Paolo Bonasoni Consiglio Nazionale delle Ricerche

Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima

VII Convegno Nazionale sul Particolato Atmosferico PM 2018 Matera 23 Maggio 2018

CLIMA E QUALITÀ DELL’ARIA:

UN GIOCO DI PROSPETTIVA … D’ALTA QUOTA

Sentiero dell’Atmosfera

LLCF - SLCF/P CO2 O3 BC

Clima & Qualità dell’Aria: 2 facce stessa medaglia

Ondate di calore

Po Valley ACTRIS-2 campaign 2017

ABC Himalaya

NCO-P GAW Global Station

Oetzi

Long Range Transports BB – BC – O3 - Dust

High Mountain Stations Mt Cimone

GAW Global Station

Le Infrastrutture di Ricerca per lo studio delle condizioni di fondo dell’atmosfera rappresentano una risorsa per ricercatori e scienziati coinvolti nel campo delle scienze dell’atmosfera, dell’ambiente e del clima.

Le Infrastrutture in aree montane spesso rivestono grande interesse turistico: esse possono assumere il ruolo di luoghi privilegiati per lo scambio di informazioni fra comunità scientifica, pubblici amministratori, studenti e turisti.

Infrastrutture di Ricerca - Scienza - Educazione ambientale - Turismo

Italian Climate Observatory WMO-GAW Global Station

The highest peak of the Northern Apennines.

Completely free horizon 360°

Usually above PBL

44.0N, 10.7E, 2165 m a.s.l.

Il laboratorio di Mt. Cimone

• a sud-est il Terminillo

• a sud-ovest, in Corsica, il Mt.Quercitella

• a est il Mt. Nevoso in Istria

• a ovest il Monviso • a nord le Alpi Bernesi

è un occhio che, dalle Alpi al Mar

Mediterraneo, può arrivare a vedere:

è un naso sulla pianura padana,

Carta del grande orizzonte (A. Galassini, C.A.I. Modena, 1936)

I 4/10 della superficie d’Italia

Short-lived climate forcers (SLCF)

Clima e qualità dell’aria: due facce della stessa medaglia

Osservazioni di lungo periodo a Monte Cimone

Apennines: CMN Alps: JUN, SON Mediterranean basin: KVC and GLH

O3: andamento annual a Mt. CIMONE e in altre stazioni di fondo WMO/GAW

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All year Winter Summer Transition

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All data Air motion ZUG to MTC

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11-day moving averages, Mt.Cimone and Zugspitze, 1996-1998

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O3

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]

ZUG98

MTC98

ZUG

MTC

per le due stazioni.

A CMN è stato riscontrato un incremento netto di ozono di 5.9 ppb per l’estate e di 3.8 ppb per i mesi di transizione.

O3: contributo antropico della pianura padana

CMN

KVC

JUN SON

GLH

Ondata di calore 2003: 8-18 giugno Mt. Cimone, Modena, Milano, Aosta: ozono

Mt. Cimone 1996-2006 ondate di calore: BC and O3

O§ e BC: Estate «tipica» vs Ondate di calore

Variazioni di O§ e BC durante eventi di ondate di calore

WMO - Identificazione Ondate di calore: un periodo di almeno 6 gg con valori max giornalieri di T> 5°C sopra il valore max del CliNo (Climate Normal, in questo studio 1971-2000)

E. Andrews, J. Ogren et al., Atmospheric Research 102 (2011)

Mountains as «platform»: monthly climatology of aerosol light absorption at mountain sites

Surface ozone, black carbon

Himalaya: Long-range transport of dust and pollution during summer Monsoon break Nepal Climate Observatory – Pyramid, 12 – 22 June 2006

Northern - Southern Himalaya stations: DAILY RAINFALL June-July 2006

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2006

mm

Xigaze Tingri Lhasa NCO-P

Una campagna di misura estiva, quando l’export di inquinanti verso la libera troposfera è più attivo. Misura di BC/EC/EqBC con diverse metodologie per:

• Identificare le sorgenti, • Studiare la distribuzione

verticale nel periodo estivo • Definire caratteristiche

ottiche dell’aerosol (SSA, Å exponent…)

3 siti di misura: • SITO MONTANO MAAP, AE31, CAPS, PAS, NEPH 3λ, Sunphot. (PFR) • SITO URBANO PSAP, SP2, Neph 3λ, Sunphotometer (MFR7), LIDAR • SITO RURALE MAAP, AE31, Neph 1 λ, Sunphotometer (PREDE) inoltre: PSI MOSQUITA VAN, ultra-light aircraft from GreenLight, Synergy with EMeRGe project and HALO aircraft.

July 2017: MONTE CIMONE ACTRIS- -2 campaign – WP11 Absorbing aerosol studies in the Po Basin and its export to the free troposphere

TNA

TNA

48 researchers 17 INSTITUTIONS INVOLVED 5 TNA applications

CNR-ISAC Institute of Atmospheric Sciences and Climate http://www.isac.cnr.it/en

ARPAE Environmental Agency EMILIA ROMAGNA https://arpae.it/

NCSR Demokritos NATIONAL CENTER FOR SCIENTIFIC RESEARCH "DEMOKRITOS"

http://www.demokritos.gr/?lang=en

PSI Paul Sherer Institute http://www.psi.ch

JRC – Ispra Joint Research Center https://ec.europa.eu/jrc/en

Aerosol d.o.o Aerosol d.o.o. http://www.aerosol.si/

IGE Institut de Géosciences de l’Environnement http://www.ige-grenoble.fr/?lang=fr

FMI Finnish Meteorological Institute http://en.ilmatieteenlaitos.fi/

MTU Michigan Technological University http://www.mtu.edu/

FTMC Center for Physical Sciences and Technology Vilnius

http://www.ftmc.lt/en

AERODYNE Aerodyne Research http://www.aerodyne.com/index.phpa>

UNIMI Milano University, Physics Department http://ambiente.fisica.unimi.it/

DISAT Milano Bicocca University, Environmental Science Department

http://www.disat.unimib.it/

CeSMA Università degli Studi di Napoli Federico II, Centro di Servizi Metrologici Avanzati

https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-

ALA ALA Advanced LIDAR Applications S.r.l. http://www.alasystems.it/home-it/

CNR-ICMATE Institute of Condensed Matter Chemistry and Technologies for Energy

http://www.icmate.cnr.it/en/

CNR - IMAA Institute of Methodologies for Environmental Analysis

http://www.imaa.cnr.it/en

http://www.isac.cnr.it/enhttps://arpae.it/http://www.demokritos.gr/?lang=enhttp://www.psi.ch/https://ec.europa.eu/jrc/enhttp://www.aerosol.si/http://www.ige-grenoble.fr/?lang=frhttp://www.ige-grenoble.fr/?lang=frhttp://www.ige-grenoble.fr/?lang=frhttp://en.ilmatieteenlaitos.fi/http://www.mtu.edu/http://www.ftmc.lt/enhttp://www.aerodyne.com/index.phphttp://www.aerodyne.com/index.phphttp://ambiente.fisica.unimi.it/http://www.disat.unimib.it/https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-https://www.unina.it/-/768495-centro-di-servizi-metrologici-avanzati-cesma-http://www.alasystems.it/home-it/http://www.alasystems.it/home-it/http://www.alasystems.it/home-it/http://www.icmate.cnr.it/en/http://www.isac.cnr.it/en

July, 20 2017 Aircraft measurements

The ultra-light aircraft from GreenLight (http://www.worldgreenflight.com/)

have flew over Po Valley, equipped with

Synergy with EMeRGe project Effect of Megacities on the transport and transformation of pollutants on the Regional and Global scales.

The second HALO aircraft flight over Italy took off at 9UTC from Germany to enable flight downwind of the Po Valley in the late morning and in the afternoon over Rome. The flight measurements are focused on catching the outflow of pollution from the polluted areas of Po Valley and Rome.

instrument for equivalent black carbon (AE33) and carbon dioxide concentration, completing three vertical profiles over the three sites of the campaign: S. Pietro Capofiume, Bologna and Mt. Cimone.

http://www.worldgreenflight.com/

BC measurements from GreenLight Ljubljana-Cimone and vertical profiles over SCP and CMN

July, 20 2017 11AM

PRELIMINARY RESULTS: BC from MAAP measurements over 3 sites

29 June – 3 August 2017

Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima – ISAC CNR

Clima e qualità dell’aria: due facce della stessa medaglia

Processi antropici e naturali modificano la composizione dell’atmosfera - dove diversi composti inquinanti sono anche clima-alteranti - e il suo bilancio radiativo, influenzando clima e qualità dell’aria: l’inquinamento atmosferico risulta responsabile di oltre 530.000 morti premature in Europa, oltre 60.000 in Italia (EEA, 2017).

Osservazioni pluriennali condotte a Mt. Cimone hanno evidenziato trend in diminuzione di alcuni composti organici volatili, di BC ed O3.

Nel periodo estivo, favorevoli condizioni meteo esportano l’inquinamento in libera troposfera.

Durante il periodo invernale, concentrazioni di BC misurate a Mt. Cimone ed a Bologna (SuperSito) mostrano come l’inquinamento rimane confinato nei bassi strati della Pianura Padana.

Mt. Cimone BLACK CARBON

Novembre 2015Bologna

Novembre 2015 – Dicembre 2017

Trasporto di masse d’aria inquinate dal Nord Africa e dalla pianura Padana

vs Mt. Cimone: dust, biomass burning, PBL pollutants

Long term study of Saharan Dust Transport Events at the Mt. Cimone Observatory Aerosol-ozone correlations during dust transport episodes 2002-2016

Putero et al. Aerosol properties characterization at Mt. Cimone during and out of mineral dust transport events. PM2018

228 DTEs: 49% of the DTEs lasted 1 d 22% lasted 2 d 29% lasted more than 3 d.

“Surface O3 was lower in air masses coming from north Africa:

when these air masses were also rich in coarse particles, the lowest O3 was registered”

• Uptake of O3 on dust particle surface (Zhang et al., 1994; Hanisch and Crowley, 2003). • HNO3 and NO3 depletion on dust particulate can remove a fraction of O3 precursors (i.e. nitrogen oxides), He and Carmichael,1999. • Possible effect on photochemistry (Ndour et al., 2008)

Bonasoni et al., ACP, 2004

Marzo 1991: grande trasporto di dust dal Sahara vs Mt. Cimone, Alpi, centro Europa fino alla Svezia.

Bonasoni P. et al. Effect of Saharan dust transport on ozone and carbon dioxide concentration

The total area affected in these northernmost parts was at least 320 000 km2 and the total amount of dust deposited in this region was estimated at approximately 50000 tonnes.

Ötzi, l’uomo del Similaun, fu ritrovato

il 19 settembre del 1991

nei pressi sul ghiacciaio del Similaun

in Val Venosta.

Lat. N 27°57' Lon. E 86°48'

Nepal Climate Observatory @ Pyramid NCO-P

Khumbu Valley (Nepal), 5079 m a.s.l.

Images of the Himalayan Khumbu valley (with the Khumbu glacier in foreground) from NCO-P on 7 April 2010.

Evidences of polluted air-mass transport to Himalayas Atmospheric Brown Cloud

Morning pre-monsoon background conditions

High Himalayas

During April 2010, the circulation of valley winds have favoured the transport of large amounts of BC, PM and O3 to NCO-P, leading to high concentrations of pollutants during the afternoon-evening hours.

The morning image (A) reveals the pre-monsoon background conditions, while the thick haze is clearly discernible by images during afternoon conditions (B), attesting to the extension of the ABC and its influence in reducing visibility in the high Himalayas.

(from the UNEP Black Carbon e-bulletin, Volume 2, Number 2, June 2010)

Afternoon polluted “ABC” conditions

7 April 2010, 10.46 NST

7 April 2010, 16.46 NST

Himalaya APRIL 2010 ACUTE POLLUTION EPISODE

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ng

m-3

Putero D., Influence of open vegetation fires on black carbon and ozone variability in the southern Himalayas (NCO-P, 5079 m a.s.l.) Environmental Pollution 184, 2014

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

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Summer monsoon Data avallabile @ GAW/WDCGG and GAW/WDCA-EBAS

Variability of BC and surface ozone

Winter season

Himalaya (Nepal)

April 2009

Po Valley (Italy)

Summer 2006

Atmospheric Brown Clouds and Black carbon

Mt.Cimone

NCO-P

Black Carbon

Atmospheric background conditions and tropospheric composition

A. Marinin et al.

• “Acute” pollution events: 156 days, 9.1% of the entire data-set • The pre- monsoon is the season the most affected by these events • Dramatic BC (+352%)* increases and high O3 (+29%)* enhancement (*with respect to the remaining days)

Atmospheric Brown Cloud in the Himalayas

5-year of O3 and BC at the NCO-P

Aerosol concentrations are driven by intense ultrafine particle events occurring on >35% of the days at the interface between clean tropospheric air and the more polluted air rising from the valleys.

We observed significant increase of ion cluster concentrations with the onset of new particle formation events. The ion clusters rapidly grew to a 10-nm size within a few hours, confirming in situ nucleation.

The initiation of the new particle events coincides with the shift from free tropospheric downslope winds to thermal upslope winds from the valley in the morning hours.

The new particle formation events represent a very significant additional source of particles possibly injected into the free troposphere by thermal winds.

High frequency new particle formation in the Himalayas role of thermal wind circulation

H: Venzac et al.: High frequency new particle formation in the Himalayas PNAS Oct.14, 2008, vol.105, n.41,

Clima e Qualità dell’Aria sono due facce della stessa medaglia: i principali gas serra provengono in realtà dalle stesse sorgenti degli inquinanti atmosferici .

Per troppo tempo sono state trattate separatamente: è necessaria una strategia di riduzione coordinata per contribuire in modo efficace a garantire benefici in entrambi i settori.

Il crescente interesse in politiche per il controllo della qualità dell’aria, della salute e del cambiamento climatico deve fare leva sulla riduzione dei SLCF Short-Lived Climate Pollutants/Forcers, oggetto di un prossimo capitolo del VI Assestment Report IPCC (2022).

Lo sviluppo delle IR in alta quota ed i legami col mondo dell’educazione e del turismo rappresentano una tappa importante verso una corretta informazione climatica ed una migliore integrazione della ricerca scientifica con la società civile.

CONCLUSIONI

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11-day moving averages, Mt.Cimone and Zugspitze, 1996-1998

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30

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Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

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O3

[p

pb

]

ZUG98

MTC98

O3: contributo antropico della pianura padana

ZUG

MTC

Sono stati

analizzati I

dati di ozono

relative a

masse d’aria

che hanno

attraversato

la pianura

padana

passando per le due stazioni.

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4

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8

10

All year Winter Summer Transition

O3 d

iffe

ren

ce [

pp

b]

All data Air motion ZUG to MTC

Considerando la differenza

riscontrata nei mesi invernali

come una differenza di fondo

fra MTC e ZUG, a MTC è stato

riscontrato un incremento netto

di ozono di 5.9 ppb per l’estate

e di 3.8 ppb per i mesi di

transizione. Differenza esistente tra le

concentrazioni medie di O3 misurate

a Mt. Cimone e Zugspitze

Islanda: Eruzione Agosto 2014 vulcano Bardarbunga riprende intensa attività

Northern - Southern Himalaya stations: DAILY RAINFALL June-July 2006

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mm

Xigaze Tingri Lhasa NCO-P

Inquinamento INDOOR Valle del Khumbu