- Acronimo
- SENECA
- Codice
- PNRA18_00253
- Anno
- 2018
- Area di ricerca
- Earth science
- Tematica specifica di ricerca
- Indagini di Geochimica, Geofisica e Petrografia finalizzate allo studio del permafrost.
- Regione di interesse
- McMurdo Dry Valleys, nello specifico sono state studiate la Taylor Valley e la Wright Valley.
- Sito web progetto
- https://www.facebook.com/seneca.pnra35ima
- PI
- Livio Ruggiero
- Istituzione PI
- INGV - Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia
- Sito web istituzionale
- https://www.ingv.it
- Altre Istituzioni e soggetti coinvolti
- Dipartimento di Scienze della Terra, Università di Roma "La Sapienza"; Dipartimento di Geoscienze, Università di Padova; Dipartimento di Biotecnologie, Università di Verona; GNS Science.
- Consistenza del team ricerca
- Nel progetto SENECA sono stati coinvolti: 20 Ricercatori (15 M, 5 F) di cui 3 precari 2 Dottorandi (2 F) 3 Laureandi (1M, 2 F) 1 Tecnico (1M)
- Stato progetto
- Completato
- Stazioni principali usate
- Basi Straniere
- Il progetto
Studi condotti nelle regioni artiche ed antartiche hanno dimostrato come in queste aree sia immagazzinato il doppio del carbonio attualmente presente in atmosfera. Il disgelo del permafrost potrebbe portare ad un aumento delle concentrazioni di gas serra in atmosfera, contribuendo al riscaldamento globale. Lo scopo del presente progetto è quello di valutare le concentrazioni dei gas e la loro emissione dal permafrost e/o dagli strati superficiali soggetti al disgelo. I risultati della ricerca verranno utilizzati per stimare per la prima volta l’emissione totale di metano ed anidride carbonica in un'area dell’emisfero polare meridionale. La valutazione del flusso di anidride carbonica e metano dal suolo e del loro impatto sul sistema climatico globale ha portato ad un aumento considerevole di questi studi negli ultimi anni. Nuove osservazioni e spunti di ricerca sono emersi, per esempio su quale sia il contributo dell’ambiente antartico sull’aumento delle temperature globali nel tempo. Inoltre, l’emisfero settentrionale è stato molto piu’ studiato rispetto a quello meridionale, in quanto la possibilità di condurre ricerca e raccolta di dati sul permafrost è agevolata nelle regione artiche e sub-artiche perché più popolate delle regioni antartiche e sub-antartiche. Per questo, la raccolta di dati nella regione antartica e’ estremamente sporadica e non e’ finora stata inclusa nei modelli climatici predittivi. Il progetto è sviluppato su quattro obiettivi principali: (1) contenuto di gas nel suolo e loro origine; (2) valutazione del degassamento di CO2 e CH4; (3) esplorazione geofisica e caratterizzazione petrografica dei suoli; (4) valutazione dell’andamento stagionale delle concentrazioni nel suolo di CO2.
- Immagini
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- Motivazione, importanza della ricerca
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.
- Obiettivi della proposta
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.
- Attività svolta e risultati raggiunti
Il progetto SENECA è iniziato ufficialmente il 24 ottobre 2019 e terminato il 23/04/2023. Sono state effettuate 3 campagne in Antartide, precisamente nella stagione estiva australe 2019/20 (XXXV Spedizione Italiana in Antartide), nella stagione estiva australe 2021/22 (XXXVII Spedizione Italiana in Antartide) e nella stagione estiva australe 2022/23 (XXXVIII Spedizione Italiana in Antartide).
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. 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. Inoltre sono stati scaricati i dati delle sonde di monitoraggio della CO2, è stata effettuata la manutenzione (o la sostituzione) delle stesse, e sono state riposizionate. Infine sono stati prelevati campioni di permafrost in entrambe le valli per analisi geochimiche e petrografiche.
Nella stagione estiva australe 2022/23 (XXXVIII Spedizione Italiana in Antartide) è stata effettuata le terza ed ultima campagna di acquisizione dati nelle valli di Wright e 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 negli stessi punti della stagione 2019/20. 2. Recupero e download dati delle sonde per la misura annuale in continuo della CO2 nei suoli. 3. Campionamento di suoli per studi petrografici. 4. Campionamento di acque e permafrost per l'analisi geochimica. 5. misura della permeabilità dei suoli.
Risultati I campagna (Taylor Valley e Wright Valley)
- Sono state rinvenute concentrazioni di CO2 e CH4 nei suoli del tutto inaspettate con valori fino a 3,5 vol.% per la CO2 e 1,8 vol.% per il CH4, valori che potrebbero rappresentare fenomeni di decongelamento del permafrost a livello locale e/o attività batterica. Anche altre specie gassose presentano valori anomali rispetto a quelli atmosferici e lo studio congiunto di tutte le specie analizzate potrebbe portare ad ulteriori considerazioni (Ruggiero et al., 2023).
- Grazie alle numerose misurazioni di flussi di CO2 e CH4 effettuate è stato possibile calcolare, per le aree indagate, e per il periodo estivo, il contributo atmosferico annuale di questi gas. Questa stima, che non ha precedenti per un’area Antartica, potrà contribuire alla creazione di modelli sempre più accurati per quanto riguarda lo sviluppo del fenomeno del riscaldamento globale (Ruggiero et al., 2023).
- Per la prima volta sono state misurate nelle Dry Valleys le attività di 222Rn e 220Rn nel suolo; ciò fornisce una baseline molto importante per determinare, a livello qualitativo, se e di quanto permafrost si scioglierà nei prossimi anni.
- Lo studio dei gas disciolti nel permafrost congelato ha permesso di stimare, per le zone indagate, le condizioni future di rilascio di gas serra dal suolo in atmosfera.
- Realizzazione di una mappa di profondità del permafrost nelle due aree di indagine.
- Realizzazione di profili geolettrici che hanno permesso di definire la geometria e lo spessore del permafrost nella Lower Taylor Valley.
Risultati II campagna (Wright Valley e Taylor Valley)
- Il processing dei dati geolettrici ha permesso di avere informazioni circa la distribuzione del permefrost e la sua continuità spaziale nella Wright Valley, nonché di evidenziare la presenza o meno di acque ipersaline anche in questa valle.
- Nella Taylor valley, il processing dei dati geoelettrici ha permesso di confermare le ipotesi effettuate circa la fuoriuscita di gas serra lungo i bordi della valle (Ruggiero et al., 2023). Il processing dei dati geolettrici mostra come le anomalie di gas si trovino in corrispondenza dei contatti tra corpi meno resistivi e più resistivi.
Risultati III campagna (Wright Valley e Taylor Valley)
- Sono state rinvenute concentrazioni di CO2 e CH4 nei suoli differenti rispetto alla stagione 2019/20. Questi valori potrebbero indicare che il degassamento del permafrost delle valli di Taylor e di Wright non è costante nel tempo e che dipenda da fattori fisici esterni come temperatura, irragiamento ecc. Quando si avranno a disposizione i dati meteo per le due valli, sarà fatta un’analisi dei parametri meteorologici allo scopo di confermare tale ipotesi.
- Variazioni annuali della CO2 del suolo. Questo dato permetterà di valutare le variazioni stagionali di CO2 e di meglio capire quali sono i fattori che ne influenzano la concentrazione nel suolo. Inoltre, avendo dati pluriennali, sarà possibile evidenziare o meno la presenza di un trend positivo.
- Grazie alle numerose misurazioni dei flussi di CO2 e CH4 effettuate, è stato possibile calcolare il contributo atmosferico annuale di questi gas nelle aree indagate durante il periodo estivo. Questa stima potrà essere confrontata con quella della prima campagna e contribuire alla creazione di modelli sempre più accurati per lo studio del fenomeno del cambiamento climatico.
- Per la seconda volta sono state misurate nelle Dry Valleys le attività di 222Rn e 220Rn nel suolo; ciò fornisce un dato molto importante che sarà possibile confrontare con la baseline realizzata nella campagna 2019/20, e determinare, a livello qualitativo, se e quanto il permafrost si è sciolto negli ultimi 3 anni.
- Lo studio dei gas disciolti nel permafrost congelato permetterà di stimare, per le zone indagate, le condizioni future di rilascio di gas serra dal suolo all'atmosfera.
- E' stata realizzata una mappa di permeabilità del suolo (active layer) nelle due aree di indagine.
- Prodotti
- 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. (2023) - Antarctic permafrost degassing in Taylor Valley by extensive soil gas investigation. Science of The Total Environment, Volume 866, 2023, 161345, ISSN 0048-9697, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.161345
- Romano V., Fischanger F., Lupi M., Wilson G. S., Sciarra A., Mazzini A., Mazzoli C., Florindo F., Tartarello M.C., Ascani M., Anderson J., Worthington R., Hardie R., Dagg B.J., Ruggiero, L. (2023). Deep Electrical Resistivity Tomography with the FullWaver system to investigate permafrost hydrogeology in the Taylor Valley, Antarctica. AGU 2023.
- Ruggiero L., Sciarra A., Tuccimei P., Galli G., Mazzini A., Mazzoli C., Tartarello M.C., Florindo F., Wilson G., Mattia M., Giagnoni F., Benà E., Bigi S., Sassi R., Anderson J. & Ciotoli G. (2023). Study of the origin of soil 222Rn and 220Rn activities in Taylor Valley, Antarctica. The Geoscience paradigm: resources, risk and future perspectives – Congresso congiunto SIMP, SGI, SOGEI e AIV, 19-21 Settembre 2023, Potenza (Basilicata, Italia).
- Consoli, V., Ruggiero, L., Tondello, A., Plaza, C., Squartini, A., Sciarra, A., Florindo, F. & Zaccone, C. (2023). Il potenziale contributo dei suoli antartici alle emissioni di gas serra in atmosfera. In Libro dei Riassunti del III Joint Meeting Suolo, Pianta, Ambiente (SPA 2023) “Sinergie nel sistema suolo-pianta per la tutela dell'ambiente e la sicurezza alimentare” (pp. 127-127).
- Ruggiero, L., Sciarra, A., Tuccimei, P., Galli, G., Mazzini, A., Mazzoli, C., Tartarello, M. C., Florindo, F., Wilson, G., Mattia, M., Tositti, L., Morozzi, P., Benà, E., Bigi, S., Sassi, R., Anderson, J., and Ciotoli, G. (2023). Study of the origin of soil 222Rn and 220Rn activities in Taylor Valley, Antarctica, EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-1604, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-1604, 2023.
- Wilson, G., Ruggiero, L., Sciarra, A., Mazzini, A., Florindo, F., Tartarello, M., Mazzoli, C., Anderson, J., Romano, V., and Ciotoli, G. (2023). Permafrost degassing in Taylor Valley, Antarctica, EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-1791, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-1791, 2023.
- Romano V., Fischanger F., Lupi M., Wilson G., Sciarra A., Mazzini A., Mazzoli C., Florindo F., Tartarello M.C., Ascani M., Anderson J., Worthington R., Hardie R., Dagg B., Bigi S. & Ruggiero L. (2022). Permafrost and greenhouse gas leakage: resultsfrom a deep electrical resistivity tomography in Taylor Valley, Antarctica. Geosciences for a sustainable future Congress, SGI Società Geologica Italiana, Torino, 19-21 settembre 2022.
Ruggiero L., Sciarra A., Tuccimei P., Galli G., Mazzini A., Mazzoli C., Tartarello M.C., Florindo F., Wilson G., Mattia M., Giagnoni F., Bigi S., Sassi R., Anderson J., Ciotoli G. (2022). Study of the origin of soil 222Rn and 220Rn activities in Taylor Valley, Antarctica. Poster at session 13b “Radon: geogenic sources, hazard mapping, and health risk”, Goldschmidt Conference 2022, Honolulu, Hawaii, USA, 10-15 July 2022.
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.
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.
- 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