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Magnetismo Ambientale


Il “Magnetismo ambientale” si colloca all’interno delle nuove e importanti applicazioni del paleomagnetismo per lo studio di paleovariazioni ambientali e climatiche, condotto tramite l’analisi di dettaglio della mineralogia magnetica di sequenze sedimentarie marine, lacustri o dei depositi di loess. In tutti i casi proposti le variazioni stratigrafiche delle proprietà magnetiche vengono utilizzate anche per effettuare correlazioni, ottenere modelli di età, identificare sorgenti di sedimento e meccanismi di trasporto, caratterizzare i processi deposizionali e post-deposizionali (es. formazione di fasi autigene e/o diagenetiche), e per identificare eventuali ciclicità nelle proprietà magnetiche e le loro relazioni con i processi ambientali ed astronomici.

Il presupposto fondamentale del magnetismo ambientale è che le variazioni delle proprietà magnetiche dei sedimenti risultano strettamente legate al quantitativo, alla natura e alla granulometria della componente terrigena, nonché ai differenti processi diagenetici in atto nell’ambiente di sedimentazione. Tramite l’analisi dell’andamento stratigrafico di alcuni parametri magnetici è quindi possibile fornire una stima semi-quantitativa delle variazioni in concentrazione, composizione e granulometria dei minerali magnetici presenti in una successione sedimentaria, a loro volta legati ai mutamenti ambientali, climatici e paleoceanografici occorsi in un bacino di sedimentazione.

Negli ultimi anni, grazie ai progressi fatti nella comprensione dei processi di magnetizzazione dei sedimenti e al miglioramento delle tecniche di datazione degli stessi, il data base paleomagnetico globale si è notevolmente arricchito, consentendo in molti casi di migliorare le conoscenze sui cambiamenti climatici sia a scala locale che globale, e di produrre nuovi vincoli alla modellizzazione degli stessi. Di particolare interesse, a questo riguardo, è l’uso di misure magnetiche nello studio delle sequenze stratigrafiche campionate in diversi settori dei margini continentali Antartici.

Studio di successioni sedimentarie marine dai margini antartici

Nell’ambito del progetto SEDANO (SEdiment Drifts of ANtarctic Offshore)-PNRA, sono state studiate tre carote sedimentarie, ricoprenti l’ultimo ciclo glaciale-interglaciale, provenienti dal margine occidentale della Penisola Antartica (fig. 1).

Figura 1 Collocazione geografica delle carote del progetto SEDANO prelevate sul margine continentale pacifico della Penisola Antartica.

L’analisi paleomagnetica, condotta in continuo ogni centimetro su cosiddetti u-channel, ha permesso di ottenere la variazione stratigrafica di diversi parametri magnetici, tra i quali il parametro dipendente dalla coercitività MDFNRM (median destructive field dell’NRM) che mostra dei minimi molto pronunciati in corrispondenza di caratteristici livelli decimetrici scuri, presenti nell’ultimo periodo glaciale (fig. 2). Secondo le interpretazioni di mineralogia magnetica tali livelli scuri rappresenterebbero un chiaro segnale climatico, caratterizzato da una variazione nei processi diagenetici di formazione dei solfuri, dovuta a cambiamenti nella quantità di materia organica immessa nel bacino sedimentario, a sua volta controllata dall’estensione della calotta glaciale della Penisola Antartica.

Figura 2 Variazione stratigrafica del parametro magnetico, dipendente dalla coercitività, MDFNRM che mostra dei minimi molto pronunciati in corrispondenza di livelli decimetrici scuri presenti nell’ultimo periodo glaciale (B), aree in grigio.

Accanto alle tecniche proprie della Magnetostratigrafia, che utilizza le inversioni ed escursioni del campo geomagnetico registrate dai sedimenti per datare una successione sedimentaria, negli ultimi anni si è sviluppato un ulteriore metodo di datazione che consente di ottenere modelli di età ad alta risoluzione tramite la correlazione tra le curve di paleointensità relativa ottenute per ciascuna sequenza sedimentaria indagata e alcune curve sintetiche di riferimento disponibili a scala globale. In fig. 3 è mostrato il confronto tra la curva sintetica di Paleointensità (Stack) ottenuta per le carote del progetto SEDANO e la curva di riferimento SINT-800 di Guyodo and Valet, 1999. 

Figura 3click per ingrandire Per ottenere un modello di età originale per le successioni sedimentarie, è stata calcolata una curva cumulativa delle carote di SEDANO sia per l’inclinazione della ChRM, che per la paleointensità relativa (RPI), quest’ultima è infine correlata con la curva sintetica di riferimento SINT-800 di Guyodo and Valet, 1999.

Il modello di età ad alta risoluzione, ottenuto per le carote di SEDANO tramite il metodo della Paleointensità ha evidenziato come vi sia una precisa correlazione temporale tra i livelli decimetrici scuri a mineralogia magnetica distinta presenti nell’ultimo interglaciale e particolari episodi climatici a scala millenaria, riconosciuti nei sedimenti del nord Atlantico e in altre parti del globo, noti come “Heinrich events” (fig. 4). Con questo studio, si sono dunque ottenute le prime evidenze della presenza di precisi marker climatici, coevi agli eventi riconosciuti nell’emisfero settentrionale, anche nelle successioni sedimentarie dei margini peri-antartici, ovvero in sedimenti di alte latitudini dell’emisfero meridionale. 

Figura 4 Variazioni cronostratigrafiche dell’MDFNRM nelle carote SED-02 e SED-04, confrontate con le età degli Heinrich events (H1-H6) del Nord Atlantico. Le età H1-H6 sono ricavate dalla cronostratigrafia “geomagnetica” di carote dal Labrador Sea (A) e dalle età al radiocarbonio recentemente compilate per gli H-layers del nord Atlantico (B).

 

 Analisi delle proprietà magnetiche del PM10

Una recente applicazione del Magnetismo ambientale è lo studio delle proprietà magnetiche delle polveri sottili atmosferiche (PM10) condotto tramite l’analisi dei filtri collezionati dalle centraline delle reti di monitoraggio della qualità dell’aria, o tramite l’analisi della polvere depositata sulle foglie degli alberi presenti in aree urbane ed extraurbane.

Nel 2004 uno studio condotto dal nostro laboratorio in convenzione con la Regione Lazio ha permesso di ottenere, nell’arco di un anno di osservazione e misura di sei stazioni regionali (fig. 5), una stima semiquantitativa del contributo alla concentrazione totale delle particelle di PM10 derivante da processi inquinanti, rispetto alla frazione di particolato proveniente da altre sorgenti (es. naturali). Ciò è possibile perché le particelle magnetiche del PM10 che derivano dai processi di combustione dei veicoli, per lo più sferule di magnetite o maghemite di dimensioni submicroscopiche, sono contraddistinte da proprietà magnetiche intense e stabili misurabili in termini di suscettività magnetica.

Figura 5 Localizzazione delle sei stazioni regionali misurate nell’ambito del progetto in convenzione con la regione Lazio: Roma-Villa Ada, Roma-Magnagrecia, Fontechiari, Viterbo, Latina, Frosinone scalo. La cadenza delle misurazioni è giornaliera (24h).

Nello specifico per ciascun filtro giornaliero (24 h) è stata effettuata, tramite il Kappabridge AGICO KLY-2, la misura della suscettività magnetica per unità di volume (k, adimensionata nel Sistema Internazionale), i valori della concentrazione del PM10 sono stati forniti direttamente dall’ARPA Lazio, mentre la suscettività magnetica per unità di massa (χ, espressa in m3/kg nel SI) è stata calcolata successivamente dal rapporto tra i due. Dall’andamento di questi dati è possibile riconoscere tre diversi casi: a) la concentrazione del PM10 varia come k (χ si mantiene per lo più costante). Questo indica che la composizione del PM10 è costante nel tempo, b) la concentrazione del PM10 aumenta più (o diminuisce meno) di k (ovvero χ mostra un minimo relativo). Questo indica un significativo apporto di polveri sottili non magnetiche, c) la concentrazione del PM10 aumenta meno (o diminuisce più) di k (ovvero χ mostra un massimo relativo). Questo indica un aumento relativo della frazione magnetica del PM10.

L’analisi sistematica della suscettività magnetica dei filtri provenienti dalle stazioni analizzate ha consentito di definire delle relazioni lineari empiriche, valide per ciascuna stazione, che legano la concentrazione del PM10 rilevato all’intensità della suscettività magnetica stessa (fig. 6).

Figura 6 Esempio di relazioni lineari empiriche tra la concentrazione del PM10 e l’intensità della suscettività magnetica k. Per ciascuna stazione di misura sono stati selezionati solo quei giorni per i quali il valore di χ si è mantenuto entro un 20% di variazione dal suo valore medio per il periodo considerato.

Dall’analisi delle relazioni lineari è possibile calcolare, per ciascuna stazione e per l’intero periodo analizzato, la concentrazione di polveri sottili che non sono correlate alla suscettività magnetica. Definiamo tali polveri come PM10 “residuo”. In figura 7 viene riportato l’andamento trimestrale della concentrazione di PM10 misurato e l’andamento di PM10 residuo di diverse stazioni. 

Figura 7click per ingrandire Andamento della concentrazione di PM10 misurato e del PM10 residuo di diverse stazioni, per il trimestre Ottobre-Dicembre 2004. Si può notare che l’occorrenza di polveri “residue” non magnetiche è pressoché sincrona in tutte le stazioni, inoltre esso si verifica durante tutti gli episodi riconosciuti di apporto di polveri da fenomeni naturali o da episodi di inquinamento secondario.

L’integrazione dei dati magnetici con quelli disponibili di diversa natura ha infine mostrato che l’origine di tale frazione “non magnetica” delle polveri sottili atmosferiche è da ricondursi principalmente ad episodi di apporti di polveri dal Nord-Africa ed in minor misura all’apporto di spray marino o ad eventi di inquinamento secondario.

Le considerazioni svolte sull’analisi dei filtri sono state anticipate da uno studio sulla misurazione della suscettività magnetica delle foglie di alberi del comune di Roma; sono state analizzate varie specie di alberi, concludendo che le foglie di leccio (albero sempreverde) sono le più indicate per il biomonitoraggio di inquinamento atmosferico con metodi magnetici.
In particolare, è emerso come la frazione magnetica delle polveri analizzate sia dominata da magnetite; inoltre, la sua concentrazione e le sue dimensioni granulometriche diminuiscono passando da strade ad alto volume di traffico a zone verdi e, ulteriormente, con l’aumentare della distanza dalla sede stradale, indicando come la principale sorgente di inquinamento derivi da emissioni veicolari.
La scarsa corrispondenza con i dati orari e giornalieri da centraline automatiche misuranti il PM10, ed il trascurabile effetto delle piogge sui parametri magnetici hanno peraltro suggerito come le proprietà magnetiche delle foglie indichino l’inquinamento su lungo periodo (nei termini di accumulo di particelle sub-micrometriche) più che un dato istantaneo sulla quantità di polveri fini.


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