Origin and impact of greenhouse gases in Antarctica

Il permaforst è un tipo di terreno perennemente congelato che si trova ad alte latitudini (Regioni Polari, Emisfero Boreale) ed ad alta quota (zone montuose). Il disgelo del permafrost e la decomposizione microbica del carbonio organico precedentemente congelato è uno dei fattori climatici più importanti e che può causare i maggiori cambiamenti agli ecosistemi terrestri. Il tasso di rilascio di Carbonio (C) dal permafrost è altamente incerto. Stime più accurate sono fondamentali per prevedere l'impatto e la tempistica di questo effetto sul ciclo del C, e quindi quanto sarà significativo il disgelo del permafrost per il cambiamento climatico di questo secolo e oltre. La temperatura, lo spessore e la continuità geografica del permafrost sono controllati principalmente dal bilancio energetico superficiale e quindi variano fortemente con la latitudine. Le misurazioni dell'anidride carbonica (CO₂) e del metano (CH₄) nel suolo sono essenziali per comprendere il ciclo del C negli ecosistemi terrestri.
Studi condotti sul permafrost negli ecosistemi boreali e artici hanno mostrato come queste aree immagazzinano quasi il doppio del carbonio attualmente presente nell'atmosfera. Studi simili condotti al Polo Sud sui suoli delle McMurdo Dry Valleys hanno concluso che il flusso di CO₂ è guidato principalmente da fattori fisici come la temperatura del suolo e l'umidità, indicando che i futuri cambiamenti climatici potrebbero alterare il ciclo del C nel suolo delle valli. Altri hanno ipotizzato che una combinazione di meccanismi fisici, guidati dalla temperatura e mediati dall'umidità del suolo e dalla sua mineralogia, interagiscano con i processi biologici per determinare i tassi di flusso di CO₂.
Nonostante il lavoro svolto, non sono stati completati studi per indagare la distribuzione dei gas serra nel suolo in relazione a possibili discontinuità tettoniche (e non) e caratterizzare micro e macro fuoriuscite sia di CO₂ che di CH₄. La geochimica dei gas del suolo rappresenta una tecnica ampiamente utilizzata per rilevare le fuoriuscite di gas e identificare percorsi migratori preferenziali e strutture tettoniche attive come faglie sepolte e/o sistemi fratturati. La stima del degassamento è importante nell'ambito delle emissioni geogeniche di gas serra principalmente quelle di CH₄ che rappresentano la seconda fonte naturale di gas nell'atmosfera. Grandi depositi di CH₄ sono attualmente immagazzinati in regioni ad alta latitudine congelati all'interno del permafrost o intrappolati al di sotto di esso. Il riscaldamento globale attualmente in corso influenzerà inequivocabilmente le regioni con presenza di permafrost nel suolo, innescando lo scioglimento dei sedimenti e, infine, causando il rilascio di CH₄ nell'atmosfera terrestre. Il CH₄ ha un potenziale di riscaldamento globale 28 volte superiore a quello della CO₂ su un orizzonte temporale di 100 anni. È quindi imperativo fornire stime del rilascio di gas serra alle alte latitudini che possono combinarsi con altre emissioni di gas che attualmente contribuiscono al riscaldamento globale. In regioni remote, difficilmente monitorate in maniera adeguata, il rilascio di gas nel suolo può durare decenni o addirittura secoli prima di essere rilevato e quantificato.

La sfida principale di questo progetto è rilevare le perdite di gas endogeni in un sistema sigillato naturalmente come quello presente in Antartide. Il progetto di ricerca si propone di indagare per la prima volta la distribuzione delle concentrazioni e dei flussi di gas serra (CO₂ e CH₄) e altri gas del suolo (Rn, He e H₂) in Antartide, nelle valli Taylor e Wright, situate sul versante orientale vicino al Mare di Ross. Queste aree, per le loro condizioni estreme, non sono ricoperte da ghiacci e presentano depositi quaternari pedogenizzati (principalmente lacustri e glaciali) adatti a questo tipo di indagini.
In particolare, gli obiettivi del progetto si concentreranno sui seguenti aspetti:
• definire l'origine (profonda o superficiale) della CO₂ e del CH₄ rilasciati misurando le firme isotopiche.
• calcolare l'output globale di CO₂ e CH₄ rilasciato nell'intera area di studio elaborando i dati di flusso con nuove tecniche geostatistiche e geospaziali.
• studiare l'andamento annuale delle concentrazioni di CO₂, valutando le variazioni stagionali e migliorando gli errori sulle stime della CO₂ rilasciata; questo può avere importanti implicazioni sia dal punto di vista geochimico che biochimico.
• mappare la distribuzione dei gas del suolo (principalmente CO₂, CH₄, Rn, He e H₂) e dei flussi (CO₂ e CH₄) per evidenziare la potenziale presenza di anomalie lineari anisotrope lungo zone permeabili legate a discontinuità geologiche o tettoniche (faglie e/o fratture).
• definire lo spessore e la geometria del permafrost attraverso la prospezione geoelettrica. I risultati acquisiti forniranno inoltre dati aggiuntivi in ​​merito alla presenza di falde acquifere e/o variazioni litologiche.
• caratterizzazione petrografica completa dei suoli. Le analisi petrologiche, geochimiche e tessiturali forniranno dati sulla mineralogia, la composizione chimica e le caratteristiche tessiturali, comprese porosità e permeabilità ai gas.

Il progetto SENECA è iniziato ufficialmente il 24 ottobre 2019. Nella stagione estiva australe 2019/20 (XXXV Spedizione Italiana in Antartide) è stata effettuata la prima campagna di acquisizione dati (sia geochimici che geofisici) nella valle di Taylor, McMurdo Dry Valleys, Antartide. Nel corso della spedizione sono stati svolte le seguenti attività: 1. Campionamento di gas del suolo e misurazione di flussi di esalazione di CO₂ e CH₄ su un area di circa 20 km². 2. Acquisizione di profili di Geolettrica. 3. Dislocamento di sonde per la misura annuale in continuo della CO₂ nei suoli. 4. Campionamento di suoli per indagini petrografiche. 5. Campionamento di acque e permafrost per l'analisi geochimica. I risultati raggiunti hanno permesso di evidenziare la presenza di gas serra nel suolo della Taylor valley, di stimare lo spessore del permafrost e la sua continuità spaziale. Inoltre è stato allestito un breve campo remoto nella valle di Wright, dove sono stati raccolti, in via preliminare, alcuni campioni di soil gas, acqua, permafrost e suolo.

Nella stagione estiva australe 2021/22 (XXXVII Spedizione Italiana in Antartide) è stata effettuata la seconda campagna di acquisizione dati nelle valli di Wright e di Taylor, McMurdo Dry Valleys, Antartide. A causa dell'emergenza sanitaria da Covid-19 non è stato possibile svolgere sia le attività geochimiche previste che quelle geofisiche, ma solo queste ultime. Nello specifico sono stati eseguiti dei profili geoelettrici nella valle di Wright ed un profilo geoelettrico nella valle di Taylor. Quest'ultimo profilo è stato realizzato seguendo le anomalie geochimiche riscontrate nella campagna 2019/20. I dati sono ancora in elaborazione, ma permetteranno di ricostruire in dettaglio la geometria del permafrost in queste valli, nonchè di comprendere meglio i meccanismi di migrazione dei gas serra individuati precedentemente. Inoltre sono stati scaricati i dati delle sonde di monitoraggio della CO₂, sono state cambiate le batterie, è stata effettuata la manutenzione (o la sostituzione) delle sonde, e sono state riposizionate. Infine sono stati prelevati campioni di permafrost in entrambe le valli per le analisi geochimiche. Questi ultimi campioni sono tuttora in viaggio di rientro verso l'Italia.

• Ruggiero, L., Sciarra, A., Mazzini, A., Florindo, F., Wilson, G., Tartarello, M. C., Mazzoli C., Anderson J., Romano V., Worthington R., Bigi S., Sassi R., Ciotoli, G. (2021) - Antarctic Permafrost Degassing Revealed by Extensive Soil Gas and CO₂ Flux Survey in Taylor Valley. Under review at Scientific Reports. Preprint at https://www.researchsquare.com/article/rs-1154287/v1 DOI: 10.21203/rs.3.rs-1154287/v1
• Ruggiero, L., Sciarra, A., Galli, G., Mazzini, A., Mazzoli, C., Tartarello, M. C., Florindo, F., Wilson, G., Bigi, S., Sassi, R.,  Anderson, J., and Ciotoli, G. (2021). First measurements of 222Rn and 220Rn activities in soil in Taylor Valley, Antarctica. EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr 2021, EGU21-5100, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu21- 5100, 2021. INTERNAZIONALE
• Ruggiero L., Sciarra, A., Mazzini, A., Mazzoli, C., Romano, V., Tartarello, M. C., Florindo, F., Ascani, M., Wilson, G., Dagg, B., Hardie, R., Anderson, J., Worthington, R., Lupi, M., Bigi, S., Ciotoli, G., Graziani, S., Fischanger, F., and Sassi, R. (2020). SourcE and impact of greeNhousE gasses in AntarctiCA: the Seneca project, EGU General Assembly 2020, Online, 4–8 May 2020, EGU2020-1431, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-1431. INTERNAZIONALE
• Ruggiero, L. (2020) – SENECA: Origine e impatto dei gas serra in antartide (c/o Base Neozelandese “Scott Base”) pp 396-400, all’interno del volume: Melchiori, V. (2020). Antartide. Il Report della XXXV Spedizione. ENEA - ISSN 1723-7084.
• SENECA team: Livio Ruggiero, Alessandra Sciarra, Fabio Florindo, Massimiliano Ascani Maria Chiara Tartarello, Valentina Romano, Adriano Mazzini, Claudio Mazzoli, Gary Wilson, Bob Dagg, Jacob Anderson, Richard Hardie, Rachel Worthington: SENECA - SourcE and impact of greeNhousE gasses in AntarctiCA, 2019. AGU-Tumblr, Postcards from the Field, EOS https://americangeophysicalunion.tumblr.com/post/189774977743/seneca-source-and-impact-of-greenhouse-gasses-in