Determinazione del carico atmosferico di polveri minerali nel Plateau Antartico.

Come accennato nelle sezioni precedenti, le determinazioni effettuate mediante PIXE e PIGE sui campioni mensili integrati permettono la quantificazione dei principali elementi che compongono l’aerosol minerale; infatti, Si, Al, Fe, Ti, Mg, Na, K e Ca, insieme all’Ossigeno, costituiscono più del 99% della composizione in massa della Crosta Terrestre Superficiale (Upper Continental Crust – UCC – Hawkesworth and

Kemp, 2006). Dall’analisi di tali elementi nella sola componente insolubile dell’aerosol

atmosferico è quindi possibile derivare la massa totale di aerosol minerale sommando le concentrazioni atmosferiche dei vari elementi espressi come ossidi; il confronto fra i valori di massa di polveri intrappolati nel ghiaccio polare proveniente dalle due perforazioni EPICA (EDC e EDML) ottenuti con questo metodo e i dati di massa ottenuti mediante analisi Coulter Counter (Delmonte et al., 2002) hanno evidenziato che i due risultati sono consistenti a meno del 10-20% (Marino et al., 2008; Ruth et

al., 2008). La metodologia di trattamento dei filtri campionati precedente all’analisi

acqua e successiva concentrazione del particolato su un filtro in policarbonato a superficie ridotta rispetto al filtro iniziale (vedi sezione metodologica) è tale da assicurare l’analisi della sola frazione insolubile (e quindi minerale, considerata la locazione estremamente remota del sito di campionamento), in quanto la frazione solubile viene disciolta durante la sonicazione e successivamente eliminata mediante filtrazione. Al fine di ottenere informazioni sul carico atmosferico di polveri minerali è però importante anche conoscere la percentuale di recupero di particelle minerali durante le fasi di sonicazione e successiva filtrazione; a questo riguardo sono stati effettuati test di sonicazione multipla dedicati alla valutazione della percentuale di recupero. In particolare due filtri reali (campionamenti di Gennaio ed Ottobre 2006) sono stati sottoposti a 3 sonicazioni successive di 2 ore l’una. Dopo ognuna delle fasi di sonicazione la sospensione acquosa è stata filtrata su filtro in policarbonato. L’analisi dei 3 filtri ottenuti per filtrazioni successive permette di stimare la percentuale di recupero di polveri mediante sonicazione e successiva filtrazione. La figura 3.4.12 riporta le concentrazioni superficiali (espresse in ng cm-2) dei tre principali componenti del dust minerale, cioè Si, Al e Fe.

In entrambi i casi tutti gli elementi considerati mostrano un netto decadimento del segnale fra la prima e la seconda sonicazione ed una leggera diminuzione fra la seconda e la terza sonicazione. Considerando la diminuzione media delle concentrazioni dei 3 elementi nei due casi, si può stimare che il trattamento di sonicazione (per 2 ore in acqua ultra-pura) seguita da filtrazione su filtro in policarbonato permette un recupero fra l’80 ed il 90% delle particelle intrappolate nella struttura di teflon intrecciato. Questa informazione permette di ottenere affidabili informazioni circa il carico atmosferico di polveri a Dome Concordia, una volta effettuata una correzione per la percentuale di recupero del particolato; a questo riguardo è importante anche sottolineare che, a differenza della stima del carico atmosferico, la caratterizzazione geochimica delle polveri è indipendente dalla percentuale di recupero di particolato, in quanto l’informazione che si vuole ottenere è la composizione relativa dei singoli elementi nella matrice minerale.

La figura 3.4.13 presenta la variazione della concentrazione atmosferica di polveri minerali a Dome Concordia nell’arco dell’anno 2006.

L’andamento del carico atmosferico è caratterizzato da bassi valori nel periodo Gennaio-Agosto (con valori medi di concentrazione di circa 0.2 ng m-3), ed un marcato

Figura 3.4.12 Concentrazioni superficiali (espresse in ng cm-2) dei tre principali componenti del dust minerale, cioè Si, Al e Fe, in seguito a test di sonicazione multipla

per i filtri campionati nel mese di Gennaio e Ottobre 2006.

Figura 3.4.13 Variazione della concentrazione atmosferica (in ng m-3) di polveri minerali a Dome Concordia nell’arco dell’anno 2006.

Gennaio 2006 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Gennaio 2007 2h Gennaio 20074h Gennaio 20076h t sonicazione (ore) n g /c m 2 Silicio Alluminio Ferro Ottobre 2006 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Ottobre 2007 2h Ottobre 2007 4h Ottobre 2007 6h t sonicazione (ore) n g /c m 2 Silicio Alluminio Ferro CONCORDIA Station 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 J F M A J J A S O D Month n g /m 3

aumento progressivo delle concentrazioni nel periodo Settembre-Dicembre; in tale periodo il carico atmosferico aumenta fino a quasi un ordine di grandezza rispetto alla prima parte dell’anno, con un valore massimo di concentrazione di polvere di circa 1.2 ng m-3 a Dicembre 2006.

E’ interessante sottolineare in questa sede che la figura presenta i primi dati disponibili in letteratura di concentrazione di polveri minerali nel Plateau Antartico. Gli unici dati presenti in letteratura relativi alle concentrazioni atmosferiche di polveri in Antartide si riferiscono a due siti costieri, Palmer Station, localizzato nella penisola Antartica (coordinate 64.77° S, 64.05° W) e Mawson, localizzato nel settore Indiano del continente Antartico (coordinate 67.60° S, 62.50° E); dei due siti, il secondo è posto lungo la traiettoria di trasporto di polveri minerali dal Sud America all’Antartide. I dati relativi a tale stazione, presentati nel lavoro di Li et al. (2008) ma relativi a dati di concentrazione degli anni ‘90, sono presentati in figura 3.4.14; in particolare la figura presenta dati sperimentali di concentrazione atmosferica (asterischi) e i dati ottenuti dal modello di Li et al. (2008) per la ricostruzione dei pattern di polveri all’interno del continente Antartico.

E’ interessante notare come il modello fornisca informazioni in buon accordo con i dati relativi al periodo centrale dell’anno, mentre fallisce nella ricostruzione delle concentrazioni di polveri nel periodo Ottobre-Febbraio, evidenziando la difficoltà degli attuali modelli di circolazione nel ricostruire le dinamiche delle polveri minerali in Antartide (a causa, soprattutto, della scarsità di dati a disposizione). Inoltre i dati relativi al periodo Ottobre-Febbraio a Mawson mostrano un’elevata variabilità, indicativa, probabilmente, del fatto che il periodo è caratterizzato dall’arrivo al sito di campionamento di eventi discreti di masse d’aria cariche di polveri minerali.

I risultati relativi ai campionamenti effettuati nella stazione di Mawson sono in buon accordo con quelli ottenuti a Dome Concordia, con l’eccezione dei bassi livelli di concentrazione da noi misurati in Gennaio e Febbraio; in particolare è interessante notare come i due siti mostrino netti aumenti di concentrazione nel periodo estivo australe. Tale dato è consistente con i periodi di massima attività di emissione e trasporto di polvere sia dalla sorgente Sud Americana (Gassò and Stein, 2007) che della sorgente Australiana (Revel-Rolland et al., 2006).

Un altro interessante dato si può ottenere dal confronto delle concentrazioni assolute nei due siti Antartici. Le concentrazioni atmosferiche di polveri a Mawson variano fra un

minimo di circa 30-40 ng m-3 nei periodi centrali dell’anno fino a valori medi di circa 250 ng m-3; come presentato in figura 3.4.15, tali valori sono fra i più bassi dell’intero pianeta, fino a circa 4 ordini di grandezza inferiori rispetto ai valori massimi caratteristici di zone quali le estese aree desertiche dell’Emisfero Nord (deserti del Sahara e del Gobi) o l’Outback Australiano.

I dati di concentrazione di polveri a Dome Concordia variano invece fra un minimo di 0.2 ad un massimo di circa 1.2 ng m-3, cioè 2 ordini di grandezza inferiori rispetto ai valori di concentrazione misurati sulla costa antartica e circa 6 ordini di grandezza inferiori rispetto alle aree continentali desertiche, evidenziando le dinamiche selettive di circolazione atmosferica al trasporto meridionale delle masse di aerosol minerale verso il Plateau Antartico. Questi primi dati di carico atmosferico di polveri nel Plateau Antartico costituiscono dei preziosi input per i modelli di ricostruzione dei pattern di distribuzione delle polveri a livello globale, nonché per l’interpretazione delle paleo- informazioni provenienti dall’analisi delle carote di ghiaccio, in quanto costituiscono l’estremo inferiore dei dati sperimentali attualmente a disposizione.