM2.5, particelle così piccole da penetrare profondamente nei nostri polmoni e causare problemi cardiovascolari, polmonari, diabete e persino complicazioni alla nascita. Nel Sud-est asiatico continentale, gran parte di questo aerosol proviene dalla combustione di biomasse legate all’agricoltura: residui colturali bruciati, pratiche di “taglia e brucia” e incendi boschivi. Queste emissioni, combinate, generano foschie stagionali su larga scala, che non conoscono confini nazionali. Monitorare questo fenomeno è un’impresa titanica, data l’estensione geografica e la natura frammentata e su piccola scala delle fonti di emissione. I sensori a terra sono preziosi, ma non possono coprire aree così vaste.

Entra in Scena GEMS: Il Nostro Occhio nel Cielo

Ed è qui che entra in gioco la tecnologia! Un progresso significativo è stato l’operatività del sensore GEMS (Geostationary Environment Monitoring Spectrometer), a bordo del satellite geostazionario GEO-KOMPSAT-2B. Un’iniziativa del National Institute of Environmental Research Center (NIER) della Corea del Sud. Pensate a GEMS come a un guardiano instancabile che, da novembre 2021, ci fornisce osservazioni orarie dell’inquinamento atmosferico su vaste regioni dell’Asia orientale e sud-orientale. Una vera manna dal cielo per noi ricercatori!

Mentre in Asia orientale i dati GEMS sono già stati ampiamente utilizzati per studiare la qualità dell’aria, stimando ad esempio le concentrazioni al suolo di PM2.5, O₃ e NO₂, nel Sud-est asiatico il potenziale di GEMS era ancora tutto da esplorare. Una lacuna che, come potete immaginare, mi ha subito incuriosito! Non possiamo misurare direttamente l’aerosol dallo spazio, ma usiamo un indicatore fantastico: lo Spessore Ottico dell’Aerosol (AOD). L’AOD nella banda dei 500 nm della rete AERONET (Aerosol Robotic Network) è il nostro punto di riferimento a terra per validare i prodotti satellitari. Questo perché l’AOD in quella gamma di lunghezze d’onda è sensibile alla concentrazione di PM2.5.

A Caccia di Verità: Come Abbiamo Messo alla Prova GEMS

Il nostro studio si è concentrato proprio su questo: valutare l’accuratezza dei dati AOD di GEMS sul Sud-est asiatico continentale, confrontandoli con le osservazioni a terra della rete AERONET. Abbiamo preso in esame il periodo da novembre 2021 ad aprile 2024, analizzando i dati di 12 stazioni AERONET sparse tra Thailandia, Laos e Cambogia. Un lavoro certosino di confronto, aggregando i dati su base stagionale e oraria per capire come la densità del carico di aerosol e il posizionamento del satellite influenzassero l’accuratezza del monitoraggio.

Non ci siamo fermati all’AOD! Abbiamo esaminato anche l’Albedo Singola di Scattering (SSA) derivata da GEMS e l’Esponente di Ångström (AE) da AERONET per caratterizzare la composizione dell’aerosol assorbente e la distribuzione dimensionale delle particelle durante la stagione delle foschie. E, ciliegina sulla torta, abbiamo analizzato il prodotto Altezza dello Strato di Aerosol (ALH) di GEMS per esplorare le variazioni diurne nella distribuzione verticale dell’aerosol. L’obiettivo? Quantificare l’accuratezza del recupero della qualità dell’aria tramite satelliti geostazionari e migliorare la nostra comprensione delle caratteristiche regionali dell’aerosol nel Sud-est asiatico.

L’area di studio è caratterizzata da un forte pattern monsonico stagionale: la stagione secca (novembre-aprile) e la stagione delle piogge (maggio-ottobre). Queste stagioni hanno “impronte” di emissione distinte, con intense combustioni di biomassa agricola e incendi boschivi che si verificano proprio durante la stagione secca. E, come sospettavamo, i dati GEMS hanno mostrato un chiaro cambiamento stagionale nella concentrazione di aerosol, con un aumento significativo tra novembre e aprile, seguito da una brusca diminuzione tra maggio e ottobre. Le alte concentrazioni di aerosol si distribuivano principalmente nelle aree di bacino e pianura tra le catene montuose.

I Risultati non si Fanno Attendere: GEMS Promosso (con qualche riserva)

Ebbene, i risultati sono stati davvero incoraggianti! Confrontando 8569 coppie di dati AOD a 550 nm di GEMS e AERONET, abbiamo trovato una forte correlazione complessiva (R² = 0.75). Un ottimo punto di partenza! Tuttavia, abbiamo notato che GEMS tende a sottostimare l’AOD rispetto ad AERONET, con una pendenza della regressione lineare di 0.56. In pratica, c’era un leggero bias positivo per valori bassi di AOD (inferiori a 0.5) e un trend di bias negativo per valori di AOD più alti.

L’analisi stagionale ha rivelato dettagli ancora più interessanti:

• Durante le stagioni secche, le correlazioni erano decisamente più alte: R²= 0.63 nel 2022, R²= 0.79 nel 2023 e R²= 0.72 nel 2024. Questo ha senso, perché è il periodo con il maggior carico di aerosol dovuto agli incendi.
• Nelle stagioni delle piogge, invece, le correlazioni crollavano (R²= 0.11 nel 2022, R²= 0.13 nel 2023). Qui il numero di campioni era considerevolmente minore a causa della copertura nuvolosa, che, come sapete, è nemica delle osservazioni satellitari ottiche.

Un picco distintivo nell’AOD è stato osservato ogni aprile, coincidendo con l’intensificazione della combustione di biomassa, un dato già riportato in studi precedenti.

Non Solo Quantità, Ma Anche Qualità: Cosa ci Dicono SSA, AE e ALH

Ma cosa ci dicono gli altri parametri? L’SSA (Single Scattering Albedo) ci aiuta a distinguere tra aerosol che assorbono luce (come la fuliggine da combustione) e quelli che la diffondono. Durante le stagioni secche, l’SSA mostrava valori più bassi (tra 0.95 e 0.88), indicando una maggiore presenza di particelle assorbenti, proprio quelle che ci aspettiamo dalla combustione di biomassa. Con l’arrivo della stagione delle piogge, l’SSA si spostava distintamente verso valori più alti (0.98-1.00).

L’Esponente di Ångström (AE), d’altro canto, ci dà indicazioni sulla dimensione delle particelle. Valori di AE intorno o superiori a 2.0 suggeriscono una predominanza di particelle piccole, tipiche della combustione di biomassa e dell’inquinamento urbano. Valori inferiori a 1.0 indicano particelle più grandi, come sale marino e polvere. Ebbene, durante la stagione secca, l’AE raggiungeva valori elevati, anche superiori a 2.0, in corrispondenza di alti valori di AOD. Questo conferma la presenza dominante di particelle fini nelle aree con maggiore AOD. Durante la stagione delle piogge, invece, l’AE mostrava una grande variazione con valori di AOD più bassi.

Un aspetto affascinante di GEMS è la sua capacità di effettuare osservazioni orarie. Questo ci ha permesso di disaggregare i risultati per ora di osservazione. E qui la sorpresa: i coefficienti di correlazione miglioravano, variando da 0.76 a 0.84, rispetto al punteggio complessivo di 0.75! Ancora più interessante, la pendenza della regressione lineare aumentava gradualmente da 0.29 a 0.85 man mano che l’ora di acquisizione avanzava durante il giorno (dalle 07:45 alle 14:45 ora locale). Questo ci dice che parte degli errori nella validazione complessiva derivava dalla dispersione oraria, sottolineando l’importanza di considerare la variazione temporale.

Infine, l’Altezza dello Strato di Aerosol (ALH). Durante la stagione delle piogge, si notava un aumento sia dell’ALH medio che minimo nel corso della mattinata, probabilmente legato al ciclo di crescita dello strato di rimescolamento atmosferico. Durante le stagioni secche, invece, l’ALH era più consistente, intorno ai 2 km. Confrontando AOD e ALH ora per ora durante le stagioni secche, abbiamo visto che i bassi valori di AOD (0-0.5) mostravano una crescita in altezza da 0.2 km al mattino a 2.0 km nel pomeriggio. Al contrario, gli alti valori di AOD, associati a particelle fini e assorbenti da combustione di biomassa, rimanevano sospesi a un’altezza di circa 2 km per tutta la giornata. Questo è in linea con studi precedenti e suggerisce che esiste una variazione diurna nei risultati di validazione oraria dovuta alla distribuzione verticale statica dell’aerosol, mostrando il potenziale per monitorare il trasporto di aerosol nella regione.

GEMS: Un Alleato Prezioso per il Futuro dell’Aria Pulita

Quindi, tirando le somme, cosa abbiamo imparato?

• Accordo generale: C’è una forte concordanza tra GEMS e AERONET (R²=0.75), anche se GEMS tende a sottostimare l’AOD.
• Impatto stagionale: Le correlazioni sono molto più forti durante la stagione secca, quando il carico di aerosol è elevato.
• Caratteristiche dell’aerosol: Durante la stagione secca, dominano aerosol otticamente assorbenti e di piccole dimensioni, tipici della combustione di biomassa.
• Variazioni orarie: L’accuratezza di GEMS migliora nel corso della giornata, e l’analisi oraria dell’ALH rivela dinamiche interessanti sulla sospensione e il trasporto dell’aerosol.

In conclusione, posso dire con entusiasmo che GEMS ha dimostrato una forte associazione con i dati AERONET nel Sud-est asiatico continentale, specialmente durante le stagioni secche. Si tratta di uno strumento promettente per monitorare l’inquinamento da aerosol e supportare le valutazioni regionali della qualità dell’aria in una delle aree più vulnerabili del pianeta. Certo, c’è ancora lavoro da fare per affinare gli algoritmi e comprendere appieno tutte le sfumature, ma la strada intrapresa è quella giusta. E io, da parte mia, non vedo l’ora di continuare a esplorare le potenzialità di questi “occhi nel cielo” per aiutarci a respirare un’aria più pulita!

Fonte: Springer