IMPATTO DELLE EMISSIONI DA INCENDI A CIELO APERTO SULLA VARIABILITÀ ATMOSFERICA DEI GAS SERRA E DEI GAS REATTIVI

Open vegetation fires are an episodic but climatically important source of greenhouse and reactive trace gases, contributing to atmospheric variability across regional and continental scales. While global fire emissions are relatively well quantified, their measurable impact at European background mountain stations remains insufficiently constrained. Uncertainties in emission inventories, complexities in long-range atmospheric transport, and tracer-dependent detectability challenges limit robust attribution of wildfire signals within long-term observational records. This thesis investigates how open vegetation fire activity translates into observable variability of greenhouse gases and reactive gases in the European atmosphere. The main objective is to improve understanding and detectability of wildfire-induced perturbations by integrating bottom-up emission inventories, high-precision in-situ atmospheric measurements, and Lagrangian transport modelling. A multi-species framework is adopted, examining carbon dioxide (CO2), methane (CH4), carbon monoxide (CO), and other combustion-related species to evaluate how emission magnitude, transport efficiency, and background variability jointly determine atmospheric responses. A systematic assessment of Mediterranean fire emission inventories (2003-2020) reveals substantial discrepancies among widely used datasets, particularly for CO2, CH4, N2O, and black carbon. Differences in burned-area detection, fuel characterization, and emission factors emerge as key drivers of uncertainty, highlighting the limitations of bottom-up approaches and the need for observational constraints. Analysis of long-term observations at European mountain stations demonstrates that wildfire-induced enhancements in greenhouse gases are predominantly episodic rather than persistent. Signals are typically detectable in upper percentiles and residual distributions instead of as systematic baseline shifts. Transport efficiency, synoptic-scale circulation, and air-mass history strongly control whether fire emissions reach receptor sites and become measurable. Methane enhancements associated with fire influence are generally modest but identifiable during periods of efficient plume transport. Complementary trajectory-based and footprint-based diagnostics show that different methodological frameworks capture distinct aspects of fire influence, with plume transport playing a critical role in observable atmospheric variability. Overall, wildfire-related perturbations in greenhouse and reactive gases at European background stations are transport-controlled, site-dependent, and characterized by low signal-to-background ratios. By systematically linking surface fire activity with atmospheric variability through integrated observational and modelling approaches, this work provides quantitative constraints on wildfire detectability and advances methodological tools for robust fire attribution within long-term greenhouse gas monitoring networks under evolving European fire regimes.

Gli incendi di vegetazione in aree aperte rappresentano una fonte episodica ma climaticamente rilevante di gas serra e gas reattivi in traccia, contribuendo alla variabilità atmosferica su scala regionale e continentale. Sebbene le emissioni da incendio siano relativamente ben quantificate a livello globale, il loro impatto misurabile presso stazioni di fondo montane europee rimane ancora insufficientemente definito. Le incertezze negli inventari delle emissioni, la complessità del trasporto atmosferico a lungo raggio e i limiti di rilevabilità dipendenti dai traccianti ostacolano una robusta attribuzione dell’influenza degli incendi all’interno delle serie osservative di lungo termine. Questa tesi analizza come l’attività degli incendi di vegetazione si traduca in una variabilità osservabile dei gas serra e dei gas reattivi nell’atmosfera europea. L’obiettivo principale è migliorare la comprensione e la rilevabilità delle perturbazioni indotte dagli incendi attraverso l’integrazione di “bottom-up emission inventories”, osservazioni atmosferiche in-situ ad alta precisione e modelli di trasporto lagrangiano. Viene adottato un approccio multi-specie, considerando anidride carbonica (CO₂), metano (CH₄), monossido di carbonio (CO) e altre specie correlate alla combustione, al fine di valutare come l’intensità delle emissioni, l’efficienza del trasporto atmosferico e la variabilità di fondo determinino congiuntamente la risposta atmosferica. Un’analisi sistematica degli inventari delle emissioni da incendio nell’area mediterranea (2003–2020) evidenzia discrepanze sostanziali tra i principali dataset disponibili, in particolare per CO₂, CH₄, N₂O e black carbon. Le differenze nella rilevazione delle superfici bruciate, nella rappresentazione dei combustibili e nei fattori di emissione emergono come principali fonti di incertezza, sottolineando i limiti degli approcci bottom-up e la necessità di vincoli osservativi indipendenti. L’analisi delle osservazioni di lungo periodo presso stazioni montane europee mostra che le anomalie associate agli incendi sono prevalentemente episodiche piuttosto che persistenti. I segnali risultano generalmente rilevabili negli estremi superiori delle distribuzioni e nei residui delle serie temporali, più che come spostamenti sistematici del livello di fondo. L’efficienza del trasporto, la circolazione sinottica e la storia delle masse d’aria rappresentano fattori determinanti per la rilevabilità del segnale. Gli incrementi di CH₄ associati agli incendi sono in genere modesti ma identificabili durante episodi di trasporto efficiente del plume. L’integrazione di approcci trajectory-based e footprint-based dimostra che differenti metodologie colgono aspetti complementari dell’influenza degli incendi, evidenziando il ruolo cruciale del trasporto episodico. Nel complesso, le perturbazioni da incendio nei gas serra e reattivi presso stazioni di fondo europee risultano fortemente dipendenti dal trasporto atmosferico, sito-specifiche e caratterizzate da bassi rapporti segnale/fondo. Collegando sistematicamente l’attività degli incendi alla variabilità atmosferica attraverso approcci integrati osservativi e modellistici, questo lavoro fornisce vincoli quantitativi sulla rilevabilità degli incendi e contribuisce allo sviluppo di strumenti metodologici per una solida attribuzione delle emissioni nei network di monitoraggio dei gas serra in un contesto di regimi di incendio europei in evoluzione.