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AREE TEMATICHE

Le attività di ricerca dell'ISP si svolgono, anche se non esclusivamente, in Antartide e in Artico dove neve e ghiaccio sono l’aspetto dominante del paesaggio. Queste regioni, più di altre, risentono dei cambiamenti climatici in atto: conoscere al meglio la storia del nostro pianeta al fine di comprendere come le attività umane, dalle origini delle prime civiltà fino ai giorni nostri, abbiano influenzato gli ecosistemi, interagendo e modificando anche i delicati equilibri che governano il sistema climatico terrestre, è la sfida che abbiamo di fronte. La storia racchiusa e conservata nel ghiaccio e, andando ancora più indietro nel tempo, nei sedimenti, anche in tempi precedenti alla comparsa dell’uomo, è un tema importante affrontato dai ricercatori dell’ISP.

Testimoni, spesso muti, di questi cambiamenti sono anche le comunità biologiche polari: su di loro l’impatto antropico può essere devastante. Diventa fondamentale migliorare le nostre conoscenze sul loro stato attuale per poterne comprendere l’evoluzione anche in vista di future missioni di ricerca nello spazio. Infatti, alcuni habitat polari rappresentano un importante laboratorio terrestre per studi astrobiologici.

Tutte queste attività, e molte altre, vengono approfondite nelle aree tematiche che caratterizzano l’istituto.

Area Tematica 3 - CAMBIAMENTI dei SISTEMI POLARI

Cambiamenti ed evoluzione dei sistemi polari: processi, meccanismi di feedback ed interazioni a scala globale

Il sistema Terra è altamente interconnesso. Le attività di ricerca dell’area tematica sono finalizzate ad approfondire la conoscenza dei processi e delle interazioni tra le diverse componenti del sistema climatico e a valutarne le risposte ai cambiamenti globali. Una comprensione più solida ed olistica del sistema polare è necessaria per orientare le future decisioni di politica climatica.
Lo studio delle caratteristiche dell’atmosfera polare è fondamentale per poter studiare i cicli biogeochimici di specie chimiche naturali, i processi di trasporto a lunga distanza degli inquinanti e dei composti clima-alteranti e i meccanismi di feedback innescati dal riscaldamento atmosferico e dall’interazione dell’atmosfera con la criosfera e gli oceani.
La criosfera costituisce una porzione alquanto fragile del sistema Terra, resa ancora più vulnerabile dai cambiamenti climatici. Lo studio di neve e ghiaccio, della loro composizione chimica, della loro estensione reale, nonché dei principali parametri fisici, dell’evoluzione del permafrost e l’impatto che la crescente degradazione ha su atmosfera, biosfera e idrosfera sia a livello regionale che globale viene portato avanti con attività di ricerca multidisciplinari ed interconnesse.
L’idrosfera è in gran parte costituita dagli oceani che influenzano il sistema Terra in tutte le aree, immagazzinando e ridistribuendo acqua dolce, calore, gas clima-alteranti e altre sostanze particolate e disciolte. Le ricerche oceanografiche supportano previsioni più accurate sugli impatti globali grazie allo studio delle proprietà chimico-fisiche dei mari e degli oceani, dei loro movimenti, degli scambi energetici con l’atmosfera, degli organismi che vi vivono e la struttura geologica dei bacini oceanici. Gli ambienti limnologici polari sono studiati sia per essere sentinelle per i cambiamenti climatici sia per lo studio delle risposte delle loro corte reti trofiche ai cambiamenti stessi, incluse le perturbazioni antropiche.
Gli ecosistemi polari sono un'importante riserva di risorse naturali e possono in parte mitigare gli effetti dei cambiamenti climatici da cui sono minacciati oggigiorno. Lo studio della biodiversità e della resilienza ai cambiamenti globali con un approccio ecosistemico, che integri l'influenza dei fattori ambientali, le relazioni interspecifiche a livello di comunità e gli aspetti socio-economici è una sfida per una gestione efficace e sostenibile delle risorse naturali.

Principali settori ERC:
• LS8 - Ecology, Evolution and Environmental Biology
• PE4 - Physical and Analytical Chemical Sciences
• PE10 - Earth System Science
• SH2 - Institutions, Values, Environment and Space
• SH7 - Human Mobility, Environment, and Space

Referenti: Nicoletta Ademollo, Maurizio Azzaro, Fabiana Corami, Federico Giglio e Stefania Gilardoni

Contatto: info-polarchanges AT isp.cnr.it

Sottotematiche

Atmosfera

L’atmosfera come matrice ambientale si rivela mezzo di rapida dispersione globale dei composti clima-alteranti e degli inquinanti. Grazie alle sue caratteristiche di stabilità ed inversione termica e alla presenza del vortice polare, l’atmosfera polare è l’osservatorio ideale per poter valutare gli scambi di energia e le interazioni di vari fenomeni con la circolazione atmosferica, anche a differenti scale spazio-temporali, i trasporti verso le alte latitudini, la composizione dell’aerosol e i cicli biogeochimici delle specie chimiche naturali ed inquinanti presenti. L’atmosfera è caratterizzata da diversi composti; tra questi hanno rilevante interesse i composti clima-alteranti, ovvero i gas serra che incidono sul bilancio energetico e termico della Terra e gli aerosol atmosferici.
Gli aerosol atmosferici hanno un ruolo chiave nei cambiamenti climatici indotti dall’uomo poiché influenzano il bilancio radiativo del pianeta (assorbimento e scattering della radiazione solare e l’albedo superficiale) e la formazione e proprietà delle nubi. In particolare, gli aerosol atmosferici influenzano ed amplificano i cambiamenti climatici. Il particolato atmosferico è costituito da particelle di origine naturale (eruzioni vulcaniche, incendi, emissioni oceaniche, risospensione delle polveri del suolo) e da particelle di origine antropica (emissioni industriali, processi di combustione, micro e nanoplastiche). È ’quindi fondamentale individuare traccianti chimici, biochimici e biologici per studiare l’origine e la composizione degli aerosol polari e comprenderne i feedback climatici. Sebbene presenti in tracce, composti organici, black carbon, sea salt e microplastiche (< 100 µm) possono agire da nuclei di condensazione delle nubi, influenzando così l’albedo e le precipitazioni, nonché il bilancio della radiazione e il clima. Black carbon, microplastiche e polveri (dust) potrebbero inoltre agire come ice nucleating particles. La presenza di queste particelle in atmosfera e nel ghiaccio marino ha non soltanto un impatto sull’albedo, ma può anche alterare la permeabilità del ghiaccio marino e l'assorbimento della radiazione solare con un feedback sulla fusione dei ghiacci marini. In un’area polare in rapida evoluzione come l’Artico, l’inquinamento da microplastiche si aggiunge agli effetti del cambiamento climatico in termini di fonti, processi di trasporto, feedback e conseguenze ecologiche. Altri stressori presenti negli aerosol atmosferici possono essere i composti organici mediamente volatili, i composti idrosolubili, i composti fenolici e gli elementi in traccia.
La presenza di stressori chimici influenza le dinamiche fisiche dell’atmosfera, principalmente attraverso l’interazione con la radiazione sia solare che terrestre, contribuendo ad amplificare l’aumento della temperatura dell’aria, che a sua volta ha un impatto sullo scioglimento del ghiaccio marino, sull’umidità, sulla nuvolosità e sulle precipitazioni, influenzando significativamente il sistema climatico. Il monitoraggio dei parametri e dei processi fisici e delle dinamiche dell’atmosfera, attraverso l’utilizzo di diverse metodologie di misura (compreso il telerilevamento), è fondamentale per l’approfondita comprensione delle sinergie tra le varie componenti e per sviluppare dei modelli previsionali meteo-climatici sempre più efficienti. Per migliorare la qualità dei risultati dei modelli di previsione meteorologici e climatici è necessario studiare approfonditamente tutti i processi che caratterizzano lo strato limite atmosferico.

Biosfera

I cambiamenti globali sono gli effetti delle interazioni tra i diversi fenomeni e cambiamenti che stanno avvenendo su scala planetaria; dal riscaldamento globale ai cambiamenti del clima, dall’aumento dell’anidride carbonica all’acidificazione delle piogge e degli oceani, dalla fusione e ritiro dei ghiacciai, allo scongelamento del permafrost, all’innalzamento del livello del mare e ai cambiamenti della circolazione marina e oceanica, agli eventi meteorologici estremi. A tutto ciò si aggiungono i residui delle attività antropiche contaminanti e inquinanti che accelerano i processi distruttivi. Queste mutue interazioni hanno un impatto in entrambe le regioni polari determinando cambiamenti drammatici nel comportamento e nella fisiologia delle specie, negli ecosistemi e nella biodiversità. Le regioni polari hanno enormi risorse naturali e forniscono ad esempio alcune delle attività di pesca più produttive del pianeta. Tuttavia, gli ambienti e gli ecosistemi polari sono fragili e vulnerabili. La nostra ricerca si concentra sulla comprensione degli effetti del cambiamento sugli ecosistemi con una visione olistica: dalle comunità microbiche agli organismi superiori con una visione sia locale che circumpolare.
In questa area tematica, con un approccio fortemente multidisciplinare, si considerano diversi aspetti degli ecosistemi polari (sia artici che antartici) e dei servizi che essi forniscono: dall'impatto delle pressioni naturali e antropiche sugli ecosistemi polari sia marini che terrestri, alla capacità delle specie e degli ecosistemi di rispondere a questi cambiamenti.
La comprensione degli ecosistemi polari attraverso lo studio della biodiversità e della resilienza ai cambiamenti ambientali è fondamentale per sviluppare strategie di conservazione e gestione incentrate sugli ecosistemi e la loro salvaguardia. Nello specifico i temi trattati sono:
• struttura e funzionamento degli ecosistemi polari.
• Risposte degli ecosistemi alle forzanti naturali e antropiche.
• Influenza dei cambiamenti climatici sui livelli di inquinanti nel biota e nelle reti trofiche.
• Modellizzazione degli ecosistemi anche alla luce dei cambiamenti futuri.
• Ruolo delle aree protette in zone polari.

Principali settori ERC:
• LS8 - Ecology, Evolution and Environmental Biology
• PE4 - Physical and Analytical Chemical Sciences
• PE10 - Earth System Science

Criosfera

La fusione delle calotte glaciali e dei ghiacciai in generale, il conseguente cambiamento del livello del mare, il collasso delle piattaforme glaciali sottolineano come questa parte della criosfera sia una porzione fragile del sistema Terra. I ghiacciai sono archivi climatici unici. Le carote di ghiaccio, prelevate sia da aree polari che da ghiacciai alle medie latitudini, costituiscono un archivio climatico e consentono di valutare l’impatto sul clima del nostro pianete di differente forzanti quali le emissioni di vulcani e da incendi, il ghiaccio marino, la produttività oceanica e la pressione antropica. La risposta dei ghiacciai, ed in particolare quelli di tipo alpino e non collegati alle grandi calotte, dipende dall’evoluzione della Equilibrium Line Altitude (ELA). Oltre che da fattori locali, la ELA dipende principalmente dai parametri climatici e modula le variazioni areali dei bacini di accumulo glacio-nivali. La ELA rappresenta uno strumento molto potente per la ricostruzione delle masse glaciali sia in chiave paleoclimatica sia di proiezione futura. Ulteriori elementi diagnostici sono forniti dagli archivi climatici marini che permettono le ricostruzioni climatiche e di specifiche componenti del sistema terra.
La neve, influenza il bilancio di massa dei ghiacciai e delle calotte polari, riflette la composizione chimica atmosferica ed interagisce in modo dinamico con tutte le altre componenti ambientali delle regioni polari. La neve è una porzione della criosfera estremamente reattiva dove molteplici processi post-deposizionali possono avvenire. Lo studio del manto nevoso è fondamentale per comprendere i processi, le interazioni ed i cambiamenti che esso stesso subisce a seguito del cambiamento climatico e per valutare le ricadute sul sistema globale. È inoltre importante per la comprensione dei meccanismi di rilascio di composti accumulatisi durante la notte polare e l’impatto non trascurabile che tale rilascio può avere sui cicli bio-geochimici polari. Le dinamiche nivali possono essere influenzate inoltre dalla presenza di particelle assorbenti depositate dall’atmosfera, o riemerse dalla fusione stagionale. Questo processo ha un effetto diretto sulla riflettività della neve e ha un impatto sull’idrologia superficiale di aree coperte da neve e ghiaccio.
Il permafrost immagazzina grandi quantità di carbonio organico (OC) e gas serra. L'aumento della temperatura, dovuto ai cambiamenti climatici causa la degradazione di rilevanti porzioni di permafrost, evidenziabile con l’approfondimento dello strato attivo superficiale, rendendo di fatto disponibile alla decomposizione microbica il contenuto di OC immagazzinato. I processi metabolici e la degradazione dei terreni congelati possono liberare in atmosfera rilevanti quantità di gas serra, quali anidride carbonica e metano, contribuendo ad un ulteriore riscaldamento atmosferico. L'estensione, la velocità di scongelamento, la variabilità spaziale di questi processi rappresentano una delle principali incognite nella previsione dei feedback climatici. Inoltre, virus e batteri nel permafrost potrebbero essere riattivati e messe in circolo nelle reti trofiche. I rischi legati alla degradazione del permafrost in roccia negli ambienti montani, sia di tipo alpino sia polare, così come quelli derivanti dalla crescente contrazione della criosfera ipogea, rappresentano inoltre nuove sfide da affrontare nel prossimo futuro. Infine, il permafrost sottomarino, formatosi durante l'ultima era glaciale, rappresenta un fattore molto importante per la stabilità/instabilità delle zone costiere e delle strutture fondate sul fondo del mare.
La ricerca dell’Istituto di Scienze Polari studia, con approccio multidisciplinare, neve e ghiaccio, la loro composizione chimica nonché i principali parametri fisici, l’evoluzione del permafrost e l’impatto che la sua degradazione ha su atmosfera, biosfera e idrosfera sia a livello regionale sia globale.

Idrosfera

La gran parte dell’acqua dell’idrosfera è contenuta negli oceani e le correnti oceaniche sono il sistema più efficiente nella distribuzione di calore sulla Terra. In questo senso gli oceani ed i movimenti delle masse d’acqua risultano essere uno dei principali fattori nel controllo del clima globale. Nelle aree polari avvengono i principali meccanismi di scambio di calore con l’atmosfera per questo gli studi nell’idrosfera in aree di alta latitudine assumono straordinaria importanza nella comprensione del global change. L’arretramento verso Sud dei grandi Fronti chimico-fisici (i.e. Polar Front, sub Antarctic front, etc...) individuati dall’incontro delle diverse masse d’acqua in Antartide e l’aumento consistente del fenomeno artico noto come atlantificazione sono alcuni esempi di processi che meglio descrivono come il global warming stia agendo sugli ambienti marini Polari.
Le correnti oceaniche nel controllare le dinamiche climatiche Terrestri agiscono sia attraverso meccanismi globali principalmente legati, come precedentemente descritto, all’efficienza del trasporto di calore dalle aree equatoriali verso le altre latitudini ma anche mediante processi a carattere regionale con impatti localmente molto importanti. Alle masse d’acqua oceaniche è stato attribuito un ruolo significativo nello scioglimento dei grandi ghiacciai polari ed in particolare nell’accelerare il processo di disgregazione delle grandi calotte glaciali sia Artiche che Antartiche. La stabilità di tali calotte rimane, a tutt’oggi, uno dei requisiti fondamentali per mantenere lo stato termico della Terra ad un equilibrio accettabile.
Le correnti marine trasportano, oltre che energia sotto forma di calore, sostanze disciolte, gas e particelle insolute che influenzano significativamente la composizione stessa delle acque e, da ultimo, il clima terrestre. Lo studio della geochimica delle masse d’acqua polari, in particolare attraverso l’acquisizione di lunghe serie temporali di dati, consente di valutare i rapporti che intercorrono fra le diverse masse d’acqua (di neoformazione e/o acque “vecchie” provenienti da latitudini più basse), di comprendere i processi in atto e di fornire i dati necessari alla formulazione e all’implementazione di modelli che consentiranno di comprendere l’interazione delle diverse masse d’acqua e, più in generale, l’evoluzione del sistema climatico terrestre. Le correnti oceaniche trasportano nel loro carico sospeso quantità, a tutt’oggi non a pieno quantificate, di inquinanti e microplastiche che impattano in maniera importante sugli ecosistemi polari.
I cambiamenti nella composizione delle acque polari che stanno rapidamente avvenendo in seguito ai processi legati al global change producono un forte impatto anche sul comparto biotico presente nelle acque del mare. La variazione della composizione delle masse d’acqua comporta anche modifiche degli apporti di ossigeno e nutrienti influenzando in questo modo le componenti biologiche marine. La lunga notte polare condiziona fortemente la vita sotto il ghiaccio marino stagionale specialmente in termini di flussi di materia a disposizione della rete trofica marina. I bacini marini sono inoltre ricettori ultimi di tutto il particolato detritico ed organico dilavato dal continente. Lungo la colonna d’acqua precipita con continuità un flusso di materiale di origine continentale insieme ai residui di sostanza organica originatesi dalla produttività primaria proveniente dallo strato fotico.
La parte di acqua dolce libera facente parte dell’idrosfera è una parte minima ma fondamentale per lo sviluppo della vegetazione nel suolo e che quindi favorisce il trasferimento del carbonio lungo la rete trofica. I cambiamenti climatici attuali ne stanno favorendo sempre più la circolazione nello strato attivo del permafrost. A questa acqua si aggiunge quella dei fiumi che in Artide sono dei veicoli importanti di sostanze biotiche ed abiotiche verso il mare, inclusi gli inquinanti. I laghi polari sono dei luoghi di confine terrestre per specie acquatiche, il cui rigoglio è generalmente inversamente proporzionale all’altezza dal livello del mare ed alla prossimità dai ghiacciai ed in cui le specie avicole sono dei vettori importanti per quanto riguarda le sostanze nutritive.

Litosfera

Le porzioni della litosfera più soggette ai cambiamenti in tempi relativamente rapidi sono quelle più superficiali della crosta continentale ed oceanica nella sua parte più costiera. In queste aree non a caso definite come Critical Zones avvengono i principali processi di interazione con tutti gli altri comparti ambientali. Le dinamiche terrestri si esprimono attraverso i due principali processi di erosione e sedimentazione. Nelle aree polari, ed in particolare in Artide, questi processi sono particolarmente rilevanti visto che l’arretramento dei ghiacciai e il riscaldamento del suolo favoriscono l’azione erosiva delle piogge con conseguente dilavamento di grandi quantità di suolo eroso verso il mare. Molto di questo materiale particolato, la cui composizione è direttamente legata alle caratteristiche dell’ambiente circostante, si deposita sul fondo del mare in strati continui per migliaia o milioni di anni. Per questo le carote di sedimento marino prelevate nei mari polari sono un archivio ambientale molto importante, nel quale sono registrati i principali eventi climatici recenti e del passato geologico. Attraverso lo studio di questi archivi è possibile valutare l’impatto che le forzanti naturali hanno avuto e potranno avere sull’evoluzione climatica del nostro pianeta.
Altro fenomeno importante è la degradazione del permafrost dovuta al riscaldamento climatico ed il conseguente rilascio di grandi quantità di gas a effetto serra come metano ed anidride carbonica. L’importanza di questo fenomeno è dovuta all’immensa quantità di gas clima-alteranti immagazzinata in questi serbatoi la cui degradazione libererebbe concentrazione di gas serra che non avrebbero uguali nell’era recente della storia della Terra. Questa messa in circolo di una così grande quantità di gas serra inevitabilmente impatta con feedback negativi verso le altre sfere del Sistema Terra e con riflessi catastrofici in particolare sul fragile equilibrio della biosfera. In questo contesto lo studio dei processi chiave che avvengono nella Critical Zone sono fondamentali per comprendere l’evoluzione dei cambiamenti a cui sono soggette le aree polari. Inoltre, la riduzione del permafrost da un lato porta all’allargamento dello spessore dello strato attivo e dall’altro potrebbe portare in circolo microorganismi che prima erano segregati. Tale risorsa biologica è una riserva genetica di studio anche a fini biotecnologici, ma è anche un potenziale serbatoio di patogeni finora sconosciuti.
Le modificazioni della litosfera causate dal cambiamento climatico possono influenzare il trasporto degli inquinanti verso gli strati più profondi dei suoli polari. Nella porzione di litosfera relativa al Plasticene, le particelle di plastica potrebbero favorire il disgelo di porzioni sempre più profonde del permafrost, variando le dinamiche di destino ambientale degli inquinanti.
Per quanto concerne le porzioni più profonde della litosfera, le attività di ricerca sono focalizzate più agli effetti più superficiali evidenziati dalla presenza di hydrothermal vents in mare e/o altri fenomeni di geo-termalismo presenti nella litosfera in aree polari.

Area Tematica 2 - PALEOCLIMA e PALEOAMBIENTI

L'Anthropocene è un'unità di tempo geologica nuova, sebbene non ufficiale, usata per descrivere il periodo più recente nella storia della Terra, quando l'attività umana ha iniziato ad avere un impatto significativo sul clima e sugli ecosistemi del pianeta. l'Antropocene è anche un periodo caratterizzato da un livello tecnologico senza precedenti che ci consente di misurare variabili essenziali del sistema climatico (ECV) ad alta risoluzione temporale (e.g. satelliti) e di prevedere scenari climatici futuri utilizzando supercomputer all'avanguardia basati sugli Shared Socioeconomic Pathways (SSPs). Tuttavia, le misure strumentali esistono solo dalla metà del XX secolo mentre le simulazioni sono limitate nel tempo a pochi secoli. Pertanto, non è chiaro se i cambiamenti documentati e previsti facciano parte della variabilità naturale a lungo termine del sistema climatico. A questo proposito, gli archivi climatici come le carote di ghiaccio, le carote di sedimenti marini/lacustri, i coralli, gli speleotemi e gli anelli degli alberi offrono una prospettiva straordinaria dell'evoluzione climatica del passato e, quindi, rappresentano un punto di riferimento fondamentale per inquadrare i cambiamenti climatici in corso all’interno di un contesto più ampio di variabilità climatica naturale a lungo termine. In particolare, il clima passato è caratterizzato da importanti eventi climatici che possono essere utilizzati come esempi (non necessariamente analoghi) per valutare la velocità dei cambiamenti naturali e comprendere le interazioni tra le componenti critiche del sistema clima, comprese le sue forzanti esterne e interne. Pertanto, la paleoclimatologia è un campo di ricerca fondamentale per lo studio dell'Antropocene in quanto fornisce informazioni su come funziona il sistema climatico terrestre e su come potrebbe cambiare in futuro. Attraverso il paleoclima si può quindi migliorare i modelli climatici riducendo le incertezze sulle proiezioni future.
Gli archivi naturali della storia del clima passato sono pilastri per i paleoclimatologi in quanto rappresentano letteralmente macchine del tempo. Gli scienziati cercano indizi di eventi passati in questi record come indicatori biologici, geochimici e sedimentari utilizzati per la quantificazione empirica dei parametri climatici e ambientali, un aspetto generalmente indicato come proxy. Ogni tipo di archivio ha i suoi vantaggi e svantaggi. Pertanto, i paleo-studi ottengono migliori risultati dall'integrazione di archivi complementari per avere una visione interdisciplinare su come funziona il sistema climatico.

Principali settori ERC:
• PE4_5 - Analytical chemistry
• PE4_18 - Environment chemistry
• PE10_1 - Atmospheric chemistry, atmospheric composition, air pollution
• PE10_3 - Climatology and climate change
• PE10_6 - Palaeoclimatology, palaeoecology
• PE10_8 - Oceanography (physical, chemical, biological, geological)
• PE10_9 - Biogeochemistry, biogeochemical cycles, environmental chemistry
• PE10_11 - Geochemistry, cosmochemistry, crystal chemistry, isotope geochemistry, thermodynamics
• PE10_18 - Cryosphere, dynamics of snow and ice cover, sea ice, permafrosts and ice sheets

Referenti: Andrea Spolaor, Tommaso Tesi

Contatto: info-paleoclimate AT isp.cnr.it

Sottotematiche

Carote di ghiaccio

Le carote di ghiaccio sono degli archivi ambientali utilizzati per ricostruire il clima passato. Un vantaggio delle carote di ghiaccio e quella di poter estrarre informazioni con alta risoluzione temporale, al punto tale che in alcuni casi è possibile descrivere anche le oscillazioni climatiche stagionali. Le carote di ghiaccio vengono prelevate sia da ghiacciai alpini che dalle calotte glaciali dove le temperature siano sufficientemente basse (inferiori ai 0°C) durante tutto l'anno permettono alle deposizioni nevose di essere preservate, accumularsi e creare una serie stratigrafica. Le carote di ghiaccio recuperate in Antartide e in Groenlandia, grazie al basso accumulo nevoso ed alle basse temperature, possono contenere informazioni climatiche degli ultimi 800000 e 125000 anni rispettivamente Tuttavia, importanti informazioni climatiche possono essere estratte anche dai ghiacciai non polari, come quelli delle regioni alpine, andine e dell'Himalaya. Tra le informazioni climatiche, le analisi delle carote di ghiaccio possono fornire informazioni sulle temperature del passato, sul vulcanismo, sull’intensità dei venti, sulle precipitazioni, sull'aridità, sull'attività solare, sui cambiamenti dei cicli biogeochimici e sulla composizione dell'atmosfera. In particolare, le carote di ghiaccio sono preziosi archivi paleoclimatici per la composizione atmosferica del passato. Il ghiaccio infatti è in grado di preservare i composti chimici e la loro abbondanza presenti in atmosfera e depositati tramite le deposizioni nevose nonché la concentrazione di gas che vengono intrappolati nelle bolle d’aria presenti nel ghiaccio stesso. Dalle carote di ghiaccio si possono inoltre studiare le proprietà fisiche degli strati di ghiaccio e della massa glaciale.

Carote di sedimento

I record sedimentari marini possono andare indietro nel tempo per milioni di anni, con una risoluzione che può variare da secoli a depositi stagionali e perciò costituiscono i più antichi archivi climatici disponibili. I sedimenti coprono tutte le latitudini, il che significa che possono fornire informazioni su diverse condizioni ambientali e, quindi, possono risolvere diversi aspetti del sistema climatico dall'Equatore alle regioni polari. I sedimenti lacustri sono complementari agli archivi marini in quanto forniscono informazioni sull'ambiente terrestre sebbene la loro estensione temporale sia solitamente molto più ristretta. Esiste un'ampia gamma di proxy che possono essere analizzati nei sedimenti per descrivere diverse variabili climatiche essenziali (ECV) durante diversi periodi della storia della Terra. Gli ECV più comuni studiati attraverso i sedimenti includono, tra gli altri, la temperatura dell'oceano superficiale e dell’atmosferica, la salinità, la distribuzione del ghiaccio marino e la dinamica della calotte glaciali, le precipitazioni sulla terraferma, il contenuto di ossigeno disciolto, la variazine del livello del mare, l'energia delle correnti oceaniche, il pH dell'oceano, la disponibilità di nutrienti e produttività primaria. Nel complesso, i proxy analizzati nei sedimenti possono essere raggruppati in tre categorie principali: parametri sedimentologici, geochimici ed ecologici. I proxy sedimentologici in genere forniscono informazioni sull'ambiente paleo-deposizionale che cambia in diverse condizioni climatiche. I proxy geochimici abbracciano un ampio numero di molecole organiche ed elementi inorganici, inclusi i loro isotopi, e riflettono una vasta gamma di processi biotici ed abiotici, tutti guidati dal clima. Infine, i proxy ecologici sono per lo più organismi fossili (es. diatomee, foraminiferi) la cui struttura comunitaria originaria varia in funzione delle condizioni paleoclimatiche.

Coralli

I coralli freddi (cold-water corals) vivono a grandi profondità (dalla zona intertidale a oltre 4000 m) in tutti i bacini oceanici e possono formare delle vere e proprie scogliere o crescere isolati come piccoli mound. I coralli freddi sono uno dei pochi organismi che riescono a calcificare in condizioni di sottosaturazione del carbonato di calcio, comuni alle profondità delle alte latitudini nelle acque dell'Oceano Meridionale (compresa l'Antartide) e del Nord Atlantico. Mostrano dei vantaggi unici rispetto ad altri archivi naturali comunemente utilizzati: 1) il loro scheletro carbonatico può essere datato radiometricamente utilizzando sia il metodo del radiocarbonio (14C) che gli isotopi dell’uranio e del torio (U/Th); quest'ultimo con una precisione di circa 1%, 2) incorporano elementi in traccia, isotopi stabili e radiogenici che riflettono la temperatura dell'acqua di mare, il contenuto di nutrienti, il pH e il carbonio inorganico disciolto, la ventilazione dell’oceano e la provenienza delle masse d'acqua e 3) le loro dimensioni relativamente grandi consentono di analizzare diversi proxy in un singolo esemplare. Inoltre, il loro lento tasso di crescita (~ 0,1 mm/anno) e la loro longevità (~ 100-200 anni) consentono di ricostruire la variabilità oceanica a scala sub-decadale a diverse profondità (acque intermedie e profonde) e per intervalli di tempo relativamente lunghi durante l'ultimo periodo glaciale, durante la deglaciazione e l’Olocene. I coralli freddi permettono quindi di ricostruire i principali parametri fisico-chimici delle diverse masse d’acqua dell’Oceano Atlantico e dell'Oceano Meridionale alle alte latitudini e rivelare aspetti critici del recente riscaldamento nell'Artico e nell'Antartide in relazione alle dinamiche climatiche (ad esempio la variabilità della Atlantic Meridional Overturning Circulation e della Corrente Circumpolare Antartica) e le principali modalità di variabilità atmosferica su scala multi-decadale.

Speleotemi

Gli speleotemi, e in particolare le stalagmiti, sono archivi molto utilizzati in quanto possono crescere ininterrottamente per migliaia di anni, resistere all'alterazione fisico-chimica, essere datati con precisione e fornire informazioni paleoambientali ad alta risoluzione. Gli ambienti carsici sono diffusi in tutto il mondo e a tutte le latitudini e possono dunque fornire record complementari ai sedimenti marini e alle carote di ghiaccio, a risoluzioni e scale temporali comparabili (> 500 kyr BP), e con la capacità di preservare molteplici proxy climatici per processi locali e regionali su scala da orbitale a stagionale. La composizione chimica degli speleotemi è determinats dalla composizione dell'acqua che percola nelle grotte, che a sua volta è influenzata dalla temperatura, dalle precipitazioni, dalla composizione della vegetazione e dai cambiamenti ambientali che si verificano all'esterno. Gli isotopi stabili di ossigeno e carbonio, insieme agli elementi in traccia, sono i principali traccianti chimici utilizzati da lungo tempo negli speleotemi per la ricostruzione dei cambiamenti a lungo termine e dei pattern delle oscillazioni climatiche periodiche e improvvise che influenzano la circolazione atmosferica e oceanica. Inoltre, un campo di ricerca di recente sviluppo sta mostrando il potenziale dei composti organici in tracce negli speleotemi per la ricostruzione ad alta risoluzione di eventi a scala locale/regionale, come la frequenza dei paleoincendi.

Geomorfologia glaciale

I ghiacciai rilasciano un vasto insieme di evidenze geomorfologiche in grado di mantenere la memoria delle passate glaciazioni e dei periodi climatici più freddi. In quanto tali, sono un utile proxy paleoclimatico di fasi fredde del passato quando le condizioni erano più favorevoli alla glaciazione. Ricostruire l'estensione dei paleo-ghiacciai consente calcoli sulla geometria dei ghiacciai del passato, sul volume del ghiaccio e quindi sul clima. Infatti, l'esistenza e le dimensioni dei ghiacciai è controllata, in primo luogo, dal clima, attraverso variazioni di temperatura e precipitazioni. Quando la geometria di un paleo-ghiacciaio viene ricostruita da evidenze geomorfologiche raccolte sul terreno, il rapporto tra l'area di accumulo del ghiacciaio e l'intera area del ghiacciaio, che è chiamato Accumulation Area Ratio (AAR) ed è piuttosto noto per diversi tipi di ghiacciai in tutto il mondo , consente di calcolare l'effettiva Equilibrium Line Altitude (effELA) di quel ghiacciaio. L'ELA unisce i punti su un ghiacciaio dove l'accumulo annuale bilancia esattamente l'ablazione annuale e quindi il settore del ghiacciaio dove il bilancio di massa annuale è uguale a zero. Da queste informazioni, utilizzando modelli empirici e gradienti altitudinali ambientali, è possibile inferire le condizioni climatiche che interessavano quel particolare ghiacciaio in equilibrio con il clima di quel tempo. L'ELA può essere modellata seguendo anche un approccio inverso basato sulle precipitazioni annuali e sulla temperatura estiva, considerando il ghiacciaio in uno stato stazionario durante la simulazione. L'ELA così calcolata è definita Environmental ELA (envELA) e rappresenta il limite inferiore climatico della glaciazione. Con questa informazione, le aree in cui l'envELA è inferiore alla topografia indicano condizioni che permetton l'esistenza di ghiacciai, supportando le prove geologiche e geomorfologiche raccolte sul terreno. Tale procedura è utile sia in chiave paleoclimatica sia per ipotizzare scenari futuri.

Area Tematica 4 - OSSERVAZIONE della TERRA e MODELLI

Le principali attività dell'area tematica Osservazione della Terra (OT) e modellistica degli ecosistemi polari sono: remote e proximal sensing, analisi spaziali, cartografie tematiche e organizzazione della conoscenza geografica ed ambientale. L’attività è incentrata su tre pilastri metodologici principali, e sulla loro integrazione: metodi osservativi da remoto e in loco, organizzazione delle informazioni a supporto della conoscenza, rappresentazione tramite modelli numerici e concettuali. L’investigazione scientifica ha per oggetto le risposte degli ecosistemi polari, anche attraverso il confronto con le diverse fasce climatiche, alle variazioni della temperatura dell'aria e del mare, i cambiamenti delle calotte polari, le variazioni del livello del mare e dell’estensione, persistenza e spessore del manto nevoso e dei ghiacci, l’evoluzione del permafrost, i processi di erosione ed accrescimento costieri, il rilascio e la segregazione di gas clima-alteranti ed i cicli biogeochimici, la biodiversità. Le metodologie osservative mirano a rilevare dinamiche ambientali e climatiche a differenti scale spaziali e temporali attraverso l’individuazione e lo studio di molteplici variabili essenziali e le loro interazioni sia biologiche che geofisiche, integrando le informazioni delle diverse piattaforme. Il confronto continuo consente di integrare i modelli spaziali ed ecologici con i dati osservativi.

L’area ha un gruppo dedicato all’organizzazione della conoscenza terminologica multilingue, thesauri e metadati a supporto della descrizione del dato e dell’informazione ambientale, con focus sugli ambienti polari. L’area tematica sviluppa, in accordo con i principi FAIR (Findable Accessible Interoperable Reusable), catene di dati e prodotti a sostegno dello studio di sistemi terrestri, acquatici e della criosfera e lo sviluppo di GIS interoperabili, cartografia tematica e servizi operativi. Nella foto a sinistra il Ghiacciaio Spegazzini (Parco Nazionale Los Glaciares, Santa Cruz, Argentina, Gennaio 2010), assieme ai ghiacciai Upsala e Perito Moreno, alimenta il Lago Argentino nel Parco Nazionale Los Glaciares. In questa foto è visibile la fronte del ghiacciaio di tipo calving, caratterizzata da abbondanti seracchi, che possono raggiungere 135 m di altezza.

Principali ERC panels:
• LS8 - Environmental Biology, Ecology and Evolution
• PE10 - Earth System Science
• SH7 - Human Mobility, Environment, and Space
• SH2 - Institutions, Values, Environment and Space

Referenti: Francesco De Biasio, Francesco Filiciotto, Emiliana Valentini, Matteo Zucchetta,

Contatto: info-observation AT isp.cnr.it

Sottotematiche

Atmosfera

Caratterizzazione della colonna atmosferica tramite tecniche di telerilevamento e studio dell’aerosol all’interfaccia con il suolo, utilizzo dei dati di OT e loro validazione con misure da terra. Chimica dell’atmosfera, microchimiche e microfisiche clima-alteranti (utilizzo di prodotti tematici di emissioni da incendi e di inquinamento atmosferico); fisica dell’atmosfera tramite misure puntuali presso osservatori permanenti in aree polari e di alta quota, sia fissi che mobili (navi); bioaerosol e sua composizione quali-quantitativa. Studio della struttura spaziale del vento sul mare a varie risoluzioni (da decine di km a 500 m) ottenuto attraverso rilevazioni di echi radar dalla superficie marina e immagini satellitari SAR (Synthetic Aperture Radar), integrate con tecniche di intelligenza artificiale in un confronto continuo con verità a terra e modellistica numerica.

Idrosfera

Gestione dati geospaziali per ambiti marino e marittimo, dinamica di ecosistemi marini nella zona delle Svalbard tramite analisi di prodotti tematici esistenti (es. Copernicus). Gestione del macrosito IT17 in Antartide nell’ambito della Rete Italiana per la Ricerca Ecologica di Lungo Termine (LTER-Italia). Caratterizzazione e descrizione del paesaggio acustico delle aree marine polari e delle medie latitudini, dati acustici da osservatori autonomi permanenti per la rilevazione delle componenti biologiche, antropiche e geofisiche. Analisi del rumore e valutazione delle dinamiche ecologiche dei mammiferi marini. Analisi di distribuzione e densità del traffico marittimo ed interazione con i grandi mammiferi. Traffico marittimo, rilevazione dei grandi mammiferi e correlazione con presenza del ghiaccio marino. Meteorologia costiera tramite dati satellitari SAR, vento da SAR e conseguente identificazione del ghiaccio, algoritmi di AI (filtri locali). Tecniche di rilevazione, tramite integrazione di sensori remoti e in loco, dei trend di variazione del livello del mare a scala regionale, e la loro connessione con i fenomeni di subsidenza. Osservazioni chimico-fisiche e biologiche mediante sensoristica e misure puntuali in ambienti limnologici in aree polari.

Figura 1: Spettrogramma dei suoni (serie di "click o "knocks") prodotti dal tricheco atlantico, Odobenus rosmarus, in immersione. Il grafico, prodotto in MATLAB(c) ha una risoluzione temporale di 0,003 s e una risoluzione di frequenza di 0,128 Hz. La registrazione acustica è stata eseguita da un underwater bottom recorder posizionato all’interno del Kongsfjorden – Isole Svalbard.
Ascolta:

Figura 2: Immagine acquisita dal sensore OLCI (Ocean and Land Colour Instrument) del satellite Sentinel 3A il 28 agosto 2021 visualizzata in RGB (bande 4, 6, 8, 9 e 14 combinate tramite Enhanced true color visualization. Si vede l'arcipelago delle isole Svalbard (79°N,17°E). Sono visibili diversi ghiacciai perenni che ricoprono quasi uniformemente le sommità delle isole dell'arcipelago. Formazioni nuvolose nascondono la vista del mare a nord e ad ovest dell'immagine. A Ny-Ålesund, sul margine nord occidentale dell'isola più grande dell'arcipelago, Spitsbergen, ha sede la stazione di ricerca multidisciplinare del CNR in Artico Dirigibile Italia.

Pedosfera

Risposte biologiche e geologiche dei suoli e delle coperture a vegetazione nella regione artica al riscaldamento globale; studio dei rapporti causa-effetto di processi di inverdimento e di scioglimento del permafrost e del ciclo del carbonio tramite dati OT, radiometrie di campo e modelli geospaziali. Studio delle dinamiche ecosistemiche delle regioni polari a diversa scala spaziale e temporale compresi gli ambienti estremi e la modellistica di ghiacciai alpini.

Figura 1 - Immagine acquisita dal satellite iperspettrale PRISMA il 7 Luglio 2020 visualizzata in RGB (VNIR) composto con le bande 42, 22 e 15. La zona di Barentsburg (Svalbard, 78.065041 ° N, 14.214635 ° E) è ripresa nel periodo estivo e si osserva la morfologia dei versanti inverditi dalla tundra artica. Il gradiente di colore da azzurro a bianco è correlato alla presenza di ghiaccio. I pennacchi in prossimità della costa sono sedimenti che raggiungono il mare attraverso la rete delle acque interne. © CNR-ISP; IUSS, Original PRISMA Product - © ASI - (2020).

Figura 2 - A sx: Immagine del sensore satellitare attivo Sentinel1, del 17 Aprile 2023 visualizzata in RGB (VV - VH – VV). Il delta dello Yukon in Alaska è innevato per cui si vedono bene i contrasti tra le diramazioni del delta ghiacciato (colore chiaro) e la presenza del ghiaccio marino (sfumature del viola e blu). A dx: Immagine del sensore satellitare passivo Sentinel2, del 9 giugno 2022 visualizzata in RGB composite = 9-3-2. Il delta dello Yukon è completamente inverdito dalla tundra artica (rosso) e si osserva il carattere di zona umida dell’area e l’apporto sedimentario marino costiero.

Criosfera

Monitoraggio delle caratteristiche delle coperture nevose, radiometria e misure di campo su ghiaccio e neve stagionale, tramite realizzazione di mappe tematiche sviluppate da dati satellitari e servizi operativi. Studio delle particelle assorbenti come black carbon e carbonio organico su coperture nevose, presenze algali in aree glaciali e processi all’interfaccia criosfera atmosfera. Analisi del paleoclima e dei processi ambientali tramite lunghe serie di dati puntuali. Calibrazione e validazione di dati OT.

Figura 1 - Estratto della Libreria Spettrale CNR ‘Sispec’ in cui si evidenzia il comportamento spettrale, rilevato in campo, di una superficie nevosa e le sue caratteristiche nivologiche (forma e dimensione dei grani).

Figura 2 - Immagine acquisita dal satellite iperspettrale PRISMA il 7 agosto 2020 visualizzata in pan RGB (VNIR) composto con le bande 30, 20 e 9. Si osserva l’estensione di una delle lingue glaciali site sulle coste a Nord della Groenlandia, (81°14'36.57"N,52°10'29.56"W), si notano inoltre frammenti di ghiaccio e le line di scorrimento. © CNR-ISP, Original PRISMA Product - © ASI - (2020).

Area Tematica 1 - CONTAMINANTI e ECOSISTEMI

Le attività di ricerca svolte nell’ambito dell’Area Tematica Contaminanti e Ecosistemi sono finalizzate allo studio delle sorgenti, dinamiche di trasporto, diffusione e destino di contaminanti normati ed emergenti, incluse le micro/nano plastiche e gli elementi in traccia, negli ecosistemi polari. Tali ecosistemi sono particolarmente sensibili alle perturbazioni esterne, quali le attività antropiche e il cambiamento climatico. Di fatto, le regioni polari costituiscono il serbatoio finale di molti inquinanti emessi alle medie latitudini e trasportati su scala regionale e globale (a lungo raggio) tramite la circolazione atmosferica, oceanica e gli animali migratori: tutti drivers influenzati dal cambiamento climatico in corso. Il riscaldamento globale ha favorito, inoltre, un crescente impatto antropico nelle aree polari a causa dello sviluppo di attività turistiche, di estrazione mineraria e del traffico marittimo con conseguente incremento dell’input locale di contaminazione, incluso l’inquinamento acustico.
Gli effetti diretti ed indiretti di questi cambiamenti combinati alle diverse dinamiche di contaminazione stanno causando la frammentazione e la distruzione degli habitat, l’alterazione delle reti trofiche acquatiche e terrestri, nonché perdita di diversità con ripercussioni anche sulle popolazioni artiche.
In tale contesto, la multidisciplinarietà delle competenze che convergono in questa Area Tematica costituisce un requisito indispensabile per la comprensione degli effetti dovuti all’impatto antropico e al cambiamento climatico negli ecosistemi polari seguendo un approccio One Health e mirando ad una gestione sostenibile di questi ambienti vulnerabili nel prossimo futuro.

Le principali linee di indagine si possono ricondurre ai seguenti ambiti: messa a punto e ottimizzazione di metodi analitici altamente sensibili per la rilevazione degli inquinanti nei comparti ambientali abiotici e biotici, comprensione dei processi di trasporto e distribuzione negli ecosistemi, valutazione delle interazioni con la sfera biologica e degli effetti ecologici, studio delle capacità degli ecosistemi di adattarsi e rispondere alla contaminazione.

Principali settori ERC:
• LS8 - Environmental Biology, Ecology and Evolution
• PE4 - Physical and Analytical Chemical Sciences
• PE10 - Earth System Science

Referenti: Elena Barbaro, Maria Papale, Luisa Patrolecco, Francesca Spataro

Contatti: info-impacts AT isp.cnr.it

Sottotematiche

Inquinanti emergenti e normati

Dallo sviluppo di metodi analitici allo studio dei processi ambientali

Nonostante l'isolamento geografico e la limitata presenza di insediamenti umani, le aree polari sono fortemente influenzate da fenomeni di trasporto a lunga distanza che portano alla dispersione in questi ambienti di inquinanti emessi nelle basse e medie latitudini, oltre che su scala locale. La ricerca scientifica ha permesso di raccogliere serie temporali di dati a lungo termine sulla presenza di metalli pesanti e contaminanti organici persistenti (POPs) in Artico; tuttavia, non esistono ancora programmi di monitoraggio sistematico di tali composti in Antartide.
Più recentemente, l’attenzione si è focalizzata su nuove classi di contaminanti, definiti emergenti, in quanto non ancora inclusi nelle attuali normative ed i cui effetti sugli organismi e sull’ambiente non sono del tutto noti. La determinazione della presenza di tali sostanze nell’ambiente e la valutazione dei loro effetti sugli ecosistemi costituisce un’importante sfida scientifica, considerando la continua produzione di nuovi formulati e le diverse proprietà chimico-fisiche che li caratterizzano. Poiché molti di essi sono molecole bioattive con possibili effetti dannosi sugli organismi e sull’ambiente anche a basse concentrazioni, lo sviluppo di adeguati programmi di monitoraggio risulta di cruciale importanza. Il Programma di Monitoraggio e Valutazione dell'Artico (AMAP) ha indicato che il rischio dovuto alla presenza di inquinanti chimici emergenti ma anche dei più studiati POPs e mercurio ai poli è ancora molto elevato. Pertanto, risulta di interesse prioritario approfondire lo stato di conoscenza di tale tematica nelle aree polari.
Le principali attività di ricerca riguardano:
• Ottimizzazione, standardizzazione di metodi analitici per l’analisi di inquinanti normati (es. IPA, PCB, PBDE, pesticidi organo-clorurati etc.), emergenti (es. residui farmaceutici, fragranze, composti perfluorurati, pesticidi di nuova generazione etc.) e loro metaboliti/prodotti di trasformazione. Analisi suspect screening (eseguita quando vi sono prove/informazioni che una data struttura potrebbe essere presente nei campioni) e non-target screening (analisi di tutte le componenti rilevate, quando non sono disponibili informazioni preliminari).
• Sviluppo di metodi di speciazione chimica per l’identificazione di specie biologicamente attive o di specie prodotte da reazioni fotochimiche.
• Monitoraggio in continuo e a lungo termine di contaminanti organici e inorganici trasportati dalle correnti atmosferiche e oceaniche tramite piattaforme permanenti.
• Studi di bioconcentrazione/biomagnificazione nella rete trofica (screening assessment); valutazione dei profili di suscettibilità agli antibiotici di ceppi batterici isolati da acqua/sedimento.
• Monitoraggio, in situ e in real-time di inquinanti organici e inorganici attraverso l’utilizzo di biosensori.
• Sviluppo e applicazione dell’analisi metabolomica in matrici ambientali per lo studio dei processi degradativi che determinano la produzione di metaboliti potenzialmente inquinanti; tale approccio permette di identificare la presenza di inquinanti non noti e di metterli in relazione con i processi biologici in atto nel sistema.
• Studi in scala di laboratorio (microcosmo e batch) per valutare i processi di degradazione (calcolo del DT50) biotica e abiotica (chimica e fisica), formazione di metaboliti e prodotti di trasformazione, e bioaccumulo in organismi target (specie vegetali ed animali).
• Ottimizzazione, standardizzazione e validazione di biotecnologie innovative per il bio-risanamento e la bio-mitigazione di matrici ambientali impattate da differenti tipologie di inquinanti (organici e inorganici) direttamente in situ.

Principali settori ERC:
• PE4_5 - Analytical chemistry
• PE4_7 - Chemical instrumentation
• PE4_9 - Method development in chemistry
• PE4_18 - Environment Chemistry
• PE10_1 - Atmospheric chemistry, atmospheric composition, air pollution
• PE10_8 - Oceanography (physical, chemical, biological, geological)
• PE10_9 - Biogeochemistry, biogeochemical cycles, environmental chemistry
• PE10_17 - Hydrology, hydrogeology, engineering and environmental geology, water and soil pollution

Micro/Nano plastiche

Inquinamento da plastiche: distribuzione ed impatto sull'ambiente e sul biota

I polimeri plastici sono inquinanti ubiquitari, poiché sono stati osservati in diversi comparti ambientali e in vari taxa, e persistenti, perché possono frammentarsi in particelle sempre più piccole. Si parla infatti di macroplastiche (>20 cm), mesoplastiche (20 cm - 5 mm) microplastiche (5 mm -1 µm) e nanoplastiche (<1 µm). Le microplastiche sono state osservate negli oceani di tutto il mondo, ma anche nei suoli, nell’aria, negli organismi, dalle larve di insetti acquatici ai pesci, e anche in alcuni mammiferi marini. Particelle plastiche sono state osservate a qualsiasi latitudine, dall’equatore al Polo Nord e all’Antartide. I loro percorsi di trasporto possono essere influenzati dalla densità apparente e, soprattutto, dalle dimensioni dei polimeri. Particelle di dimensioni più piccole (<100 µm), denominate small microplastics, possono essere trasportate molto lontano dalla fonte di rilascio. Il tempo di permanenza in ambiente non solo ne condiziona le dimensioni, perché le particelle possono diventare sempre più piccole per effetto della fotodegradazione, dell’azione delle correnti marine e atmosferiche, ma anche la densità apparente, cosicché anche le particelle di polimeri a bassa densità possono affondare lungo la colonna d’acqua accumulandosi nei sedimenti. Poiché non esistono metodi standardizzati per l’analisi, sono necessari studi approfonditi per comprendere il destino ed i percorsi di queste particelle, che possono avere un ruolo pivotale anche nel cambiamento climatico. Infatti, le microplastiche possono fungere sia da nuclei di condensazione per le nubi sia da ice nucleating particles, con impatto sull’albedo e sulla radiazione solare e sullo scioglimento del ghiaccio. Le microplastiche e le nanoplastiche attraverso ingestione possono entrare nella rete trofica e raggiungere l’uomo. Piccoli invertebrati come anfipodi artici o bivalvi (es. mitili) possono ingerire le small microplastics, favorendone la potenziale biomagnificazione lungo la rete trofica, fino a rappresentare un rischio anche per la salute umana. Le small microplastics e le nanoplastiche possono anche essere inalate e, per le loro dimensioni, possono raggiungere organi come i polmoni o il cervello, causando stati infiammatori cronici. La tossicità delle micro e nanoplastiche può essere messa in relazione con la presenza di additivi plastici, quali plastificanti, vulcanizzanti, antiossidanti, ecc.; alcuni di questi composti possono subire leaching durante la rottura delle particelle ed essere rilasciati nell’ambiente. Inoltre, diversi inquinanti persistenti, emergenti e normati, possono essere adsorbiti su particelle plastiche, entrando nella rete trofica con più facilità attraverso la loro ingestione. Particolare interesse è rivolto anche al ruolo di micro- e nanoplastiche come potenziali vettori di comunità microbiche ad esse adese (plastisfera); batteri patogeni (es. vibrioni) e virus trasportati dalle particelle plastiche possono, una volta ingeriti, costituire un rischio per la salute animale. Inoltre, l'inquinamento da polimeri plastici può danneggiare il metabolismo delle comunità microbiche autoctone coinvolte nei cicli biogeochimici con impatti sulla funzionalità degli ecosistemi acquatici e/o terrestri.
Le attività di ricerca riguardano:
• Messa a punto di metodi di pretrattamento mild per l’estrazione simultanea di microplastiche, in particolare small microplastics, e additivi plastici da diverse matrici ambientali
• Messa a punto di metodi analitici (via Micro-FTIR e pirolisi-GC/MS)
• Simultanea quantificazione e caratterizzazione dei polimeri e degli additivi plastici (Micro-FTIR)
• Cross-validazione della caratterizzazione dei polimeri (pirolisi-GC/MS)
• Identificazione di bioindicatori
• Analisi quali- e quantitativa delle comunità batteriche associate a detriti plastici e del loro metabolismo in diverse matrici ambientali (acqua, sedimento, neve)
• Identificazione di biomarkers di stress

Principali settori ERC:
• LS8_12 - Microbial ecology and evolution
• LS8_13 - Marine biology and ecology
• PE4_5 - Analytical Chemistry
• PE4_9 - Method development in chemistry
• PE4_17 - Characterization methods of materials
• PE4_18 - Environment Chemistry
• PE10_1 - Atmospheric chemistry, atmospheric composition, air pollution
• PE10_4 - Terrestrial Ecology
• PE10_8 - Oceanography (physical, chemical, biological, geological)

Fonti, Trasporto e dinamiche ambientali

I contaminanti possono essere trasportati nelle regioni polari dalle più basse latitudini attraverso correnti marine, atmosferiche e animali migratori. Sebbene esistano prove indiscutibili che il trasporto atmosferico a lungo raggio di contaminanti organici e metalli avvenga su scala globale, permangono delle incertezze sul meccanismo dettagliato e sull’estensione di questo fenomeno, nonché sulle proprietà chimico-fisiche degli aerosol che facilitano questo trasporto anche verso gli ambienti polari. Nel valutare il potenziale di trasporto di una sostanza a lunga distanza, la maggior parte degli organi preposti alla regolamentazione si basa attualmente sul monitoraggio dei dati da località remote. Questo metodo di valutazione ha delle limitazioni, in quanto la raccolta dei dati di monitoraggio tende ad essere a posteriori anziché a priori, rispetto alla sua immissione. Pertanto, è possibile che una sostanza abbia un effetto dannoso sull’ambiente prima che possa essere intrapresa qualsiasi azione per regolamentarla o vietarla. Pertanto, questa area tematica si focalizza sia sullo studio delle sorgenti che sui meccanismi di diffusione dei contaminanti, al fine di modellizzare e predire il trasporto a lunga distanza di sostanze esistenti e nuove ancor prima della loro fabbricazione e utilizzo.
Il riscaldamento globale sta influenzando tali processi, alterando così il trasporto a lungo raggio e la distribuzione ambientale dei contaminanti. L'aumento della fusione dei ghiacciai e dello scioglimento del permafrost sta rimobilizzando negli ecosistemi inquinanti precedentemente intrappolati nella criosfera, rendendo le aree polari non più solo un “serbatoio” ma anche una sorgente di inquinamento su scala locale. È stato infatti riscontrato un aumento di vecchi contaminanti (la cui produzione è stata vietata molti anni fa) in tali regioni. Inoltre, il cambiamento climatico ha favorito una maggior presenza umana in queste aree remote, con conseguente sviluppo di attività di pesca, turismo crocieristico, commerciali ed estrazione di risorse (petrolio, gas e minerali), e quindi una maggiore contaminazione su scala locale e regionale. Ulteriore preoccupazione, riguarda l’assenza di appropriate tecnologie di abbattimento disponibili negli impianti di trattamento delle acque. Infine, la presenza, persistenza e distribuzione dei contaminanti è fortemente influenzata dalle peculiari caratteristiche di tali regioni, quali estreme variazioni stagionali di luce, basse temperature, stagioni di crescita brevi e disponibilità limitata di nutrienti.
Le attività di ricerca riguardano:
• Studio delle sorgenti primarie e secondarie di contaminazione nonché dei processi di trasporto a medio e lungo raggio dei contaminanti principalmente mediante lo studio dell’aerosol atmosferico anche grazie all’ osservatorio atmosferico di Gruvebadet.
• Ricostruzione degli andamenti temporali a lungo termine e dell’impatto umano negli archivi ambientali e climatici, quali carote di ghiaccio, sedimento e permafrost.
• Studio dell’influenza della meteorologia locale nella distribuzione spaziale e nell’andamento temporale dei contaminanti, e di come tale effetto possa variare nel tempo.
• Studi in scala di laboratorio (microcosmo e batch) per valutare i processi di degradazione (calcolo del DT50) biotica e abiotica, simulando le reali condizioni ambientali (radiazione, temperatura, umidità, presenza/assenza di comunità microbiche autoctone).

Principali settori ERC:
• PE4_12 - Chemical reactions: mechanisms, dynamics, kinetics and catalytic reactions,
• PEA4_18 - Environment Chemistry
• PE10_1 - Atmospheric chemistry, atmospheric composition, air pollution
• PE10_3 - Climatology and climate change
• PE10_8 - Oceanography (physical, chemical, biological, geological)
• PE10_9 - Biogeochemistry, biogeochemical cycles, environmental chemistry
• PE10_16 - Ozone, upper atmosphere, ionosphere
• PE10_17 - Hydrology, hydrogeology, engineering and environmental geology, water and soil pollution
• PE10_18 - Cryosphere, dynamics of snow and ice cover, sea ice, permafrosts and ice sheets
• PE10_21 - Earth system modelling and interactions

Inquinamento acustico

Rumore sottomarino e impatto sugli organismi polari

L’aumento del rumore acustico associato al traffico marittimo e all’utilizzo di sorgenti sonore ad alta intensità per l’esplorazione dei fondali rappresenta un elemento di notevole impatto sugli ecosistemi marini. L’incremento delle attività antropiche nelle aree Polari sta determinando un costante aumento dei livelli di rumore acustico diffuso introdotto in ambiente marino. Se è infatti noto che negli ultimi 60 anni, in alcuni oceani (ad esempio nel Pacifico), si è assistito ad un raddoppio dei livelli di rumore all’incirca ogni dieci anni, possiamo presumere che la crescita nei livelli di questo contaminante in ambiente sottomarino sia stata e sia notevolmente più rapida nelle aree Polari. Gli effetti dell’innalzamento del rumore diffuso sono ampiamente documentati per diverse specie terrestri e marine, dall’innalzamento dei livelli di stress, all’indebolimento fisiologico e alle difficoltà nella comunicazione acustica intra- e interspecifica, con conseguenti alterazioni nel dispendio energetico e abbassamento della risposta immunitaria. Simili effetti sono già stati osservati a tutti i livelli della rete trofica marina ed in particolare in numerose specie di mammiferi marini, di crostacei, molluschi e pesci. La valutazione degli effetti del rumore diffuso a breve e lungo termine a livello di popolazioni, di specie e di ecosistema resta tuttavia di complessa definizione, tenuto conto anche della difficoltà di valutare l’effetto cumulativo dell’esposizione al rumore, associato allo stato fisico, fisiologico e alla sensibilità del singolo individuo, e dell’assenza, per molte aree geografiche, di serie di dati storiche. In questo contesto, e grazie alla disponibilità di osservatori sottomarini e di infrastrutture di ricerca come SIOS in Artide e eLTER in Antartide, ISP sta lavorando per acquisire serie storiche di dati acustici sottomarini nelle aree Polari. I ricercatori coinvolti in questa Area Tematica sono impegnati nella raccolta e analisi di tali dati per caratterizzare le differenti componenti acustiche che insistono nelle aree oggetto di monitoraggio, per stabilire i livelli medi di rumore nei diversi siti di misura e per valutare l’impatto degli stessi sugli ecosistemi. In tale contesto, la raccolta di dati acustici ambientali avviene attraverso l’impiego di registratori autonomi sottomarini operativi fino a 1000 metri di profondità e con autonomia sino ad un anno in funzione del duty cycle adottato.
La raccolta e la successiva analisi dati mirano in particolare:
• allo studio del soundscape sottomarino per la caratterizzazione spazio-temporale delle componenti biologiche, geofisiche e antropiche e lo sviluppo di metodi automatici per l’identificazione delle diverse sorgenti acustiche nelle aree polari;
• alla definizione dei trend a lungo termine per la valutazione dei cambiamenti ambientali e delle forzanti antropiche;
• alla definizione degli effetti ecologici dell’inquinamento acustico sugli organismi marini ed in particolare la valutazione delle dinamiche di presenza/assenza e spostamento, abbondanza stagionale e comportamento acustico, stime di biodiversità acustica e dei relativi trend temporali in relazione alle diverse forzanti antropiche su popolazioni di mammiferi marini, teleostei e crostacei emettitori.
In aggiunta alla raccolta di dati in campo, vengono svolti studi in ambiente controllato per la definizione delle risposte fisiologiche e comportamentali di esemplari esposti al rumore a cui generalmente sono esposti in ambiente naturale al fine di comprendere e prevedere gli effetti a breve, medio e lungo termine dell’inquinamento acustico generato dalle attività umane.
Elemento fondamentale sia degli studi in campo che di quelli in ambiente controllato è lo sviluppo di strumenti di analisi e previsionali per la comprensione delle alterazioni e degli effetti osservabili a livello di popolazioni, specie ed ecosistema.

Principali settori ERC:
• LS4_8 - Impact of stress (including environmental stress) on physiology
• LS8_2 - Biodiversity
• LS8_5 - Biological aspects of environmental change, including climate change
• LS8_11 - Behavioural ecology and evolution
• LS8_13 - Marine biology and ecology

Risposte e adattamenti ecosistemici

In ogni ambiente ed in particolare nelle aree polari, gli ecosistemi tendono a mantenere degli specifici equilibri allo scopo di autoperpetuarsi nel tempo, tendendo sempre allo stato di climax. Questa condizione può venire meno o essere profondamente modificata a causa di perturbazioni negli stessi ecosistemi. Se a volte le perturbazioni possono essere anche benefiche (es. favorendo una maggiore biodiversità), quando si parla di immissioni di inquinanti la situazione muta notevolmente. In questo contesto, a valle e/o simultaneamente alle indagini ed agli obiettivi della sezione relativa agli inquinanti emergenti e normati e di quella relativa alle fonti, trasporto e dinamiche ambientali, si sviluppano le linee di ricerca che si occupano degli effetti che queste perturbazioni provocano all’interno degli ecosistemi.
Questo ambito si occupa di valutare il rischio ecologico e le risposte e/o gli adattamenti degli ecosistemi marini e terrestri polari e sub-polari che possono essere relazionati alla presenza di inquinanti emergenti o normati. Le indagini volgono allo studio della composizione e dell’attività metabolica delle comunità microbiche (tecniche di indagine colturali, microscopiche, biochimiche e molecolari etc.) nonché agli effetti sulla rete trofica dovuti alla presenza di inquinanti. Infine, uno sguardo è rivolto alla selezione di microrganismi che possano essere utilizzati per il biorisanamento e quindi alla decontaminazione degli ambienti (in collegamento con le Aree Tematiche Bioscienze e Cambiamenti dei sistemi polari).
Le attività di ricerca riguardano:
• Analisi della risposta delle comunità microbiche ai contaminanti in termini di abbondanza e diversità strutturale e funzionale; effetto dei contaminanti sui profili microbici di suscettibilità ai contaminanti.
• Ricerca di specifici geni appartenenti al mondo microbico, deputati alla resistenza agli inquinanti, in matrici abiotiche ed in specifici microrganismi.
• Studi in scala di laboratorio (microcosmo/mesocosmo, batch) per valutare gli effetti di contaminanti selezionati su singoli ceppi microbici e comunità microbiche autoctone (in termini di struttura, funzione, selezione di ARGs etc.) o organismi target (effetti ecotossicologici diretti e indiretti) rappresentativi del comparto acquatico (es. Vibrio fischeri) o terrestre (es. Eisenia fetida).
• Valutazione di rischio ecologico associato alla presenza di contaminanti e potenziale di bioaccumulo (bioconcentrazione / biomagnificazione) in ecosistemi acquatici e terrestri.
• Analisi del pattern metabolomico di organismi al fine di identificare la presenza di stress in relazione alla presenza di inquinanti o al cambiamento delle condizioni ambientali (temperatura, salinità, CO₂).

Principali settori ERC:
• LS8_1 - Ecosystem and community ecology, macroecology
• LS8_2 - Biodiversity
• LS8_5 - Biological aspects of environmental change, including climate change
• LS8_12 - Microbial ecology and evolution
• LS8_13 - Marine biology and ecology
• LS9_12 - Ecotoxicology, biohazards and biosafety
• PE10_9 - Biogeochemistry, biogeochemical cycles, environmental chemistry

Area Tematica 5 - BIOSCIENZE

L’Area Tematica Bioscienze si occupa dello studio della biosfera in ambito polare a diversi livelli di complessità biologica, dalle molecole agli ecosistemi e fino ai biomi. In particolare, l’attenzione si concentra sulla descrizione e quantificazione della biodiversità degli organismi che abitano gli ambienti polari, allo scopo di valutarne la complessità a livello strutturale e funzionale. A questo proposito, vengono valutati scenari di shift di popolazioni, cambiamento della biodiversità e dei processi biogeochimici derivanti dal cambiamento climatico e dall’impatto antropico. L’interesse principale è focalizzato sulle interazioni tra aspetti biologici ed ecologici e i processi abiotici e, in particolare, sul ciclo del carbonio e i flussi di energia negli ecosistemi delle regioni polari. Ulteriori campi di indagine riguardano la ricerca di biomolecole di origine microbica, la capacità dei microrganismi polari di degradare contaminanti organici e gli aspetti astrobiologici legati alla vita in ambienti estremi.
I temi centrali delle ricerche svolte nell’ambito dell’Area Tematica Bioscienze sono (1) organizzazione strutturale e funzionale degli ecosistemi polari e dinamiche di popolazioni e comunità; (2) risposta di individui, popolazioni e comunità ad influenze esterne di origine climatica ed antropica (inclusi perdita e frammentazione di habitat, prelievo, estrazione, inquinamento, etc.); (3) risvolti biotecnologici derivanti dall’adattamento alle basse temperature e/o altri fattori fisico-chimici.
Gli obiettivi di ricerca includono:
• lo studio della diversità strutturale e funzionale e l'ecofisiologia degli organismi polari, per fare luce sui limiti dell’adattamento, anche in relazione al cambiamento climatico e all’impatto antropico;
• lo studio della biogeochimica e l'ecologia in habitat marini e terrestri ai Poli, inclusi i fattori ambientali che controllano le interazioni biologiche;
• la stima del potenziale biotecnologico di organismi adattati alla vita a bassa temperatura e/o altri fattori fisico-chimici;
• la comprensione del comportamento e dell’evoluzione degli ecosistemi polari, mediante analisi spazio-temporali dei processi ecologici;
• gestione e conservazione delle risorse marine polari (management);
• confronto fra trends osservati in aree polari e medie latitudini.

Principali settori ERC:
• LS8 - Environmental Biology, Ecology and Evolution
• LS9 - Biotechnology and Biosystems Engineering
• PE10 - Earth System Science

Referenti: Angelina Lo Giudice, Mario La Mesa, Cairns Warren Raymond Lee

Contatto: info-biosciences AT isp.cnr.it

Sottotematiche

Biodiversità e adattamento

Le comunità biologiche polari sono generalmente sottoposte all’influenza di diversi fattori concomitanti alla bassa temperatura, quali disidratazione, copertura di ghiaccio, scarsa disponibilità di nutrienti, esposizione a radiazioni solari nocive (ad esempio radiazioni UV-B), fotoperiodi estremamente variabili e, in casi specifici, elevate salinità e stress osmotico. La biodiversità garantisce il funzionamento di tutti gli ecosistemi, per cui studiare le proprietà e l’evoluzione temporale degli ecosistemi polari costituisce uno strumento di fondamentale importanza per migliorare le nostre conoscenze sullo stato attuale e per fare previsioni su scenari futuri, anche in relazione ai cambiamenti climatici. L’analisi e il monitoraggio della biodiversità delle comunità biologiche e delle loro dinamiche ecologiche costituiscono il punto focale di questa tematica di ricerca. Di particolare interesse è anche lo studio dei meccanismi di adattamento morfologico-funzionale adottati dagli organismi polari per la sopravvivenza in condizioni estreme. Sono inoltre considerati processi temporali e pattern spaziali di greening quale risposta all’approfondimento dello strato attivo del permafrost artico, anche attraverso tecnologie di remote sensing.
La crescente impronta antropica nelle regioni polari, già rese vulnerabili dai cambiamenti climatici in corso, può avere effetti negativi quali inquinamento, distruzione degli habitat, arrivo e proliferazione di specie invasive/aliene e sfruttamento eccessivo delle risorse. Lo studio dei livelli di contaminazione e del potenziale di bioaccumulo e biomagnificazione nella rete trofica permette di fornire informazioni integrate sull'ecosistema identificando gli hotspot in cui le specie possono essere più vulnerabili e sensibili anche alla variabilità climatica. Di interesse è anche lo studio dei processi di colonizzazione di polimeri plastici, con analisi strutturale e funzionale di biofilms microbici (plastisfera) e della loro risposta a forzanti antropiche/naturali.

Principali settori ERC:
• LS8_1 - Ecosystem and community ecology, macroecology
• LS8_2 - Biodiversity
• LS8_5 - Biological aspects of environmental change, including climate change
• LS8_12 - Microbial ecology and evolution
• LS8_13 - Marine biology and ecology
• PE10-1 - Atmospheric chemistry, atmospheric composition, air pollution
• PE10_17 - Hydrology, hydrogeology, engineering and environmental geology, water and soil pollution

Biogeochimica

Le attività di ricerca riguardano lo studio dei processi biologici marini e terrestri che modulano e influenzano le caratteristiche chimiche dell’ambiente polare e i relativi cicli di materia ed energia, anche in relazione ai cambiamenti climatici. Particolare attenzione è rivolta alla valutazione del ruolo dei microorganismi nel ciclo globale del carbonio e nei cicli biogeochimici dei nutrienti (azoto, fosforo) di ambienti marini e limnologici (laghi e fiumi), attraverso lo studio dei processi sia produttivi che degradativi. Tra questi, le attività coinvolte nella produzione, decomposizione e mineralizzazione dei polimeri organici, attraverso stima dei tassi di attività microbica (enzimatica e respiratoria). Oltre che sulla comunità microbica in toto, analisi vengono condotte anche su ceppi batterici isolati da matrici ambientali o da microflora associata ad organismi al fine di caratterizzarne i profili biochimici e le potenzialità nei processi di decomposizione e mineralizzazione della materia organica. I dati ottenuti costituiscono uno strumento indispensabile per comprendere la risposta delle comunità microbiche alle variazioni ambientali e gli impatti potenziali sul funzionamento dell’ecosistema polare. I processi biogeochimici mediati dalla componente microbica sono oggetto di studio anche nell’ambito della criosfera per comprendere il significato ecologico dei microbi nella neve e nel permafrost, e la loro capacità di mantenere un metabolismo attivo in condizioni di vita estreme.

Principali settori ERC:
• LS8_10 - Ecology and evolution of species interactions
• LS8_12 - Microbial ecology and evolution
• PE10_9 - Biogeochemistry, biogeochemical cycles, environmental chemistry

Biotecnologie

La maggiore comprensione dei processi biologici e i recenti progressi nel campo delle biotecnologie consentono di utilizzare il mondo naturale per ottenere progressi in diversi settori industriali, quali ad esempio lo sviluppo di farmaci e additivi alimentari. In generale, il termine bioprospecting viene adoperato per indicare l'esplorazione di esseri viventi e materiale biologico ai fini della ricerca di biomolecole che possano essere utili per l’uomo. In questo ambito, risorse genetiche scarsamente conosciute e poco descritte presentano un alto potenziale per la scoperta di nuovi e preziosi prodotti naturali. Pertanto, gli organismi polari, date le loro peculiari capacità metaboliche e gli adattamenti fisiologici a condizioni ambientali estreme, ben si prestano allo scopo.
Non viene, inoltre, trascurato lo sviluppo di nuove biotecnologie in grado di realizzare opere di bio-risanamento e bio-mitigazione di matrici ambientali impattate da differenti tipologie di inquinanti (organici e inorganici) direttamente in-situ, stimolando la comunità microbica indigena sia essa aerobica, microaerofila o anaerobica, includendo funghi e alghe, al fine di sviluppare nuove strategie di bioremediation (e.g. bioaugmentation, biostimulation, phytoremediation). Batteri psicrofili, come elemento biologico, vengono utilizzati per lo sviluppo di nuovi biosensori per il monitoraggio in real-time e funzionanti a basse temperature. I biosensori basati su cellule batteriche offrono il vantaggio di avere un’elevata specificità verso il substrato e un immediato meccanismo di risposta divenendo un valido sistema di early-warning sulla presenza (biodisponibilità) dell’inquinante e sul suo effetto sui sistemi viventi.

Principali settori ERC:
• LS9_4 - Microbial biotechnology and bioengineering
• PE10_17 - Hydrology, hydrogeology, engineering and environmental geology, water and soil pollution

Astrobiologia

Gli ambienti estremi possono essere sfruttati come analoghi terrestri per la ricerca di risposte legate all'origine, evoluzione e distribuzione delle forme viventi nell'universo. I loro parametri geologici ed ambientali non replicano del tutto, ma certamente mimano quelli riscontrati ad esempio su Marte e Venere, e le lune di Giove (ad esempio Europa) e Saturno (Titano ed Encelado). In questo contesto, allo scopo di stabilire se le condizioni fisico/chimiche di un determinato corpo celeste possano sostenere la vita come noi la conosciamo sulla Terra, alcuni habitat polari sono l’oggetto di indagini sull’abitabilità galattica. Recenti evidenze scientifiche hanno dimostrato, infatti, come i laghi iper-salati antartici, i laghi sub-glaciali ed anche i vulcani sub-glaciali presentano fortissime similitudini con possibili hot-spot di vita in contesti extraterrestri come i poli Marziani e le spesse coltri di ghiaccio ed i sottostanti oceani di Europa ed Encelado. Tali ambienti si prestano per testare metodologie, protocolli e tecnologie, atti sia alla ricerca di possibili tracce di vita in future missioni spaziali sia per stabilire i processi fisici e chimici o i meccanismi di sopravvivenza e adattamento degli organismi a queste condizioni estreme. Le informazioni ottenute tramite questi studi sono essenziali per migliorare la comprensione delle capacità metaboliche di organismi poli estremofili, in vista di un loro possibile utilizzo per il bioprospecting biotecnologico, e per ampliare le nostre conoscenze sui limiti ambientali ai quali la vita è stata in grado di adattarsi, sia nel presente sia nel passato geologico. Temi attuali di frontiera sono la produzione di cibo e/o di energia da parte di microorganismi. Questi studi nei prossimi decenni saranno la base per le prossime sfide di conquista di nuovi mondi.

Principali settori ERC:
•PE9_4 - Astrobiology

Progetto ICE-MEMORY

Ice Memory è un progetto di ricerca internazionale, riconosciuto dall’UNESCO, che mira a preservare una testimonianza dei ghiacciai attuali, minacciati dal riscaldamento globale, per le generazioni future. Il progetto si propone di raccogliere carote di ghiaccio dai ghiacciai di tutto il mondo e di conservarle in una «biblioteca» per preservare le informazioni che tali veri e propri archivi di epoche passate possono fornire. A questo scopo è stato predisposto un sito in Antartide dove le carote verranno trasferite e conservate per salvaguardare le informazioni in esse racchiuse per le future generazioni di scienziati.

A partire dal 2015 sono stati eseguiti vari carotaggi in diverse aree del pianeta:
  - Col du Dôme, M.te Bianco, Italia
  - Nevajo Illimani, Bolivia
  - M.te Elbrus, Georgia
  - Altai, Russia
  - Grand Combin, Svizzera

Contatto: carlo.barbante AT cnr.it
Per ulteriori informazioni visita i siti https://www.ice-memory.org e https://www.icememory.it

Atmosfera

L’atmosfera polare è caratterizzata da una forte stabilità e dalla forte inversione termica che si determina in tali regioni (la temperatura aumenta all’aumentare della quota rispetto al suolo, al contrario di quanto avviene nelle regioni a medie latitudini), entrambi fenomeni che sono conseguenza del suolo quasi perennemente congelato o coperto di neve e ghiaccio. Tale proprietà vale anche per la superficie del mare, quando ricoperta dal ghiaccio.
Un altro elemento importante dell’atmosfera polare è rappresentato dalla presenza del cosiddetto vortice polare, un moto vorticoso delle masse d’aria intorno al polo che tiene separate le masse d’aria fredda polari da quelle più calde alle medie latitudini. La conoscenza delle caratteristiche termodinamiche dell’atmosfera polare è fondamentale per poter studiare i cicli biogeochimici di specie naturali e i processi di trasporto a lunga distanza di componenti atmosferici dalle aree antropizzate.

Le attività di ricerca svolte presso ISP sono finalizzate ad approfondire la conoscenza dei processi e delle interazioni tra le diverse componenti del sistema climatico, in modo particolare alle interfacce aria-neve-suolo e aria-mare-ghiaccio marino.

Composizione atmosferica

Le regioni polari rappresentano un laboratorio a cielo aperto per studiare i cicli biogeochimici di specie naturali, le trasformazioni chimiche atmosferiche in un continente incontaminato, così come i processi di trasporto dalle medie e dalle basse latitudini. Diversi costituenti caratterizzano la composizione atmosferica, tra cui rivestono una notevole importanza i gas cosiddetti serra (quali il vapore acqueo, l’anidride carbonica ed il metano le cui concentrazioni sono influenzate da attività antropiche e da processi naturali), e gli aerosol. Questi ultimi costituenti hanno un impatto notevole nelle regioni polari perché contribuiscono fortemente ai processi di retroazione che amplificano i cambiamenti climatici.
L’aerosol atmosferico è composto da particelle in sospensione all'interno dell'atmosfera, che possono essere di origine naturale (tramite sollevamento ad opera dei venti di particelle da superfici denudate o desertiche, di spume marine e di particelle di origine vulcanica o legate a grandi incendi) o antropica (emissioni industriali e da combustibili). Lo studio della composizione chimica dell'aerosol antartico e artico è uno dei punti chiave nella ricerca polare. Questi studi sono eseguiti mediante l’utilizzo di specifici traccianti chimici, come ad esempio i componenti idrosolubili, gli acidi organici, gli zuccheri, i composti fenolici, gli amminoacidi, gli elementi in traccia o le terre rare. L’aerosol svolge un importante ruolo nella regolazione del clima interagendo con la radiazione solare e modificando le proprietà microfisiche delle nubi.

Meteorologia e clima

La dinamica dell’atmosfera polare è caratterizzata alla presenza del cosiddetto vortice polare, costituito dal flusso zonale le cui linee di flusso si chiudono intorno al polo separando le masse d’aria fredda polari da quelle più calde alle medie latitudini. L’intensità e la dimensione del vortice può cambiare durante la stagione: mentre si riduce in primavera ed estate, esso si espande in inverno formando dei lobi che raggiungono le medie latitudini e determinano condizioni meteorologiche particolarmente rigide soprattutto nell’emisfero boreale.

Come in altre regioni del pianeta anche nelle aree polari i fenomeni meteorologici sono strettamente legati ai cambiamenti climatici; ma nelle regioni polari i processi associati ai cambiamenti climatici sono amplificati da meccanismi di retroazione in conseguenza dell’aumento della temperatura dell’aria, che contribuisce ad accelerare la fusione del ghiaccio marino, ad aumentare l’umidità, la nuvolosità e le precipitazioni, che contribuiscono a loro volta ad amplificare i processi, con una ricaduta complessiva sul bilancio radiativo e quindi sull’energia del sistema climatico.
È fondamentale il monitoraggio dei parametri fisici (temperatura, umidità, vento e precipitazione, nubi, radiazione) e la composizione (gas e aerosol) dell’atmosfera per comprendere le interazioni tra le varie componenti e migliorare la qualità dei modelli di previsione meteoclimatici.

Processi fisici nello strato limite

Attraverso lo strato limite atmosferico avviene lo scambio di energia e di massa tra la superficie e l’atmosfera libera. Il meccanismo è regolato dal bilancio di radiativo che nelle regioni polari è negativo (raffreddamento della superficie) e determina prevalentemente condizioni di forte stabilità atmosferica. Gli scambi avvengono principalmente attraverso moti verticali ma, date le condizioni di stabilità, i processi sono molto deboli ed è difficile verificare la l’applicabilità delle teorie valide alle medie e basse latitudini. Lo studio di tali processi in queste condizioni è di fondamentale importanza per caratterizzare lo strato limite e sviluppare parametrizzazioni specifiche per gli ambienti polari per migliorare la qualità dei risultati dei modelli di previsione meteorologici e climatici.

Telerilevamento

Il telerilevamento offre numerose opportunità per lo studio da remoto delle caratteristiche dell’atmosfera e della superficie. Il telerilevamento può essere attivo o passivo e essere utilizzato su diverse piattaforme da terra, da aereo o da satellite. Gli strumenti attivi da terra (come il lidar, il sodar, il radar) permettono di ottenere i profili delle grandezze misurate in atmosfera, rispettivamente usati per i profili di aerosol, di vento e di precipitazione. Gli strumenti passivi sono i cosiddetti radiometri e fotometri i quali forniscono una misura integrata della grandezza osservata in atmosfera. Sono di questo tipo i radiometri nelle diverse bande spettrali, dal visibile all’ultravioletto, alle microonde. La stessa tipologia di sensori può essere utilizzata da aereo o da satellite per osservare nubi, mare, neve, terreno ghiaccio per ottenere informazioni su scale spaziali estese della temperatura, dell’albedo, del vento, delle caratteristiche del terreno.

ISP ha notevole esperienza nell’utilizzo del della radiometria UV per la misura dell’ozono, della fotometria (solare e lunare) per la definizione dello spessore ottico atmosferico, della radiometria nel vicino infrarosso per lo studio delle caratteristiche spettrali della neve e della radiometria a banda larga per la misura del bilancio radiativo alla superficie.

Oceanografia

Gli oceani e i mari polari sono studiati nelle loro proprietà chimico-fisiche, i loro movimenti, gli scambi energetici tra oceano e atmosfera, gli organismi che vi vivono (compresa la loro ecologia e origine) e la struttura geologica dei bacini oceanici, nonché i sedimenti che vi si depositano.

ISP possiede competenze su diversi aspetti dello studio dell’oceanografia polare.

Oceanografia fisica e chimica

Gli oceani polari sono uno dei motori che influenzano l’intero Sistema Terra. Ai poli infatti si generano delle acque che si diffondono per tutti gli Oceani fino al polo opposto "alimentando" la Conveyor Belt. Le masse d'acqua coinvolte trasportano sia energia che sostanze disciolte, gas e particelle insolute con la conseguenza di influenzare significativamente la composizione stessa delle acque e, da ultimo, il clima terrestre. Lo studio della geochimica delle masse d’acqua polari (mediante la determinazione di elementi in traccia, di composti organici e degli isotopi stabili e radiogenici) consente di valutare i rapporti che intercorrono fra le diverse masse d’acqua (di neoformazione e/o acque “vecchie” provenienti da latitudini più basse), di comprendere i processi in atto e, per finire, di fornire i dati necessari alla creazione e all’implementazione di modelli che consentiranno di comprendere l’interazione delle diverse masse d’acqua e, più in generale, l’evoluzione del sistema climatico terrestre.

Oceanografia biologica

Le relazioni tra il comparto abiotico e quello biotico generano un flusso ciclico di materia nell’epipelago, alimentato dall'energia solare nei periodi di luce, che può essere perturbato da cause naturali e/o antropiche. Le basse temperature e l’assenza della luce nel meso- e batipelago non sono un limite per la vita, compreso nell’habitat bentonico. La lunga notte polare condiziona fortemente la vita sotto il ghiaccio marino stagionale in termini di flussi di materia a disposizione della rete trofica marina che nei mesi invernali è costretta a fare lunghi percorsi migratori. In primavera invece il ghiaccio marino diventa l’habitat template di un insieme di organismi autotrofi ed eterotrofi e dopo la sua fusione, rilascia un notevole apporto di nutrienti essenziali e sostanza organica, e favorisce la fertilizzazione del mare. La rete trofica marina in estate trasferisce flussi di materia verso la terra ferma contribuendo anche in parte, nelle fasce litorali costiere, al mantenimento della rete trofica terrestre.

Paleoceanografia

Le carote di sedimento marino prelevate nei mari polari sono un archivio climatico che consente di studiare eventi climatici recenti e del passato geologico. Lo studio di questi archivi valuta l’impatto che le forzanti naturali (quali ad esempio l’estensione del ghiaccio marino, la produttività oceanica e le eruzioni vulcaniche) hanno avuto e potranno avere sull’evoluzione climatica del nostro pianeta. Uno dei temi principali nello studio dei cambiamenti climatici è rappresentato dalla capacità di discriminare la variabilità naturale del clima dalle interferenze di origine antropica e per questo ci si avvale di misure indirette (proxies). L’utilizzo di proxies geochimici, quali gli elementi in traccia, gli isotopi stabili e radiogenici, i composti organici e la silice biogenica negli archivi sedimentari marini e nello scheletro degli organismi carbonatici (foraminiferi, coralli profondi, balanidi) permette di ricostruire le variazioni di temperatura, salinità, ciclo del carbonio, estensione del ghiaccio marino, produttività, circolazione e ventilazione degli oceani polari nel passato. Inoltre, una migliore comprensione della variabilità climatica naturale attraverso l’acquisizione di dati paleoceanografici e il confronto con le simulazioni ottenute da modelli climatici, consentono di migliorare le performance dei modelli previsionali.

Le sfide principali dell’Istituto di Scienze Polari nella ricerca paleoceanografica riguardano soprattutto l’acquisizione di record paleoceanografici ad alta risoluzione nel Mare di Ross e in diverse regioni dell’Oceano Artico e lo sviluppo di nuovi proxies geochimici per lo studio della variabilità climatica nelle regioni polari durante il Quaternario.

Foto di Leonardo Langone (CNR-ISP) - Sedimenti laminati prelevati nella Baia di Edisto (Mare di Ross)

Biologia e Ecosistemi

Gli ambienti polari mostrano un’elevata biodiversità sia su scala spazio-temporale sia nei diversi livelli di organizzazione biologica, dalle molecole all’intero ecosistema. I recenti e rapidi cambiamenti climatici e ambientali rendono urgente la necessità di comprendere la risposta delle comunità biologiche e l’impatto su di esse a breve e lungo termine. In questo contesto, i ricercatori dell’ISP affrontano lo studio di diversi aspetti bio-ecologici nell’ecosistema marino e terrestre di entrambi i poli. La ricerca si sviluppa su quattro campi di indagine principali a volte interconnessi tra loro.

Biodiversità ed adattamento

Le comunità biologiche polari sono generalmente sottoposte all’influenza di diversi fattori concomitanti alla bassa temperatura, quali essiccamento, copertura di ghiaccio, scarsa disponibilità di nutrienti, esposizione a radiazioni solari nocive (ad esempio radiazioni UV-B), fotoperiodi estremamente variabili e, in casi specifici, elevate salinità e stress osmotico. La biodiversità garantisce il funzionamento di tutti gli ecosistemi, per cui studiare le proprietà e l’evoluzione temporale degli ecosistemi polari costituisce uno strumento di fondamentale importanza per migliorare le nostre conoscenze sullo stato attuale e per predirne il futuro, anche in relazione ai cambiamenti climatici. L’analisi e il monitoraggio della biodiversità delle comunità biologiche e delle loro dinamiche ecologiche costituiscono il punto focale di questa tematica di ricerca. Di particolare interesse è anche lo studio dei meccanismi di adattamento morfologico-funzionale adottati dagli organismi polari per la sopravvivenza in condizioni estreme.

Risposta a forzanti naturali e antropiche

Negli ultimi decenni l’impatto antropico nelle regioni polari ha subito un notevole incremento derivante da attività umane a livello locale e su scala globale. L’effetto dell’attività umana può essere valutato sulla base della risposta degli organismi, delle popolazioni e delle comunità ai cambiamenti globali ed alla pressione antropica (soprattutto in termini di inquinamento di tipo chimico e acustico), entrambi possibili cause di modificazione degli ecosistemi e della loro biodiversità. A questo scopo sono utilizzati anche specifici indicatori biometrici, biochimici ed immunologici. Tra gli aspetti maggiormente valutati sono compresi l’impatto sulla fisiologia e sul comportamento, la distribuzione geografica e la composizione in specie, e le interazioni intraspecie all’interno delle comunità biologiche.

Aspetti biotecnologici

Aspetti biotecnologici La maggiore comprensione dei processi biologici e i recenti progressi nel campo delle biotecnologie consentono di utilizzare il mondo naturale per ottenere progressi in diversi settori industriali, quali ad esempio lo sviluppo di farmaci e additivi alimentari. In generale, il termine bioprospecting viene adoperato per indicare l'esplorazione di esseri viventi e materiale biologico ai fini della ricerca di biomolecole che possano essere utili per l’uomo. In questo ambito, risorse genetiche scarsamente conosciute e poco descritte presentano un alto potenziale per la scoperta di nuovi e preziosi prodotti naturali. Pertanto, gli organismi polari, date le loro peculiari capacità metaboliche e gli adattamenti fisiologici a condizioni ambientali estreme, ben si prestano allo scopo. Non viene, inoltre, trascurato il possibile coinvolgimento di organismi polari nella rimozione di sostanze inquinanti, anche persistenti, a bassa temperatura.

Implicazioni astrobiologiche

Nella ricerca di risposte legate all'origine, evoluzione e distribuzione delle forme viventi nell'universo, gli ambienti estremi possono rappresentare analoghi terrestri per studi astrobiologici. I loro parametri geologici ed ambientali non replicano del tutto, ma certamente mimano quelli riscontrati ad esempio su Marte e Venere, e le lune di Giove (ad esempio Europa) e Saturno (Titano ed Encelado). In questo contesto, allo scopo di stabilire se le condizioni fisico/chimiche di un determinato corpo celeste possano sostenere la vita come noi la conosciamo sulla Terra, alcuni habitat polari sono l’oggetto di indagini sull’abitabilità galattica. Tali ambienti si prestano per testare metodologie, protocolli e tecnologie, nonché per stabilire i processi fisici e chimici o i meccanismi di sopravvivenza e adattamento dei microrganismi, favorendo la nostra attuale comprensione dei limiti della vita, sia nel presente che nel passato geologico.

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Criosfera

La fusione sempre più evidente delle calotte glaciali e dei ghiacciai in generale, il conseguente cambiamento del livello del mare, la distruzione delle piattaforme glaciali mettono in evidenza come questa parte della criosfera costituisca una porzione fragile del sistema Terra. I ghiacciai sono archivi climatici unici che ci offrono l'opportunità di indagare il clima del passato e di valutare i cambiamenti in atto nella prospettiva di lunghe scale temporali. Tali cambiamenti sono però resi evidenti anche dalla fusione del permafrost che ha un drammatico impatto nelle aree polari ma anche alle medie latitudini. In questo difficile contesto di cambiamenti climatici i ricercatori dell’Istituto di Scienze Polari affrontano, con attività di ricerca tra loro interconnesse, lo studio di neve e ghiaccio, della loro composizione chimica nonché dei principali parametri fisici, l’evoluzione del permafrost e l’impatto che la crescente fusione ha su atmosfera, biosfera e idrosfera sia a livello regionale che globale.

Manto nevoso

La neve, oltre ad influenzare il bilancio di massa dei ghiacciai e delle calotte polari, riflette la composizione chimica atmosferica ed interagisce in modo dinamico con tutte le altre componenti ambientali delle regioni polari. Rappresenta una porzione della criosfera estremamente reattiva dove molteplici processi post-deposizionali possono avvenire. Lo studio del manto nevoso in tali regioni diventa quindi indispensabile per comprendere i processi, le interazioni ed i cambiamenti che esso stesso sta subendo a seguito del cambiamento climatico in atto e per valutare le ricadute sul sistema globale. È inoltre fondamentale per la comprensione dei meccanismi di ri-emissione e rilascio di composti accumulatisi durante la notte polare e l’impatto non trascurabile che tale rilascio può avere sui cicli bio-geochimici polari.

Foto di Elena Barbaro (CNR-ISP)

Paleoclima

Le carote di ghiaccio, prelevate sia da aree polari che da ghiacciai delle medie latitudini, costituendo un vero e proprio archivio climatico, consentono di studiare eventi climatici e paleoclimatici succedutisi nel tempo e di valutare l’impatto che forzanti naturali quali vulcani, incendi, ghiaccio marino, produttività oceanica, e attività antropiche hanno avuto e potranno avere sull’evoluzione climatica del nostro pianeta. Ulteriori elementi diagnostici sono forniti dagli archivi climatici marini che in analogia con i record terrestri permettono la ricostruzione del ghiaccio marino, la produttività primaria e l’impatto dell’uomo.
In quest’ottica, l’integrazione di record diversi ma complementari è fondamentale per lo studio integrato del clima del passato. L’analisi di composti organici, specie ioniche, elementi in traccia e di proxies climatici può fornire informazioni utili su quale sia stata l’evoluzione nel tempo di particolari processi ambientali, di come siano cambiati in epoche storiche e di come possano aver amplificato\mitigato le alterazioni climatiche. Lo studio di dati relativi al passato climatico del nostro pianeta oltre alla comprensione dell’impatto sul clima delle attività umane e/o di eccezionali eventi naturali, può aiutare nella definizione di possibili scenari futuri attraverso l’implementazione di modelli climatici e di approcci multi-proxy.

Foto di Jacopo Gabrieli (CNR-ISP)

Permafrost

Il permafrost tiene immagazzinate e segregate al suo interno grandi quantità di carbonio organico (OC). L'aumento della temperatura, dovuto ai cambiamenti climatici in atto, sta causando la fusione di rilevanti porzioni di permafrost rendendo di fatto disponibile alla decomposizione microbica il contenuto di OC. I processi metabolici legati alla riattivazione del permafrost possono quindi liberare in atmosfera rilevanti quantità di gas serra, quali anidride carbonica e metano, in grado di incidere sul cambiamento climatico. L'estensione, la velocità di fusione, la variabilità spaziale di questi processi sono ancora poco conosciuti e rappresentano una delle principali incognite sulla previsione del feedback al clima. Ma il permafrost, oltre che sulla terra, si trova anche sotto il fondo del mare, nelle piattaforme continentali delle regioni polari. Il permafrost sottomarino, formatosi durante l'ultima era glaciale, rappresenta un fattore molto importante per la stabilità/instabilità delle zone costiere e delle strutture fondate sul fondo del mare ma soprattutto la sua destabilizzazione può portare al rilascio di grandi quantità di gas metano, che è un potente gas serra.

Foto di Rachele Lodi (CNR-ISP)

Remote-sensing

L’ISP possiede competenze sull’uso del telerilevamento da satellite per lo studio della superficie terrestre e marina, utilizzando sensori passivi e attivi.
Remote Sensing con sensori attivi
I sensori attivi sono dei radar che operano giorno e notte e con qualunque copertura nuvolosa alle frequenze delle microonde. Essi sono perciò adatti a monitorare le zone polari. Nelle Svalbard e in Artico si utilizzano le immagini fornite dal Synthetic Aperture Radar ad alta risoluzione spaziale (pochi metri) per l’individuazione delle aree di ghiaccio marino nelle zone costiere, la determinazione del vento sulla superficie del mare e dei movimenti del ghiaccio artico. Quest’ultima attività è svolta nell’ambito del progetto artico MOSAiC con le immagini SAR di CosmoSkyMed fornite dall’Agenzia Spaziale Italiana. Sono utilizzati anche i dati di vento forniti dagli scatterometri sul mare, per studi climatologici e di meteorologia dinamica.

Modelli ghiacciai di van pelt (Paper - data repository)

Esempio delle immagini SAR del satellite COSMO-SkyMed di ASI nella zona di operazione della spedizione MOSAiC ottenute quotidianamente. L'asterisco in rosso indica la posizione del rompighiaccio Polarstern, mentre le linee rosse i suoi movimenti nei giorni precedenti.

Remote sensing con sensori passivi
I sensori passivi sono progettati per registrare la radiazione solare riflessa dalla superficie terrestre in specifici intervalli spettrali che vanno dal visibile, all’infrarosso vicino, medio e termico. Misurando la radiazione riflessa in questi intervalli è possibile riconoscere anche da remoto le proprietà chimico fisiche dei materiali superficiali.
Nelle aree polari l’utilizzo di immagini multispettrali, a diversa risoluzione spaziale e temporale, svolge quindi un ruolo importante nel riconoscimento e nel monitoraggio delle diverse coperture nevose, del ghiaccio marino e terreste e non ultimo della vegetazione. Sempre più numerose sono le missioni satellitari dedicate all’osservazione della Terra (Copernicus) che attraverso l’integrazione di dati acquisiti con sensori attivi e passivi cercano di monitorare il delicato equilibrio delle aree polari.

Ministero dell'Universita e Ricerca
Programma Ricerche Artico
Programma Nazionale di Ricerca in Antartide

Ministero degli Affari Esteri e della Cooperazione Internazionale
L'Italia e l’Artico
L’Italia e l’Antartide

   CNR-ISP
   Consiglio Nazionale delle Ricerche
   Istituto di Scienze Polari
   c/o Campus Scientifico - Università Ca' Foscari Venezia - Via Torino, 155 - 30172 VENEZIA MESTRE (VE)

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