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.
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
Progetti
• BETHA-NyÅ - Boundary layer Evolution Through Harmonization of Aerosol measurements at Ny-Ålesund research stations
• CAIAC ( oCean Atmosphere Interactions in the Antarctic regions and Convergence latitude)
• CASSANDRA - AdvanCing knowledge on the present Arctic Ocean by chemical-phySical, biogeochemical and biological obServAtioNs to preDict the futuRe chAnges
• CCAC (Chemical Composition of Aerosol in Clouds)
• ELENO - Habitat templatE, microbiaL signaturEs and icoNic life in a changing Arctic Ocean
• MIST-CA2 - Quantification of the Mixing state of Carbonaceous Aerosol in the Arctic
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
Progetti
• CASSANDRA - AdvanCing knowledge on the present Arctic Ocean by chemical-phySical, biogeochemical and biological obServAtioNs to preDict the futuRe chAnges
• CHARCOT - An oceanographic snapshot in the CHanging ARctiC passing thrOugh The North Pole
• CIRCE - SearChIng for EmeRging Contaminants in Sub-Arctic rivErs
• CRYOCARB - Bacterial LPSs and EPSs structural features in response to temperature fluctuations in the Antarctic Sea
• DON JUAN - Confining the window-for-life: recovery and analysis of bio-signatures in CaCl2-saturated Don Juan Pond
•ECOClimate - Nutrient cycling, Ecosystem functioning and Climate change in Arctic lake ecosystems
• ELENO - Habitat templatE, microbiaL signaturEs and icoNic life in a changing Arctic Ocean
• EMSO-Italia
• EMSO ERIC
• EXPLORA - EXplore PLastic pOllution in teRrestrial Antarctica
• FIKO
• ICEtoFLUX - HydrologIcal changes in ArctiC Environments and water-driven biogeochemical FLUXes
• ImpAct - Input Pathways of persistent organic pollutants to AntarCTica
• IPECA - Interactions between Permafrost and Ecosystems in Continental Antarctica
• MicroPolArS - Microbial response to human Pollutants in polAr lakeS
• MICROTRACER - Small MICROplastics bioindicaToRs in the changing ArctiC EnviRonment
• MIMIC - Multidisciplinary Investigations on mount Melbourne volcano and its fumarolic Ice Caves
• RESTORE - Robotic-based invESTigation and mOnitoring Ross sEa
• ROss'n'Roll Ross Sea ecosystem and emerging contaminants: new challenges and potential threats in a changing world
• SAMOTHRACE - SiciliAn Micro and NanO TecHnology Research and InnovAtion Center
• SIGNATURE - PhySIcal and bioGeochemical traciNg of wATer masses at source areas and export gates in the Ross Sea and impact on the SoUtheRn OcEan
• SNOW-BALL - Mercury concentration and tolerant microorganisms in Arctic SNOW: new Bioremediation chALLenges
• TEMPLE LIFE - The TEMPLE of LIFE in the west Antarctic seas: from microbes to iconic animals
• TUNU - Euro-Arctic marine fishes – diversity and adaptation
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.
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
Progetti
• ICEtoFLUX - HydrologIcal changes in ArctiC Environments and water-driven biogeochemical FLUXes
• IPECA - Interactions between Permafrost and Ecosystems in Continental Antarctica
• SNOW-BALL - Mercury concentration and tolerant microorganisms in Arctic SNOW: new Bioremediation chALLenges
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.
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
Progetti
• CASSANDRA - AdvanCing knowledge on the present Arctic Ocean by chemical-phySical, biogeochemical and biological obServAtioNs to preDict the futuRe chAnges
• CHIMERA - CryptotepHra In Marine sEquences of the Ross Sea, Antarctica: implications and potential applications
• CIRCE - SearChIng for EmeRging Contaminants in Sub-Arctic rivErs
• COLLAPSE
• DON JUAN - Confining the window-for-life: recovery and analysis of bio-signatures in CaCl2-saturated Don Juan Pond
• ECOClimate - Nutrient cycling, Ecosystem functioning and Climate change in Arctic lake ecosystems
• ELENO - Habitat templatE, microbiaL signaturEs and icoNic life in a changing Arctic Ocean
• EMSO-Italia
• EMSO ERIC
• FIKO
• ICEtoFLUX - HydrologIcal changes in ArctiC Environments and water-driven biogeochemical FLUXes
• IPECA - Interactions between Permafrost and Ecosystems in Continental Antarctica
• MicroPolArS - Microbial response to human Pollutants in polAr lakeS
• MICROTRACER - Small MICROplastics bioindicaToRs in the changing ArctiC EnviRonment
• RESTORE - Robotic-based invESTigation and mOnitoring Ross sEa
• SIGNATURE - PhySIcal and bioGeochemical traciNg of wATer masses at source areas and export gates in the Ross Sea and impact on the SoUtheRn OcEan
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.
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
Progetti
• ECOClimate - Nutrient cycling, Ecosystem functioning and Climate change in Arctic lake ecosystems
• EXPLORA - EXplore PLastic pOllution in teRrestrial Antarctica
• ICEtoFLUX - HydrologIcal changes in ArctiC Environments and water-driven biogeochemical FLUXes
• IPECA - Interactions between Permafrost and Ecosystems in Continental Antarctica
• MIMIC - Multidisciplinary Investigations on mount Melbourne volcano and its fumarolic Ice Caves