I gas serra e l’effetto serra

Fonte:  http://www.venetoagricoltura.org/basic.php?ID=2942

Pubblichiamo un articolo apparso su Meteo.it: http://www.meteo.it/Clima-Cambiamenti/I-gas-serra-e-le28099effetto-serra/content/it/1-693-305463-57754 a cura del Colonnello Mario Giuliacci del Centro Epson Meteo.

Descrizione dei principali gas responsabili dell’effetto serra.

I gas serra sono costituiti essenzialmente dalla anidride carbonica (CO2), dagli ossidi di azoto (NOx , N2O), dal metano (CH4), dai CFC e dall’ozono (O3).
Nel riscaldamento globale dell’atmosfera manifestatasi nell’ultimo cinquantennio l’anidride carbonica ha avuto un peso di circa il 55%, i CFC del 24%, il metano del 15% e gli ossidi di azoto del 6%.
La concentrazione totale dei gas serra, attualmente intorno a 450 ppm, è pressoché uniforme su tutto il pianeta, a causa del rimescolamento orizzontale e verticale attuato a scala globale dalla circolazione generale dell’atmosfera.

L’anidride carbonica

Trend CO2

La CO2 viene immessa nell’atmosfera dalla respirazione delle piante, dalla decomposizione dei detriti organici, da processi di combustione e dall’evaporazione degli oceani. Viene invece assorbita dagli oceani e nei processi di fotosintesi clorofilliana. Le maggiori riserve del gas sono negli oceani (38.000 Gt negli oceani profondi e 700 Gt nello strato rimescolato superficiale; 1Gt = Gigatonnellata = 109 tonnellate), nei combustibili fossili (10.000 Gt ), nel suolo come carbonio attivo (1500 Gt), nella vegetazione (500 Gt). La riserva attualmente presente nell’atmosfera è di circa 750 Gt, pari ad una concentrazione di 360 ppm.

La fotosintesi clorofilliana rimuove ogni anno dall’atmosfera 100 Gt di CO2 ma, nello stesso tempo, la respirazione e la decomposizione delle piante ne immette una pari quantità. La diffusione fisico-chimica del gas all’interfaccia con lo strato superficiale degli oceani libera nell’atmosfera 100 Gt/anno ma ne assorbe 104 Gt. L’assorbimento da parte degli oceani è tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura delle acque superficiali. Pertanto il riscaldamento da effetto serra potrebbe determinare nel futuro un minore assorbimento della CO2 atmosferica con un processo a cascata con feed-back positivo.
Il consumo di combustibili fossili immette invece 5 Gt/anno mentre dalla deforestazione giunge un carico aggiuntivo di 2 Gt/anno cosicché ogni anno alla riserva di 750 Gt dovrebbe aggiungersi un surplus di 7 Gt; a tal riguardo vi è da far osservare che la deforestazione contribuisce all’incremento dell’anidride carbonica sia in maniera diretta – perché la maggior parte delle foreste tropicali viene bruciata per il reperimento di nuove aree agricole – sia in maniera indiretta perché viene ridotta la capacità delle foreste nella rimozione di parte del surplus annuo di CO2 atmosferica.
In realtà, su base annua, l’atmosfera attualmente vede incrementare le sue riserve di anidride carbonica al ritmo di circa 3 Gt/anno perché gli oceani e le foreste riescono comunque ancora a rimuovere il 50-60% dei 7 Gt immessi dalle attività umane.

L’incremento è stato del 25% dal 1750 ad oggi sebbene almeno la metà di tale aumento sia frutto delle immissioni dal 1960 ad oggi.
Comunque l’incremento annuo di 3 Gt, apparentemente modesto, provoca una maggiore cattura, da parte dell’atmosfera, della energia infrarossa emessa dalla superficie terrestre cosicché aumenta di conseguenza anche l’effetto serra ossia il flusso di radiazione infrarossa che i singoli strati atmosferici riemettono verso la terra (controradiazione).
Tale surplus di energia è attualmente stimata in 2,0 Watt circa per metro quadrato, un quantità che rappresenta appena 1/100 della radiazione solare trattenuta dal suolo ed è in fase con il riscaldamento del globo in atto dagli inizi del secolo scorso.
Non deve del resto meravigliare che una variazione apparentemente modesta del flusso di energia netto guadagnato dalla terra abbia conseguenze così rilevanti se si pensa che la piccola glaciazione verificatasi tra il 1550 e il 1850 fu provocata da una riduzione della radiazione solare di appena il 0.4 – 0.6%, riduzione connessa alle enormi quantità di polveri immesse nella stratosfera da numerose eruzioni vulcaniche di tipo esplosivo.
D’altra parte l’esame del clima nel passato più o meno lontano mette in evidenza che le oscillazioni nella concentrazioni della CO2 atmosferica e degli altri gas serra sono state sempre associate a concomitanti variazioni della temperatura della terra con oscillazioni di circa 5-7 gradi per ogni variazione di 100 ppm nella concentrazione della anidride carbonica.
Se l’incremento dovesse procedere all’attuale ritmo medio del 2% all’anno, il raddoppio della concentrazione dei gas serra rispetto all’era preindustriale verrebbe raggiunto intorno al 2050.
Il verificarsi di una simile ipotesi è considerata dai climatologi molto temibile perché potrebbe determinare nel clima, oltre che profondi mutamenti rispetto alle condizioni attuali, anche una irreversibile instabilità.
Tuttavia vi sono ancora molte incertezze sia sull’entità del riscaldamento globale terrestre ascrivibile all’incremento dell’effetto serra, sia sulla capacità di risposta e di adattamento del sistema terra-atmosfera alle sollecitazioni provenienti dal surplus energetico. Tali incertezze sono legate soprattutto ad una carente conoscenza e alla difficile parametrizzazione fisica e matematica, per la loro non linearità, delle numerose complesse controreazioni (feed-back) positive o negative scatenate dal fenomeno all’interno dell’atmosfera.
In particolare ai processi a feed-back positivo sarebbe legata quella instabilità irreversibile del clima a cui si è già accennato. I processi a feed-back negativo, invece, vanno visti come la riposta che il sistema terra-atmosfera mette in atto per mantenere immutato il suo equilibrio termodinamico e quindi per auto-aggiustarsi. I più ottimisti circa il futuro climatico del nostro pianeta in effetti confidano sul prevalere di tali processi.
Comunque i modelli più accreditati di simulazione del clima, nell’ipotesi di un raddoppio della concentrazione dei gas serra, prevedono concordemente il seguente scenario:

- un ulteriore sensibile riscaldamento del pianeta, concentrato soprattutto sulle latitudini medio-alte con un valore massimo di 6-8 °C sulle fasce polari. Il maggiore riscaldamento delle fasce polari è legato all’effetto concomitante di fusione dei ghiacci con forte riduzione dell’albedo oltre il 50% e quindi una maggiore cattura dei raggi solari. Il riscaldamento della terra inoltre porterebbe all’esaltazione di gran parte dei processi di feed-back;

- uno spostamento di latitudine della attuali fasce climatiche e produttive: inaridimento dell’area mediterranea a causa dell’ aumento della temperatura (e quindi dell’evaporazione) nonché a causa della riduzione delle precipitazioni. Il fenomeno riguarderebbe in particolare anche le regioni centro-meridionali italiane;

- l’optimum climatico ai fini del periodo di crescita della vegetazione, attualmente relegato alla parte occidentale dell’Europa e alle regioni che si affacciano sul settore nord del Mediterraneo occidentale, si sposterebbe più a nord, a latitudini comprese tra i 45 e i 60 gradi;

- la parziale fusione dei ghiacci polari. Il fenomeno, oltre che influire sul livello degli oceani, modificherebbe notevolmente, come anzidetto, l’albedo delle fasce polari e conseguentemente anche il forcing climatico che attualmente i ghiacci esercitano sulla atmosfera e al quale è strettamente collegata, in primo luogo, la struttura della circolazione generale dell’atmosfera . In particolare si ridurrebbe il gradiente termico equatore-poli e quindi anche le correnti occidentali, con una ripercussione a catena su tutti quei sistemi ad esse strettamente legati (cicloni extratropicali, fronti, etc.);

- l’azione concomitante di fusione dei ghiacci polari e di dilatazione volumica degli oceani porterebbe ad un ulteriore innalzamento del livello degli oceani, un fenomeno che è già in atto da quando nell’ultimo secolo la terra ha iniziato a riscaldarsi. La circostanza potrebbe avere conseguenze disastrose per quelle regioni, come l’Olanda o il Golfo di Venezia, ove i fondali molto bassi creano già una situazione favorevole all’invasione del mare verso la terraferma;

- negli anni recenti i Climatologi hanno maturato la convinzione che una larga parte del surplus di energia di 2,5 Watt per metro quadrato legato all’incremento dell’effetto serra, anziché convertirsi direttamente ed integralmente in un surriscaldamento dell’atmosfera – come si riteneva, fino a pochi anni or sono, che dovesse avvenire – vada invece in larga misura per alimentare le perturbazioni della circolazione atmosferica come le onde di Rossby, gli anticicloni di blocco, i cicloni tropicali, i cicloni extratropicali, i tornado e i temporali, cosicché tali sistemi, oltre a presentarsi con maggiore frequenza, tendono anche a divenire più violenti. Insomma il clima è, per tale motivo, in una fase di estremizzazione ossia gli eventi eccezionali – come alluvioni, nubifragi, tempeste, ondate di freddo o di caldo, siccità – tendono a divenire più frequenti e più intensi.

In effetti le correnti occidentali potrebbero più frequentemente subire ondulazioni (basso indice zonale) per effetto delle sollecitazioni subite al di sopra degli oceani, a seguito del maggiore capacità di accumulo di energia termica rispetto ai continenti su periodi dell’ordine di qualche mese. Tale effetto sembrerebbe confermato dall’incremento subito dagli anticicloni di blocco nell’ultimo quarantennio.
Per quanto riguarda i cicloni tropicali, è noto che il loro sviluppo diviene molto probabile sulle aree della fascia tropicale ove la temperatura superficiale delle acque oceaniche superi i 26-27 °C. Pertanto l’apporto energetico fornito dall’effetto serra, cumulato su un periodo di più settimane, potrebbe rendere più probabile il superamento di tale soglia. La circostanza sembrerebbe confermata dalla aumentata frequenza dei cicloni tropicali.
Per quanto concerne poi i cicloni extratropicali, il surplus di energia favorirebbe una maggiore immissione di vapore acqueo nell’atmosfera da parte degli oceani, il quale a sua volta – oltre a rappresentare una maggiore riserva per le precipitazioni – all’atto della condensazione prodotta dalle correnti ascendenti presenti all’interno del ciclone, provocherebbe un maggiore rilascio di calore latente con conseguente intensificazione sia delle correnti verticali che della circolazione intorno alla depressione.
Gli effetti più immediati dovrebbero essere pertanto una maggiore intensità delle precipitazioni e una maggiore violenza del venti collegati alla depressione mobile. Una rassegna degli eventi meteorologici eccezionali che hanno colpito la fascia delle medie latitudini negli ultimi 10-15 anni sembra confermare tale ipotesi.
Vi è infine da osservare che il ciclo di vita della CO2 atmosferica – ma anche quello dei CFC – è dell’ordine di 100 anni. Questo comporta che, anche se il tasso di immissione venisse ridotto nell’immediato futuro a livelli più che dimezzati, il carico totale di tale gas nell’atmosfera andrebbe comunque aumentando per quasi un secolo.
In inverno le variazioni di CO2 nel corso del giorno sembrano correlate soltanto con la direzione di provenienza del vento. In estate invece il gas mostra una tipica oscillazione con un minimo tra le 12 e le 16 e un massimo di notte. Il minimo diurno è legato alla sottrazione di anidride carbonica da parte della vegetazione mentre il massimo notturno è determinato dalla traspirazione delle piante.
Anche a livello annuale il gas ha una caratteristica fluttuazione con un massimo in inverno e un minimo in estate. Il minimo estivo è correlato alla maggiore sottrazione da parte dell’attività clorofilliana.

Il metano

E’ prodotto prevalentemente dalle risaie, dalle attività di estrazione del carbone e del petrolio, dalle fermentazioni enteriche negli allevamenti del bestiame e dalla combustione delle biomasse.
Da una media di 800 ppb degli inizi ottocento si è passati al valore attuale di circa 1800 ppb, con un ritmo di incremento dell’1-2%.

Il protossido di azoto

Si forma prevalentemente per attività batterica nel suolo ma vi è una componente antropica legata all’uso dei combustibili fossili e ai fertilizzanti azotati e la sua concentrazione aumenta al ritmo del 0.2 % all’anno. La maggior parte del N2O raggiunge la stratosfera ove interviene, in maniera antagonista con il cloro, nel ciclo di distruzione dell’ozono.

L’ozono troposferico

La formazione dell’ozono in prossimità del suolo è in genere modesta, eccetto che sulle aree urbane molto inquinate ove il gas è, almeno nel periodo estivo, il maggiore responsabile del cosiddetto smog fotochimico.
Infatti nelle combustioni ad elevata temperatura, come quelle nei veicoli a motore o nella combustione del metano, le molecole di azoto e ossigeno dell’atmosfera interagiscono tra di loro dando luogo a NO e NO2. Gli NOx raggiungono ovviamente la massima intensità durante le prime ore del mattino, quando sono al massimo gli effetti del traffico e del riscaldamento.
La concentrazione di NO2 aumenta immediatamente dopo che l’ossido di azoto NO ha raggiunto, nel mattino, il suo massimo. Il massimo di ozono invece si verifica intorno mezzogiorno ossia circa due ore dopo il massimo dello NO2 e soltanto dopo che la concentrazione di NO si è fortemente ridotta.
Infatti il biossido di azoto, in presenza di forte radiazione solare, dà luogo alla formazione dell’ozono mentre l’ossido di azoto è responsabile della sua distruzione e quindi, soltanto verso mezzogiorno l’abbondanza di energia solare e di NO2 portano ad una maggiore produzione di O3.
In pratica le reazioni che avvengono sono le seguenti.
Al mattino lo NO tende a trasformarsi in NO2 eliminando tutte le molecole di O3 disponibili

NO + O3 = NO2 + O2

Ma lo NO2, abbastanza reattivo nei confronti degli UV, si dissocia di nuovo parzialmente, lasciando libero un atomo di O

NO2 + fotone = NO + O

L’ossigeno atomico, poi, si ricombina con l’ossigeno molecolare, dando luogo alla formazione di ozono

O + O2 = O3

Come si vede, la produzione dell’ozono è resa possibile solo dalla presenza degli inquinanti NOx.
Perché però si abbia la formazione di ozono occorre che siano presenti come catalizzatori, oltre che gli NOx, anche composti organici volatili provenienti sia da sorgenti naturali (emissione da parte della vegetazione, dal suolo e dagli oceani) e dalle attività umane (solventi, trasporti, attività industriali). In particolare, i modelli di simulazione delle reazioni chimiche che, sotto tali condizioni, descrivono il processo di formazione dell’ozono, consentono di individuare tre distinti casi:

- se il rapporto tra la concentrazione delle sostanze volatili e quella degli NOx, è debole (inferiore a 5), allora la formazione di ozono viene fortemente limitata;

- se tale rapporto è elevato (superiore a 20), diviene altrettanto difficoltosa la formazione dell’ozono;

- se tale rapporto è invece compreso tra 5 e 20 – ossia in zona di equilibrio stechiometrico – allora la formazione dell’ozono è fortemente agevolata.
In condizioni di forte inquinamento la concentrazione di O3 in prossimità del suolo è dell’ordine di 0,2-0,3 ppm.
L’ozono troposferico, che è più che raddoppiato nell’emisfero nord rispetto all’era preindustriale, oltre a mettere in pericolo la salute degli esseri viventi e a danneggiare foreste e colture, contribuisce nel rendere più precario l’equilibrio climatico del pianeta. Infatti i modelli di simulazione del clima evidenziano che, a seguito di tale incremento, l’ozono troposferico abbia contribuito ad incrementare l’effetto serra di circa 0,5 Watt/m2 a fronte di un aumento cumulativo di 2,5 Watt/m2 causato da tutti i gas-serra.
Inoltre, l’ozono troposferico ha indirettamente modificato la concentrazione e il ciclo di vita di altri gas come il monossido di Carbonio, il Metano e gli idrocarburi non metanici.
Da ricerche condotte nel 1994 è risultato che l’ozono troposferico nell’emisfero nord ha subito un forte incremento non solo in prossimità del suolo ma anche nello strato tra 8 e 12 km. Tale aumento sembra collegato al corrispondente incremento subito dagli ossidi di azoto per effetto dei voli commerciali e militari che si svolgono prevalentemente a tali quote. A loro volta la dissociazione UV dello NO2 favorisce la formazione dell’ozono.
La riduzione dell’ozono stratosferico sembra che abbia contribuito a ridurre l’effetto serra nella modesta misura di 0.1 Watt/m2.

I clorofluorocarburi (CFC)

I CFC sono composti di Cloro, Carbonio e Fluoro e sono prodotti di sintesi introdotti una settantina di anni fa ed usati come refrigeranti nei frigoriferi e condizionatori, come propellenti nelle bombolette spray e negli schiumogeni e come detergenti per i componenti elettronici.

Tali gas sono stabili e molto volatili e, pertanto, dopo aver superato indenni la troposfera, raggiungono la stratosfera in un tempo medio di circa 15 anni.

I due tipi di Freon più comunemente impiegati sono il CFC11 (CFCl3) e il CFC12 (CFCl2) i quali hanno rispettivamente una vita media 75 e 110 anni, prima di essere rimossi dalla stratosfera.
La loro concentrazione ha subito un aumento notevole dal 1960 al 1997.

Mario Giuliacci – Centro Epson Meteo

Articolo apparso su Meteo.it: http://www.meteo.it/Clima-Cambiamenti/I-gas-serra-e-le28099effetto-serra/content/it/1-693-305463-57754