Campionamento del vapore

I campioni di vapore acqueo atmosferico discussi in questo capitolo sono stati ottenuti mediante intrappolamento criogenico (cryoptrapping) con un siste- ma progettato e costruito appositamente per questo studio. L’intrappola- mento criogenico, introdotto inizialmente da Craig e Gordon (1965), prevede il congelamento completo di tutta l’umidit`a presente nell’aria utilizzando del- le trappole mantenute a temperature inferiori al punto di rugiada.

Figura 4.2: Sinistra: sistema per l’intrappolamento criogenico di vapore acqueo. Le linee rosse si riferiscono a tubazioni riscaldate (50➦C), le linee blu a tubazioni non riscaldate e le linee nere a collegamenti elettrici. Destra: dettaglio della trappola utilizzata per campionare il vapore.

Come visibile in Figura 4.2 l’aria ambiente viene flussata all’interno del- le trappole utilizzando una pompa a membrana. Il filtro posto all’ingresso del sistema (una semplice rete di nylon con maglie di 0.5x0.5 mm) previene l’introduzione di materiale solido che potrebbe ostruire il passaggio dell’aria. Poich´e la differenza tra temperatura dell’aria esterna ed interna al laboratorio pu`o essere ampia1_{diviene indispensabile mantenere la linea di campionamen-}

to ad una temperatura superiore a quella del punto di rugiada. In particolare, se durante il periodo estivo l’aria esterna, calda e carica di umidit`a, viene

1_{La differenza tra temperatura esterna e interna al laboratorio durante i mesi estivi}

trasportata all’interno del laboratorio si pu`o incorrere in frazionamento del vapore lungo la linea (i.e. parte del vapore condenser`a prima di essere cam- pionato). Si `e scelto quindi di riscaldare l’intera linea di campionamento (50±1➦C) mediante treccia riscaldante (20 W/m, 220 V Minco Inc.). Il flus- so d’aria viene direzionato verso una trappola del sistema di campionamento utilizzando delle elettrovalvole (12 V, azione diretta) azionate da un micro- controllore (STM32F103RB6) che viene programmato di volta in volta con gli orari del campionamento. Gli orari di campionamento sono stati scelti in modo da comprendere le principali ore sinottiche (00, 06, 12 e 18 UTC+1). Il flusso d’aria viene misurato con un rotametro lungo la linea di aspirazione. Le trappole che catturano l’umidit`a sono immerse in alcol isopropilico la cui temperatura (-77➦C) pu`o essere mantenuta in due modi2_:

❼ aggiungendo ghiaccio secco (CO2 solida). Questa soluzione si `e rivelata

utile per svolgere i primi test, effettuare i primi campionamenti (fino ad Agosto 2015) e svolgere esperimenti in campo. Si tratta di una solu- zione estremamente economica ma prevede che un operatore monitori continuamente la temperatura della miscela affinch´e questa non salga eccessivamente;

❼ con un criostato o un dito freddo controllato elettronicamente. In que- sto modo non `e necessario monitorare continuamente la temperatura ma il sistema diviene inevitabilmente pi`u ingombrante ed `e necessario un allacciamento elettrico con una potenza che pu`o variare da 500 a 1500 W3_{. Questa seconda soluzione `e stata adottata per prelevare i}

campioni di vapore da Agosto 2015.

In letteratura si trovano diversi tipi di trappole utilizzabili per il campiona- mento del vapore acqueo (Gat et al., 2003; Strong et al., 2007). Durante la messa a punto del metodo di campionamento sono state sviluppate tre trap- pole i cui disegni tecnici sono riportati nell’allegato A. Le prime due versioni (v.0, e v.1), di dimensioni ridotte, sono state sviluppate per funzionare con un sistema di raffreddamento a celle di Peltier mentre la trappola utilizzata per tutti i campionamenti di questo studio (v.2) `e visibile in Figura 4.2. La trappola `e stata progettata prendendo spunto dal lavoro di Helliker et al. (2002). Le componenti costitutive della trappola sono di facile reperibilit`a e di costo estremamente ridotto (raccorderia in acciaio INOX e provetta in vetro borosilicato). Le dimensioni dei raccordi e della provetta di raccol-

2_{Si riportano nell’allegato A alcune immagini dei campionatori utilizzati.}

3_{Peters e Yakir (2010) hanno proposto un sistema di campionamento portatile che}

ta possono variare in funzione della quantit`a di campione da prelevare e di conseguenza della durata del campionamento.

Per ottenere un campione di vapore sono richieste dalle 2 alle 4 ore, in funzione del contenuto di umidit`a dell’aria. I tempi di campionamento scelti sono un compromesso per ottenere almeno 1 ml di campione liquido, come richiesto dal protocollo Moisture Isotopes in the Biosphere and Atmosphere (MIBA) della IAEA, e per poter svolgere pi`u analisi del campione stesso. Durante la campagna di campionamento il vapore `e stato prelevato una volta a settimana durante il giorno (generalmente alle ore 10, 12 e 14) da fine Marzo 2015 a Settembre 2015 e durante il giorno e la notte (00, 06, 12, 18) da fine Ottobre 2015 a Luglio 2016. La sequenza temporale del campionamento tipo utilizzata in questo studio `e riportata nel grafico di Figura 4.3 dove viene mostrato lo stato di ogni elettrovalvola (0-spenta/1-accesa) durante una sessione di campionamento.

Figura 4.3: Stato delle elettrovalvole (SV-i, 0-spenta/1-accesa) durante il campiona- mento del vapore con le trappole criogeniche. I valori di ton (tempo di apertura della

trappola) e tsw(tempo di attesa tra una trappola e l’altra) sono generalmente di 4 e 2 ore,

rispettivamente.

La composizione isotopica del campione di vapore raccolto dalla trappola risulter`a quindi essere la media pesata della composizione isotopica del vapore centrata nell’ora d’interesse ± ton/2.

Terminata la sessione di campionamento, ogni trappola viene sigillata con Parafilm➤ e posta a temperatura ambiente (circa 20➦C) per almeno un’ora

in modo che tutto il ghiaccio in essa contenuta si sciolga. Una volta sciolto il campione si provvede a trasferire il contenuto della trappola in una fialetta da 1 ml per la successiva analisi, queste ultime effettuate mediante CRDS utilizzando l’analizzatore L1102-i della Picarro. Dopo il campionamento le trappole vengono pulite accuratamente, risciacquate abbondantemente con acqua MilliQ➤, asciugate in stufa a 60➦C per 8 ore ed infine, una volta rimontate, vengono riempite con azoto per togliere ogni traccia di umidit`a al loro interno e sigillate per il successivo campionamento.