Anthropogenic global warming : analisi e conseguenze di questa ipotesi

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FACOLTA’ DI INGEGNERIA INDUSTRIALE DIPARTIMENTO DI ENERGIA

LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA ENERGETICA

ANTHROPOGENIC GLOBAL WARMING:

analisi e conseguenze di questa ipotesi

Relatore: Prof. Ernesto PEDROCCHI

Tesi di laurea di: Sara CAZZANIGA Matr. Nr. 766439

Anno accademico 2011-2012

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Indice

Sommario x

1 Introduzione 1

2 Il riscaldamento globale 7

2.1 Andamento della temperatura media globale ... 7

2.2 Effetto sulla temperatura delle isole di calore urbane ... 11

2.3 Gas serra... 13

2.4 Aerosol ... 28

2.5 Effetti di feedback ... 29

2.6 Attività solare ... 33

2.7 Posizione relativa Terra-Sole ... 40

3 Il modello IPCC 43

3.1 Breve storia ... 44

3.2 Il Quarto Rapporto... 47

4 Teorie alternative 67

4.1 N-IPCC ... 67

4.2 Le carote di ghiaccio dell’Antartide ... 68

4.3 Teoria dell’effetto iride e suoi sviluppi successivi ... 70

4.4 Teoria di Henrik Svensmark ... 77

4.5 Cicli di Gleissberg ... 82

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5 Criticità comuni alle teorie pro o contro AGW 91

5.1 I modelli al calcolatore ... 91

5.2 La sensitività climatica ... 94

5.3 La misurazione della concentrazione di CO

2

del passato ... 101

6 Strategie possibili per affrontare il problema 105

6.1 Strategia della mitigazione ... 105

6.2 Strategia dell’adattamento ... 119

6.3 Azioni comuni alle due strategie... 129

7 Conclusione 131

Lista degli acronimi 135

Bibliografia 138

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Elenco delle figure

1.1. Fabbisogno energetico mondiale anno………..2

1.2. Schema logico di suddivisione di suddivisione del lavoro………4

2.1. Temperatura media near-surface dell’emisfero nord durante gli ultimi 11000 anni (Dansgaard, 1969, Schonwiese, 1995)………...8

2.2. Andamento della temperatura nella Groenlandia centrale negli ultimi 20000 anni (Cuffy e Clow, 1997)………9

2.3. Andamento della temperatura media globale degli ultimi 150 anni (Metereological Office Hadley Centre, 2011)………...10

2.4. Andamento della temperatura media globale tra gennaio 1979 e giugno 2012 (UAH MSU, RSS MSU, GISS, NCDC, HadCRUT3, 2012)……….11

2.5. Andamenti di temperatura in 49 contee californiane (NASA GISS, 1996)………12

2.6. Schema semplificato dell’effetto serra………13

2.7. Radiazione che entra in una cavità da un’apertura molto piccola (destra). Spettri di emissione per corpo nero (sinistra)………..14

2.8. Bilancio energetico della radiazione solare (Trenberth et al, 2009)………15

2.9. Rappresentazione grafica della “shadow area”....………...16

2.10. Grado di assorbimento del vapore acqueo e dell’anidride carbonica………..17

2.11. Grado di assorbimento dei principali gas serra rispetto alle lunghezze d’onda……….18

2.12. Andamento della quantità di vapore acqueo in atmosfera, valutato in cm di colonna d’acqua (ISCCP, 2009)………20

2.13. Ciclo della CO2 (IPCC, 2001)……….21

2.14. Andamento dell’assorbimento di CO2 nell’acqua di mare a seconda della concentrazione all’interfaccia con l’aria atmosferica………..22

2.15. Andamento della concentrazione dei principali gas serra negli ultimi 1000 anni (IPCC, 2007)………25

2.16. Andamento dell’emissione globale di CO2 di origine antropica dal 1750 al 2000 (fonte: Metereological Office Hadley Centre for Climate Prediction and Resarch, 2000)…….26

2.17. Andamento della concentrazione di CO2 in atmosfera (Mauna Loa Observatory, 2012) e della temperatura media globale, valutata rispetto alle misurazioni di 5 laboratori (UAH MSU, RSS MSU, GISS, NCDC, HadCRUT3, 2012)……….27

2.18. Andamento della concentrazione di metano in atmosfera calcolata da un laboratorio in Vestmannaeyjar (Islanda) in linea blu e da uno in Tasmania (Australia) in linea rossa……….28

2.19. Andamento della temperatura media globale e l’irraggiamento solare………...29

2.20. Andamento della concentrazione di aerosol in atmosfera (NASA, 2007)………..30

2.21. Diagramma di Mollier dell’aria umida………31

2.22. Schema esemplificativo dell’effetto di feedback del vapore acqueo………..32

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2.24. Immagine delle macchie solari al 8/09/2012. Foto SOHO-EIT (Extreme ultraviolet Imaging Telescope) nell'estremo ultravioletto lontano (da 200 a 10 nm) sulla riga He II/Si XI a 304 Ångström (30,4 nm)………....35 2.25. Andamento delle macchie solari e della temperatura terrestre dal 1600 ad oggi (Hoyt and Schatten, 1998)……….36 2.26. Andamento del numero di macchie solari rispetto dal 1900 al luglio 2012 (SIDC, luglio

2012)………36 2.27. Andamento previsto del 24° ciclo (NOAA, 2012)………..37 2.28. Confronto tra l’andamento della temperatura globale (HadCRTU3, 2010) e i cicli delle macchie solari (NOAA, 2010)……….38 2.29. Confronto tra l’irradianza del Sole e le macchie solari (NOAA, 2004)………..39 2.30. Andamento delle anomalie della temperatura terrestre e dell’indice ak del campo magnetico solare (Georgieva e Bianchi et al., 2005)………...40 2.31. Andamento delle variazioni di temperatura negli ultimi 800000 anni (Jouzel et al., 2007)………....41 2.32. Andamenti dell’inclinazione dell’asse terrestre, della precessione degli equinozi e dell’eccentricità dell’orbita ellittica terrestre (Berger e Loutre,1991)……….42 3.1. Confronto dell’andamento della temperatura globale media dal 1400 al 2000 tra il modello di Mann e quello di McIntyre e McKitrick………...47 3.2. Componenti del forzante radiativo (IPCC, Quarto Rapporto, figura SPM.2, 2007)…...49 3.3. Accumulo annuale di CO2 in atmosfera (pannello superiore), emissioni annue di CO2

derivanti dalle attività antropiche (pannello intermedio), assorbimento netto di CO2 dei sink terrestri e oceanici (pannello inferiore), dallo studio di Ballantyne et al., 2012……….51 3.4. Variazioni della temperatura media globale alla superficie, suo andamento sul livello del mare e variazione della copertura nevosa dell’Emisfero Nord. ………54 3.5. Registrazioni di temperatura effettuate da due satelliti (UAH e RSS) insieme con i dati ponderati delle radiosonde (HadAT2 e RATPAC)………..56 3.6. Andamento del riscaldamento della troposfera a seconda delle cause che l’hanno indotto………..57 3.7. Andamento del riscaldamento effettivo della troposfera (Metereological Office Hadley Centre, 1999)………...……58 3.8. Andamento della temperatura media globale prevista fino al 2100 a seconda dei diversi

scenari SRES……….…..60 3.9. Andamento dell’incremento di temperatura rispetto alla concentrazione di CO2

nell’atmosfera (Lindzen e Choi, 2009)………62 3.10. Andamento della temperatura media globale dal 1850 ad oggi (IPCC, 2007)………....63 3.11. Andamenti previsti di variazione della concentrazione della CO2 in atmosfera……….65 4.1 Andamento delle temperature dal 400000 a.C. ad oggi (Caillon et al, 2003)………...68 4.2 Andamenti della temperatura e della concentrazione di CO2 negli ultimi 20000 anni

(Monnin et al., 2004; Stennin et al., 2006)………..…69 4.3 Posizione geografica della “Indo Pacific Warm Pool”.………...71 4.4 Raffigurazione schematica della formazione di nubi alte e basse………...71

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4.5 Confronto tra l’area di nubi alte (figura superiore) e l’area di nubi basse (figura

inferiore) rispetto alla temperatura della superficie oceanica pesata rispetto alla superficie complessiva delle nubi (Lindzen et al., 2001)………72 4.6 Fase positiva e negativa della PDO……….75 4.7 Andamento dell’indice di PDO dal 1900 al 2008………75 4.8 Anomalie del flusso radiativo e della temperatura riscontrate rispetto a dei valori medi calcolati su 91 giorni (Spencer et al., 2007)………76 4.9 Andamento dell’intensità dei raggi cosmici (GCRM, 2010) e delle macchie solari (NGDC, 2010)……….78 4.10 Risultati del Cern’s CLOUD Experiment (Cern, 2011)………..79 4.11 Andamento della quantità di aerosols nella bassa atmosfera (AERONET), del contenuto

di acqua nelle nubi (SSM / I), della frazione di acqua liquida nelle nubi (MODIS) e della quantità di nuvole basse (ISCCP), calcolati in corrispondenza del minimo di Forbush più forte registrato……….80 4.12 Andamento del ∆14C e del δ18O (Neff et al., 2001)……….81 4.13 Posizione relativa tra il centro di massa del sistema solare (cerchi piccoli) e il Sole (cerchio grande) dal 1945 al 1995 in un sistema di coordinate eliocentriche………….83 4.14 Andamento dei cicli di Gleissberg (Lanscheidt, 2009)………...84 4.15 Andamento mediato dei cicli di Gleissberg (Lanscheidt, 2009)……….85 4.16 Andamento del SOI (Southern Oscillation Index) e del GTTA (Global Tropospheric

Temperature Anomaly) dal 1980 al 2009 (McLean, 2009)……….87 4.17 Variazione annuale degli incrementi della concentrazione di CO2 in atmosfera (Manua Loa Observatory, 2012)………...88 4.18 Confronto tra la previsione 2011 di McLean con i dati reali osservati per l’anomalia della temperatura media globale (NCDC, 2012)……….89 4.19 Effetto di La Nina sulle anomalie della temperatura globale dal 1950 al 2011 (WMO, 2012)………90 5.1 Confronto tra le previsioni dell’andamento della concentrazione di metano in atmosfera con il suo andamento reale (McIntyre et al., 2008)……….92 5.2 Confronto tra gli andamenti di temperatura previste dai modelli e le osservazioni reali (Douglas set al., 2007)……….93 5.3 Valore della sensitività climatica rispetto al contributo dato dalle nuvole, trovato da diversi modelli (Cess et al., 1989)………...97 5.4 Sensitività climatica stimata in funzione della variazione di temperatura valutata rispetto alla media attuale. I valori sono dall'ultimo massimo glaciale (LGM), 11 anni del ciclo solare (11), dal riscaldamento globale del 20° secolo (20), confronto con le variazioni della radiazione cosmica (Ph1), confronto con le variazioni di CO2 (Ph2), Eocene (Eo) e medio Cretaceo (Cr)………..100 5.5 Schema logico di una possibile unione dei due metodi per calcolare la sensitività climatica……….101 5.6 Concentrazione di CO2 in bolle d'aria a partire da campioni di carote di ghiaccio (quadrati vuoti) e nell'atmosfera dal 1958 al 1986, misurati dal Mauna Loa Observatory (linea continua)………..102 5.7 Correlazione tra la densità degli stomi (indice stomi = SI) e la concentrazione di CO2 atmosferica da foglie fossili di B. Pendula (cerchi neri) e P. Pubenscens (cerchi bianchi) ricavate dal lago Grisbe, Danimarca (Wagner et. al, 2004)………...103

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6.1. TPES mondiale suddiviso tra le diverse fonti energetiche (IEA, 2009)………106 6.2. Produzione di energia elettrica tra le diverse fonti energetiche (IEA, 2009)…………107 6.3. Consumo di energia nel settore dei trasporti tra le diverse fonti energetiche…………108 6.4. Previsioni di richiesta energetica primaria mondiale suddivisa per fonte e per scenario in Mtoe (IEA, 2009)………..109 6.5. Andamento dello sfruttamento previsto di petrolio nei tre scenari IEA (IEA,

2009)……….110 6.6. Andamento dello sfruttamento previsto di carbone nei tre scenari IEA (IEA,

2009)……….110 6.7. Quantità di impianti a vapore super-critici e ultra-super-critici da carbone in fase di

costruzione o già operanti nel mondo………111 6.8. Andamento dello sfruttamento previsto di gas naturale (IEA, 2009)………112 6.9. Costo di abbattimento per tonnellata di CO2 di diverse tecnologie (Enkvist et al., 2007)………..117 6.10. Innalzamento del livello del mare dall’ultima glaciazione ad oggi (Milne et al., 2005)………..120 6.11. Andamento del livello del mare degli ultimi anni (Nerem e Leuliette, 2012)………...121 6.12. Variazione inter-annuale delle variabili di bilancio idrico dal 1955 al 2002 nella regione del Qaidam Basin, nel nord-ovest della Cina (Yin et al., 2008)………121 6.13. Aree colpite da siccità negli Stati Uniti dal 1900 ad oggi (NCDC, 2010)………122 6.14. Quantità di territorio che ha sperimentato più giorni umidi rispetto al solito (area verde)

e quantità di territorio che ha sperimentato più giorni secchi rispetto al solito (area marrone chiaro) (NCDC, 2011)……….123 6.15. Andamento dell’energia complessiva dei cicloni tropicali dal 1979 al 2010 (Maue, 2010)………..124 6.16. Andamento dei cicloni tropicali più intensi (NOAA, 2012)……….125 6.17. Andamento delle morti di malaria nel mondo (WHO World Malaria Report,

2011)………..126 6.18. Produzione di grano per due anni in condizioni diverse per quantità d’acqua fornita e concentrazione atmosferica di CO2………...127

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Elenco delle tabelle

2.1. Calcolo della massa di CO2 in atmosfera………23 2.2. Calcolo della massa di CO2 negli oceani………23 3.1. Proiezioni di riscaldamento globale per i diversi scenari SRES………61 3.2. Andamenti previsti di variazione della temperatura e di CO2 per il 2100 a seconda

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Sommario

Si definisce AGW (Anthropogenic global warming) la teoria secondo cui si afferma che il riscaldamento climatico sia dovuto per la maggior parte agli effetti dell’attività umana ed in particolare alle emissioni antropogeniche di CO2. L’obiettivo di questa trattazione è riuscire ad ottenere una raccolta delle teorie principali, pro e contro, in modo da confrontarle e quindi permettere al lettore uno studio critico del tema, senza sensazionalismi, né pregiudizi. Si inizierà con una presentazione generale dei fenomeni che influenzano il clima, a cui seguirà uno studio critico di quanto affermato dai sostenitori e dagli oppositori della teoria AGW. Al termine di questa analisi si valuteranno le conseguenti strategie attuabili rispetto al problema del cambiamento climatico, prestando particolare attenzione al settore energetico.

Parole chiave: Anthropogenic Global Warming, Intergovernmental Panel on Climate Change, modello climatico, strategia della mitigazione, strategia dell’adattamento.

Abstract

AGW (“Anthropogenic global warming”) is the theory which states that global warming is caused especially by the effects of human activity and in particular by emissions of anthropogenic CO2. The goal of this paper is to get a collection of the main theories, pros and cons, in order to compare them and then allow the reader to get a critical study of the subject, without sensationalism or prejudices. At the beginning there will be an overview of the phenomena that affect climate, followed by a critical study of what is said by supporters and opponents of the AGW theory. At the end of this analysis, the resulting strategies to face the problem of climate change will be presented, paying particular attention to the energy sector. Key words: Anthropogenic Global Warming, Intergovernmental Panel on Climate Change, climate model, mitigation strategy, adaptation strategy.

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Capitolo 1

Introduzione

Presentazione Per AGW (“Anthropogenic Global Warming”) s’intende quella teoria per cui si afferma che il riscaldamento climatico sia dovuto per la maggior parte agli effetti dell’attività umana ed in particolare alle emissioni antropogeniche di CO2.

Questa teoria segue schematicamente questo filo logico:

1. L’uso dei combustibili fossili comporta immissione in atmosfera di CO2, che è uno dei più importanti gas con effetto serra.

2. Si constata dopo il 1750 un significativo aumento di CO2 e di altri gas serra immessi nell’atmosfera, anche per attività umane.

3. L’effetto serra comporta, a pari tutto il resto, aumento di temperatura.

4. Conclusione: l’aumento di temperatura è dovuto all’attività umana, in special modo all’uso dei combustibili fossili.

Negli ultimi anni questo tema viene molto dibattuto, perché potrebbe portare, e già in parte sta portando, a grandi trasformazioni nel settore energetico, interessando anche ambiti di carattere economico, sociale e ambientale.

Il mondo scientifico è molto diviso su questo argomento: da una parte ci sono i sostenitori di questa teoria che, seguendo la linea di pensiero proposta dal IPCC (“Intergovernmental Panel on Climate Change”), affermano che la principale causa del riscaldamento climatico in atto sia l’anidride carbonica di origine antropica; dall’altra ci sono i cosiddetti scettici, che contestano questa linea di pensiero e propongono delle teorie alternative.

Su questo tema si insiste molto perché se davvero questa teoria fosse verificata potrebbe portare ad attuare politiche molto impattanti per diversi settori in generale e per il settore energetico in particolare. Infatti, come presentato nel grafico seguente [1], risulta evidente che ad oggi la maggior parte dell’energia prodotta nel mondo provenga da combustibili fossili:

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Introduzione

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Figura 1.1: Consumo energetico mondiale annuo.

Per quel che riguarda il settore energetico, i sostenitori dell’AGW, avendo l’obiettivo di contrastare l’effetto antropico del riscaldamento globale, spingono per delle politiche di riduzione delle emissioni antropiche di CO2, secondo tre modalità: promuovere l’efficienza energetica, favorire sistemi di carbon capture & storage, incentivare l’utilizzo di fonti d’energia “carbon free”, in cui sono comprese le fonti di energia rinnovabile e nucleare. A questo proposito, bisogna sottolineare il fatto che i sostenitori dell’AGW spingono molto di più per le fonti di energia rinnovabile piuttosto che per il nucleare che, anzi, tendono a non volere a causa dei rischi connessi a questa tecnologia. Se per quel che riguarda l’efficienza energetica non ci siano grandi difficoltà nell’attuarla, tutt’altro scenario si ha nel momento in cui entrano in gioco sistemi di carbon capture & storage e utilizzo di fonti di energia rinnovabile. Infatti, si nota chiaramente dalla figura 1.1 che per quel che riguarda il consumo energetico totale mondiale, si ha un grande peso del petrolio, del gas naturale e del carbone; un peso meno importante di nucleare, idroelettrico e biomassa; una lieve influenza delle altre fonti di energia rinnovabile. Questo significa che attuare a livello globale sistemi di CCS (“Carbon Capture & Storage”) e incentivi alle fonti di energia rinnovabile porti necessariamente ad uno stravolgimento totale dell’attuale asset energetico mondiale, richiedendo quindi enormi sacrifici alle economie globali per il fatto di indurre un forte aumento del costo dell’energia per i paesi sviluppati e una riduzione della disponibilità energetica per i paesi in via di sviluppo, ostacolandone la crescita economica.

Finalità ed obiettivi Ecco allora che tutto ciò induce a porsi delle domande: è effettivamente verificata l’ipotesi AGW? Esistono anche altre ipotesi? E se si, quanto sono valide? In ogni caso, quali sono le azioni più corrette da intraprendere per affrontare il problema del cambiamento climatico?

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Introduzione

3

Questa presentazione ha l’obiettivo di rispondere a tali domande, le quali si vedrà possono portare a risposte anche molto complesse. In generale, il lavoro verrà sviluppato seguendo il presente schema logico:

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Introduzione

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Certezze Incertezze Pro Contro Climatologia Attualmente si sta assistendo ad un cambiamento climatico influenzato da: gas serra,

aerosol, effetti di feedback, attività solare e

variazioni della posizione relativa Terra-Sole Anthropogenic Global Warming IPCC Strategia della mitigazione Teorie alternative Strategia dell'adattamento

Criticità comuni alle teorie pro o contro AGW: -Coerenza dei modelli climatici

con la realtà -Calcolo della sensitività

climatica -Misurazione della concentrazione di CO₂ del

passato

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Introduzione

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Il punto di partenza di questo lavoro è quello di inoltrarsi in una scienza nata da pochi anni e ancora in fase di forte sviluppo: la climatologia. In questo ambito, esistono alcune certezze, che sono:

 È da circa due secoli che si sta assistendo ad un graduale, seppure irregolare, riscaldamento globale;

 Esistono alcuni fenomeni che giocano sicuramente un ruolo in tale riscaldamento, che sono: i gas ad effetto serra, gli aerosol, vari effetti di feedback, in particolare del vapore acqueo e delle nubi, l’attività solare e la posizione relativa Terra-Sole.

Esistono però anche delle forti incertezze, legate essenzialmente alla validità della teoria AGW. A proposito di questo argomento, i climatologi si dividono in due grandi fazioni: ci sono quelli che fanno riferimento a quanto affermato dal IPCC (“Intergovernmental Panel on Climate Change”), che sostiene fortemente la teoria AGW, e ci sono quelli che si oppongono a questa linea di pensiero, sostenendo che in realtà il cambiamento climatico sia dovuto principalmente a cause naturali, tramite quelle che in questo lavoro vengono presentate come le “teorie alternative”. Ognuna di queste teorie, pro o contro AGW, presenta dei punti di debolezza e dei punti di forza, ma in generale sono tutte accomunate da delle criticità fondamentali, che sono:

 Problemi di coerenza dei modelli con la realtà, dovuti a:

 Difficoltà di stima della sensitività climatica, dovuta tra l’altro a:  Misurazione della concentrazione di CO2 del passato molto incerta. Tutto ciò fa si che nessuna teoria possa portare a certezze assolute in questo ambito.

In ogni caso, naturale conseguenza dell’essere a favore della teoria AGW è l’attuazione delle misure che riguardano la strategia della mitigazione, come per esempio investire nelle già citate fonti di energia rinnovabile e nei sistemi CCS oppure ancora in misure di efficienza energetica; mentre chi è contrario ad essa è portato spontaneamente verso la strategia dell’adattamento, che consiste essenzialmente nell’attuare misure di adattamento alle conseguenze del cambiamento climatico. Però, come si vedrà nel capitolo 6, nulla vieta anche ai sostenitori della teoria AGW di adottare comunque la strategia dell’adattamento.

Da tutto questo deriva la seguente suddivisione dei capitoli: - capitolo 1 : Introduzione al lavoro;

- capitolo 2 : Presentazione dei fenomeni che interessano il riscaldamento globale; - capitolo 3 : Analisi del modello IPCC;

- capitolo 4 : Analisi delle teorie alternative;

- capitolo 5 : Analisi dei punti deboli principali comuni a tutte le teorie pro o contro AGW; - capitolo 6 : Strategie attuabili per affrontare il problema del cambiamento climatico; -capitolo 7: Considerazioni conclusive.

Revisione bibliografica Il tema del cambiamento climatico è stato negli ultimi anni molto dibattuto ed esistono innumerevoli articoli e anche diversi libri che trattano di questo argomento. Il discorso però è molto ampio ed è difficile trovare in letteratura una raccolta esaustiva di tutto ciò che ha che fare con questo tema, anche solo focalizzandosi sulla teoria AGW. Ciò mi ha portato a realizzare uno studio che possa presentare questo argomento nel suo complesso, con un occhio di riguardo per quel che concerne le conseguenti azioni nel settore energetico. In questo lavoro non si è solo effettuata una mera raccolta di informazioni,

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Introduzione

6

ma si è anche attuata un’attenta analisi critica, nel senso che si è cercato di verificare la coerenza di molte affermazioni tramite l’effettuazione di semplici calcoli diretti, cercando anche di individuare possibili sviluppi futuri delle teorie stesse. Per fare questo, sono stati analizzati centinaia di articoli accreditati provenienti dai più diversi ambiti, da quello economico, a quello di carattere prettamente scientifico, a quello energetico e così via, di cui una buona parte proveniente dal TWTW (“The Week That Was”), una raccolta selezionata degli articoli in qualche modo legati all’argomento del cambiamento climatico, effettuata settimanalmente dal SEPP (“Science and Environmental Policy Project”), un gruppo di ricerca fondato da F.Singer nel 1990 con l’obiettivo di effettuare un’analisi critica dello sviluppo nel tempo della teoria AGW.

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Capitolo 2

Il riscaldamento globale

Prima di trattare direttamente di AGW (Anthropogenic Global Warming) è bene avere un’idea generale dei fenomeni connessi al cambiamento climatico. L’obiettivo di questo capitolo è quindi quello di presentarne i principali, previo un breve paragrafo in cui si illustra l’andamento storico della temperatura media globale. Complessivamente, tutti gli scienziati sono d’accordo sul fatto che i fenomeni che verranno citati influenzino il clima, la differenza tra le diverse teorie sta nel considerare quali siano le cause principali della loro esistenza e quali tra essi abbia un effetto maggiormente significativo sul riscaldamento globale.

2.1 Andamento della temperatura media globale

La temperatura media globale è il parametro di sintesi del cambiamento climatico più importante e ora è abbastanza facilmente misurabile, anche se rimangono ancora alcuni problemi, più che altro legati alle rilevazioni di temperatura del passato. Negli anni sono stati fatti diversi studi sull’andamento della temperatura media globale. Questi studi si possono dividere in due gruppi: da un lato quelli inerenti al periodo dall’ultima glaciazione fino al 1850, i cui rilevamenti si basano prevalentemente su misurazioni di tipo indiretto come depositi di ghiaccio (analisi di bolle di gas intrappolate nel ghiaccio che riflettono lo stato dell'atmosfera al momento in cui sono stati depositati, la chimica del ghiaccio intesa come il rapporto di concentrazione di ioni e isotopi di ossigeno e idrogeno e le proprietà fisiche del ghiaccio), sedimenti marini organici (analisi dei cambiamenti temporali fossili di fauna e flora marina, cambiamenti morfologici negli organismi fossili, depositi di corallo e concentrazione di ossigeno isotopico di organismi marini), sedimenti marini inorganici (mineralogia delle argille, polvere eolica terrestre, ghiaccio e detriti trascinati), geomorfologia terrestre (depositi glaciali, erosione dei ghiacci, caratteristiche litoranee, depositi eolici, sedimenti lacustri, depositi dei suoli e speleotemi, come per esempio stalattiti e stalagmiti) e analisi di dati biologici (anelli degli alberi, piante e pollini fossili, abbondanza e distribuzione d’insetti e altri organismi e il biota nei sedimenti lacustri); dall’altro quelli che analizzano l’arco temporale dal 1850 ad oggi, che si basano su misurazioni termometriche di tipo diretto fino ad arrivare alle odierne precise ed affidabili misurazioni satellitari [2]. Per quel che riguarda il primo gruppo uno degli studi più autorevoli è quello di Dansgaard, poi elaborato da Schonwiese, da cui derivò il seguente grafico:

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Il riscaldamento globale

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Figura 2.1: Temperatura media near-surface dell’emisfero nord durante gli ultimi 11000 anni (Dansgaard, 1969, Schonwiese, 1995)

Questo grafico presenta l’andamento della temperatura media globale per il periodo compreso tra il 12000 a.C. e il 1850 d.C. Si noti come dal 12000 a.C. si è avuto un progressivo riscaldamento che ha favorito lo sviluppo dell’uomo. In seguito, durante l’epoca dell’Olocene, dall’8000 a.C. a circa il 4000 a.C., la temperatura media globale atmosferica ha raggiunto il suo livello massimo, da 1°C a 2°C più calda della temperatura media globale di oggi, pari a circa 15°C. I climatologi definiscono questo periodo di “Climate Optimum”. Come si può notare dalla figura 2.1, nell'arco di 4000 anni hanno avuto luogo due eventi di raffreddamento minori e nello spazio tra i due ottimi si è avuta la nascita del Sahara, che da un ambiente ricco di vegetazione si è trasformato in un deserto. Si pensa che ciò fu causato dal fatto di essere stato un periodo freddo e senza piogge (da uno studio del Potsdam Institute for climate research[3]). Si è poi avuta una sostanziale tendenza al raffreddamento tra il 3500 a.C. ed il 2000 a.C. Dal 450 a.C. al 150 d.C., il Nord Europa è stato sottoposto ad un altro periodo caldo, il cosiddetto “Periodo Romano Caldo” con temperature medie di circa 1°C superiori alla temperatura di oggi. In seguito, è iniziato un nuovo periodo di raffreddamento, durato fino a circa il 900 d.C. Il periodo dal 900 d.C. al 1350 d.C. è detto “Periodo Caldo Medioevale” (“Medieval Warming Period”, MWP). Durante questo arco temporale, le temperature hanno oscillato tra 0,4-0,8 °C sopra l’attuale temperatura globale. Questa stima è basata su dati di tipo scientifico, come per esempio il polline fossile o gli anelli degli alberi, ma esistono anche testimonianze storiche dell’esistenza di questo periodo. Per esempio, è ben

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documentato che i vichinghi si siano insediati in Groenlandia nel periodo dal 900 d.C. fino al 1350 d.C., a causa di un clima sufficientemente mite da permettere l’agricoltura. Dopo il 1350 d.C. i loro discendenti sono stati costretti ad abbandonare la Groenlandia a causa del clima troppo rigido (da uno studio della Brown University [4]). Un altro studio da considerare per valutare l’andamento della temperatura durante il periodo compreso tra l’ultima era glaciale ed il 1850 è quello di Cuffy e Clow, in cui viene presentato l’andamento della temperatura nel centro della Groenlandia, derivante dalle misurazioni delle carote di ghiaccio:

Figura 2.2: Andamento della temperatura nella Groenlandia centrale negli ultimi 20000 anni (Cuffy e Clow, 1997).

In questo grafico, le cui misure di temperatura sono state effettuate considerando l’aumento e la riduzione delle superfici coperte dal ghiaccio, sono stati evidenziati i periodi in cui si sono avuti forti riscaldamenti (linee rosse) e forti raffreddamenti (linee blu). Si noti come dopo la fine della prima glaciazione, avvenuta attorno a 14000 anni fa, si siano avute fortissime variazioni di temperatura, caratterizzate dall’avere una derivata particolarmente elevata. In particolare, il periodo di riscaldamento immediatamente successivo all’ultima glaciazione ha subito una breve interruzione a causa di un raffreddamento improvviso, noto come “Younger Dryas”, avvenuto attorno al 12800-11500 a.C., alla cui fine si è avuta una variazione di circa 10 °C in 20 anni.

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10

Dal 1850 in poi sono disponibili dati termometrici per il calcolo della temperatura media globale, per cui si possono effettuare valutazioni molto più precise delle precedenti. Una delle analisi più importanti a livello internazionale è quella del Metereological Office Hadley Centre, detto anche MetOffice, che presenta il seguente andamento:

Figura 2.3: Andamento della temperatura media globale degli ultimi 150 anni (Metereological Office Hadley Centre, 2012).

Dal 1850 al 1910 si possono identificare fluttuazioni più o meno stabili tra -0.4 °C e -0.6 °C sotto il valore di riferimento di 15 °C. Dal 1910, le temperature sono aumentate fino a raggiungere il valore di 15 °C nel 1940. Successivamente si è avuta una riduzione attorno ai -0.2 °C a cui è seguito un periodo di stabilizzazione attorno a questo livello, fino al 1980. Dal 1980 al 1998 la temperatura media annua è aumentata di 0,35 ° C con una forte derivata, a cui pare seguire un periodo di relativa stabilità, come risulta ancora più evidente nella figura 2.4. Se si passa infatti allo studio dell’andamento della temperatura media globale degli ultimi 30 anni, effettuate da 5 laboratori diversi (a cui corrispondono colori diversi nel grafico) tramite misurazioni satellitari, si ottengono i seguenti andamenti:

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Figura 2.4: Andamento della variazione della temperatura media globale tra gennaio 1979 e settembre 2012 (UAH MSU, RSS MSU, GISS, NCDC, HadCRUT3, 2012).

Rispetto allo studio precedente, non ci sono differenze sostanziali, se non per il fatto che le fluttuazioni vengono rilevate in modo più preciso, trattandosi di misurazioni satellitari. Si nota quindi un lieve raffreddamento tra il 1979 e il 1985, a cui segue un notevole riscaldamento dal 1985 al 1998 culminante con il picco del 2002 di +0.35 °C. Seguono poi delle lievi fluttuazioni intorno a questo valore fino ad oggi.

Da questa prima analisi si può quindi concludere che la temperatura media globale sia sempre stata soggetta a cambiamenti nel passato e che oggi stiamo assistendo ad una fase di generale riscaldamento.

2.2 Effetto sulla temperatura delle isole di calore urbane

Una volta analizzato l’andamento storico della temperatura media globale, può essere interessante prendere in considerazione un fenomeno che ha un peso notevole sulle misurazioni di temperatura, soprattutto su quelle più recenti: l’isola di calore urbana. Esso consiste nel fatto che all'interno delle aree urbane cittadine si ha un microclima più caldo rispetto alle circostanti zone periferiche e rurali. Ciò è dovuto alle proprietà di trattenimento del calore del calcestruzzo e dell’asfalto. Per avere un esempio dei suoi effetti si analizzi il seguente grafico:

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Figura 2.5: Andamenti di temperatura in 49 contee californiane (NASA GISS, 1996).

La figura 2.5 mostra l’impatto di questo fenomeno sulle temperature superficiali e i problemi che esso genera legati alla campionatura. Le tendenze di temperatura superficiale sono state registrate da stazioni a terra per ogni contea per il periodo 1940-1996. Le tendenze sono state raggruppate in base alla popolazione della contea e segnate tenendo conto delle varianze ad esse associate. Per il calcolo della linea retta si è applicato il metodo dei minimi quadrati. I punti contrassegnati con “X'' identificano le sei stazioni selezionate dal NASA GISS per la loro stima della temperatura globale [5]. Si noti che 5 delle 6 stazioni selezionate sono nelle contee popolose. La maggior parte degli scienziati concordano sul fatto che molte delle misurazioni delle diverse stazioni sono contaminate da effetti di isola di calore urbana, ma sostengono che i principali indici di temperatura globale sono adeguati per correggere questi effetti: esiste un indice di "Urbanization Adjustment" per correggere gli effetti di isola di calore urbana, uno di "Time of Observation Bias Adjustment" per correggere gli effetti legati all'ora del giorno in cui le misurazioni vengono effettuate e vi è un indice di "Coverage Adjustment" per tener conto delle carenze di misura delle stazioni [6]. Tali rettifiche hanno lo scopo di effettuare una registrazione di ciò che le temperature sarebbero se nessuno abitasse nei pressi delle stazioni di misura. Se tali aggiustamenti vengono effettuati nella maniera più corretta, ne deve risultare che non ci sia alcuna correlazione statisticamente significativa tra i

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valori di temperatura e le influenze economiche-sociali, ma non è un’operazione semplice, a maggior ragione se si tiene conto del fatto che nell’ultimo secolo si è avuta una grande espansione delle aree urbane, il cui incremento continua a crescere. Addirittura, negli ultimi 20 anni si è avuto nel mondo un aumento delle aree urbane pari alla superficie occupata da Francia, Germania e Spagna messe insieme [7].

2.3 Gas serra

Il primo fenomeno da conoscere bene prima di poter parlare di AGW è quello legato ai gas serra, i quali sono tutti quei gas presenti in atmosfera considerati responsabili del cosiddetto “effetto serra”. Per capire in che consista questo fenomeno a livello generale può essere utile analizzare il seguente schema semplificato[1]:

Figura 2.6: Schema semplificato dell’effetto serra.

S’immagini l’arrivo sulla Terra di una radiazione solare di 100 W. Di questo calore entrante, il 70 % di esso presenta un’onda di radiazione sufficientemente corta per passare attraverso l’atmosfera ed essere assorbito dalla superficie terrestre, mentre il restante 30 % viene riflesso dall’atmosfera e dalle nuvole, perché caratterizzato da onde di trasmissione più lunghe, che non possono quindi passare attraverso l’atmosfera. Nel rispetto del bilancio energetico, quel calore da 70 W verrà poi dissipato verso lo spazio sotto forma di irraggiamento infrarosso, secondo le leggi fondamentali dell'irradiazione elettromagnetica, di cui viene data una breve presentazione nel seguente riquadro:

 LEGGI FISICHE DELLA RADIAZIONE

Legge di Planck

Un corpo nero è per definizione un perfetto assorbitore. Alcuni esempi di corpo nero possono essere cavità con ingressi molto piccoli (figura 2.7), caverne che appaiono completamente scure, ecc. Esso emette la massima quantità possibile di energia ad una data temperatura T. La quantità ed il tipo, ovvero il range di lunghezze d’onda, di energia emessa da un corpo nero è determinata unicamente dalla sua temperatura, come descritto dalla legge di Planck. Essa afferma che l’intensità della radiazione Bλ(T) ad una data lunghezza d’onda λ emessa da un corpo nero alla temperatura T è:

Dove:

 h = costante di Planck = 6.63*10-34 Js  k = costante di Boltzmann = 1.38 10-23

J/K  c = velocità della luce = 3*108

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La radiazione del corpo nero è isotropa, ovvero è emessa uniformemente in tutte le direzioni, neconsegue che l’intensità è indipendente dalla direzione.

 Figura 2.7: Radiazione che entra in una cavità da un’apertura molto piccola (destra). Spettri di emissione per corpo nero (sinistra).

Se si traccia la funzione Bλ(T) per un corpo nero in funzione della lunghezza d’onda (figura 2.7), si nota che c’è un netto cut-off per le lunghezze d’onda corte, un aumento rapido fino a raggiungere un picco e poi un calo più graduale per lunghezze d’onda maggiori. Inoltre all’aumentare della temperatura di emissione aumenta l’energia emessa e diminuisce la lunghezza d’onda corrispondente al picco di emissione.

Legge di Stefan-Boltzmann

La radianza (o intensità) totale di un corpo nero può essere calcolata attraverso l’integrale della legge di Planck sull’intero spettro elettromagnetico:

Svolgendo una serie di calcoli e sfruttando il fatto che l’emissione di un corpo nero sia isotropa, si ottiene:

dove σ = costante di Stefan-Boltzmann = 5.670*10-8

W/m2K4.

Quindi l’energia per unità di tempo e di area emessa da un corpo nero è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura.

Legge di spostamento di Wien

Calcolando la derivata di Bλ(T) in dλ e ponendola uguale a zero, si ottiene la lunghezza d’onda alla quale risulta massima l’emissione del corpo nero. Si noti che la funzione di Planck è molto regolare e presenta un solo massimo, quindi:

2898 μmK

Quindi il picco della funzione di Planck si sposta verso lunghezze d’onda minori all’aumentare della temperatura del corpo nero che emette. In tal modo la temperatura di un corpo nero può essere stimata misurando la lunghezza d’onda corrispondente al massimo dello spettro di emissione [8].

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L'interferenza dei gas serra (sotto forma di assorbimento o opacità) alla dissipazione della radiazione infrarossa terrestre comporta l'accumulo di energia termica in atmosfera e quindi l'innalzamento della temperatura superficiale fino al raggiungimento di un punto di equilibrio termico tra energia in ingresso e energia in uscita dal sistema Terra. Volendo analizzare un’immagine più complessa che descriva meglio il fenomeno, può essere utile esaminare la seguente figura:

Figura 2.8: Bilancio energetico della radiazione solare (Trenberth et al, 2009).

Dal disegno sopra riportato si ha un quadro generale dei fenomeni legati all’effetto serra [9]. Tutto inizia con l’energia trasmessa dal Sole alla Terra, detta radiazione solare, che, tenendo conto degli accorgimenti presentati nel seguente riquadro, risulta essere pari a circa 341.3 W/m2.

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COSTANTE SOLARE

La costante solare misura la quantità di radiazione in termini di potenza per unità di superficie che incide su una superficie normale alla direzione di propagazione posta ad una distanza di 1 u.a. dal Sole. Si ha:

d = distanza media Terra-Sole = 1.496*1011 m = 1 u.a. L0 = potenza emessa dal sole = 3.90*1026 W

Il sole irradia in tutte le direzioni e nello spazio vuoto l’energia si conserva, quindi su ogni superficie sferica centrata sul sole si avrà un’uguale energia. Ne deriva che il flusso di energia emesso dal Sole sulla Terra sarà dato da:

RADIAZIONE SOLARE ASSORBITA DALLA TERRA

Per calcolare la radiazione solare assorbita dalla Terra, si parte dalla costante solare S0, che rappresenta l’energia per unità di area e di tempo che raggiunge una superficie perpendicolare posta alla distanza di 1 u.a = 1 unità astronomica = distanza media Terra-Sole = 1.496 1011m. L’energia incidente sul pianeta è data dal prodotto della costante solare per l’area che il pianeta espone alla radiazione incidente perpendicolarmente ad essa. Tutto ciò è valido nell’ipotesi che i raggi solari siano paralleli, approssimazione valida in quanto il diametro della Terra è molto minore di quello del Sole. Tale superficie si chiama “shadow area” e risulta pari a πrp2, dove rp è il raggio del pianeta Terra (figura 2.9).

Figura 2.9: Rappresentazione grafica della “shadow area”.

Nell’arco dell’intera giornata, a causa della rotazione terrestre, la potenza del Sole è distribuita su tutta la sfera del globo terrestre, quindi si deve dividere per la superficie del globo terrestre che, essendo approssimabile a quella di una sfera, è pari a 4rp2. In questo modo si ottiene che la radiazione solare media effettivamente assorbita dalla Terra è pari a:

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Di questi 341.3 W/m2, il 30%, corrispondente a circa 102 W/m2, viene riflesso, principalmente dall’atmosfera e dalle nuvole, ma anche dalla superficie terrestre. Dei rimanenti 239 W/m2, ben 161 W/m2 vengono assorbiti dalla superficie terrestre, mentre 78 W/m2 vengono assorbiti dall’atmosfera stessa. A questi 161 W/m2 si aggiunge il calore emesso dalla Terra e poi riflesso dai gas serra, pari a 333 W/m2, per un totale di 494 W/m2. La Terra infatti emette del calore, prevalentemente a causa della stessa radiazione terrestre, per cui emette 396 W/m2, a cui si aggiungono altri fenomeni: le emissioni di calore geotermico, corrispondenti a circa 17 W/m2, e quelli legati all’evapotraspirazione, pari a circa 80 W/m2, per un totale di 493 W/m2. Ne risulta che l’assorbimento netto di calore della Terra è di circa 0.9 W/m2, responsabili dell’attuale riscaldamento terrestre.Si noti come il bilancio energetico resti valido, per cui 239 W/m2 entrano nel sistema Terra, e 239 W/m2 ne escono. Si calcola che senza l’effetto serra la temperatura media globale della Terra sarebbe, rispettando sempre il bilancio energetico, pari a circa -18 °C, mentre la temperatura attuale è di circa +15 °C. In più, se non ci fosse l’effetto serra si avrebbero delle fortissime escursioni termiche nel passaggio tra il giorno e la notte, per effetto della mancanza di un adeguato sistema di accumulo termico.

Considerando poi nello specifico lo spettro solare e quello terrestre, si può fare un confronto tra l’assorbimento effettuato dai diversi gas serra, in particolare il vapore acqueo e l’anidride carbonica:

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18

Figura 2.11: Grado di assorbimento dei principali gas serra rispetto alle lunghezze d’onda [6]. Le figure 2.10 e 2.11 mostrano gli spettri di assorbimento dei principali gas ad effetto serra. La curva dell’irradianza del Sole (curva gialla) e la curva della radianza della Terra (curva rossa) sono state calcolate con la legge di Wien. Secondo questa legge si ha che:

dove λmax è la lunghezza d’onda massima emessa dal corpo nero, il quale è alla temperatura T. Dall’equazione si ricava facilmente che la radiazione emessa dalla Terra (approssimabile in termini di emissione di un corpo nero alla T=293K) presenta il suo massimo a circa 9.9μm. Naturalmente, l’alta troposfera (T~255K) emette a lunghezze d’onda maggiori. Considerando il valore osservato λmax=0.474μm per la radiazione solare, si deduce che la temperatura superficiale del sole è dell’ordine di 6000K circa [8]. Ne risulta che l’irradianza del Sole è concentrata prevalentemente nel campo del visibile, mentre la radianza della Terra è concentrata prevalentemente nell’infrarosso, anche se entrambe le curve reali non sono così regolari come quelle presentate nella figura 2.10, ma presentano delle piccole oscillazioni. Osservando gli spettri dei principali gas serra, si ha che dove l'ombreggiatura nera si estende da 0 a 1 significa che a quella lunghezza d'onda l’energia viene assorbita: assorptività pari a 1 significa completo assorbimento, mentre se è pari a 0 significa assorbimento nullo. Ossigeno ed ozono assorbono la maggior parte della radiazione ultravioletta, mentre l’anidride carbonica e ancora di più il vapore acqueo sono i principali assorbitori nel campo dell’infrarosso. In particolare, nel campo dell’infrarosso dove si ha il picco di emissione della radiazione terrestre, nella zona in cui si riduce l’assorptività del vapore acqueo va ad aumentare quella della CO2. Ne risulta che CO2 e H2O siano i più importanti gas serra.

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19

Le principali emissioni naturali di gas serra derivano da:

 Emissioni da vulcani e dalla superficie terrestre.

 Interazioni tra atmosfera e oceani e tra oceani e nucleo terrestre.  Le foreste e gli animali selvatici.

 Processi naturali di fermentazione.

Le principali emissioni antropogeniche di gas serra derivano da:

 Combustione di combustibili fossili, incendi e attività di estrazione che portano a concentrazioni più elevate di anidride carbonica nell'aria.

 Allevamento del bestiame, coltivazioni di riso, attività di estrazione, perdite di gasdotti, ecc. sono alcune delle principali fonti antropogeniche di metano atmosferico [10].

 Attività agricole, in particolare l'uso di fertilizzanti, che portano a maggiori emissioni di protossido di azoto (N2O) [11].

Come si è visto, il principale gas serra è il vapore acqueo. Si veda allora l’andamento della sua concentrazione in atmosfera degli ultimi anni:

Figura 2.12: Andamento della quantità di vapore acqueo in atmosfera, valutato in cm di colonna d’acqua (ISCCP, 2009).

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Questo studio, effettuato dal “International Satellite Cloud Climatology Project” (ISCCP), che è un organo che fa parte del NASA GISS, presenta valori di concentrazione del vapore acqueo valutato in cm di colonna d’acqua (si ricorda che l’umidità relativa dell’aria umida si calcola come frazione tra la pressione del vapore e pressione del vapor saturo) distinguendo tra l’andamento della concentrazione totale (linea blu), nella bassa troposfera (linea verde, tra circa 0 e 3 km sul livello del mare) e nell’alta troposfera (linea rossa, tra 3 e 6 km sul livello del mare). I valori oscillanti sono dovuti essenzialmente alle stagioni, in particolare il picco viene raggiunto attorno ad agosto-settembre, quando la vegetazione dell’emisfero nord è in una fase di massima traspirazione. La tendenza generale resta circa costante, con una lieve diminuzione.

Si analizza quindi il ciclo della CO2, valutata in Gt di carbonio (per passare in Gt di CO2 basta fare il rapporto delle masse molecolari: 44 per la CO2 e 12 per il carbonio) ben rappresentato dalla figura effettuata dal IPCC:

Figura 2.13: Ciclo della CO2 (IPCC, 2001).

Si hanno 119 Gt di carbonio che vanno nell’atmosfera dalla vegetazione e dal suolo, in cui sono contati anche gli animali. Le piante in particolare giocano un ruolo importante anche come serbatoi di CO2. Infatti è scientificamente dimostrato che un aumento della concentrazione di biossido di carbonio in atmosfera porta le piante a crescere più velocemente e a diventare più grandi. Sembra quindi che più cresce la CO2 in atmosfera, più essa viene estratta dalle piante per favorire la loro stessa crescita [12]. 88 miliardi di tonnellate di carbonio provengono dall’evaporazione degli oceani e in parte marginale dalle fonti di acqua

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21

dolce. Gli oceani sono anche dei grandi assorbitori di anidride carbonica. Infatti essi sono in grado di immagazzinarla per lunghi periodi di tempo, dell’ordine delle migliaia di anni. Volendo fare un discorso più a completo a proposito della concentrazione di CO2 negli oceani, si fa riferimento al seguente riquadro:

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22 Concentrazione di CO

2

nell’oceano

Figura 2.14: Andamento dell’assorbimento di CO2 nell’acqua di mare a seconda della concentrazione all’interfaccia con l’aria atmosferica.

Questa figura permette di avere un’idea generale della quantità di CO2 presente nei mari rispetto a due casi: la configurazione pre-industriale in cui la concentrazione di CO2 in atmosfera era di 280 ppm e un possibile caso futuro in cui la concentrazione di CO2 in atmosfera possa raggiungere i 560 ppm. Vengono anche presentate le tre reazioni che governano l’assorbimento della CO2 negli oceani:

1.

2.

3.

I numeri rappresentati nella tabella indicano la quantità in μmol/kgsoluzione delle specie chimiche che compongono il DIC quando le reazioni hanno raggiunto un punto di equilibrio tra loro.

DIC = Dissolved Inorganic Carbon =

Esso rappresenta la somma delle specie di carbonio inorganico ed è fondamentale per calcolare la concentrazione della CO2 all’interno degli oceani. Facendo un breve calcolo derivante da questi dati, si ottengono le seguenti tabelle:

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23

1.7 miliardi di tonnellate di carbonio provengono da cambiamenti nell’uso dei suoli, in cui sono compresi i processi di mantenimento dei suoli agricoli e gli incendi. Dalla combustione dei combustibili fossili e dai processi industriali si ottengono 6.3 miliardi di tonnellate. Sommandoli con 88 e 119 Gt, si ottiene che quei 6.3 Gt contano circa per il 3 % sul totale. Come si vedrà nella figura 2.17, negli ultimi due secoli questa frazione sta crescendo con un andamento abbastanza regolare. Il maggior serbatoio di CO2 del mondo è costituito dalle rocce di carbonato di calcio, che però sono complessivamente stabili. Infatti, il processo di formazione di queste rocce è molto lento, al punto da non essere in grado di contrastare l’attuale veloce innalzamento della concentrazione di CO2 in atmosfera; d’altra parte il processo di erosione di queste stesse rocce, dovuto essenzialmente ai fenomeni atmosferici, comporta delle emissioni di CO2 in atmosfera che sono praticamente trascurabili. Facendo un bilancio complessivo, questo significa che le rocce di carbonato di calcio non comportano né emissione, né assorbimento di CO2 sul totale. In ogni caso, si calcola che la quantità di CO2 Massa dell’aria atmosferica = 5.148*1018

kg[13]

ppm kmolCO2/kmolaria kgCO2/ kgaria kgCO2 kgCO2*50 kgCO2*30

1xCO2 280 0,00028 0,000424828 _{2,25E+15 1,13E+17 6,75E+16}

2xCO2 560 0,00056 0,000849655 _{4,50E+15 2,25E+17 1,35E+17}

Tabella 2.1: Calcolo della massa di CO2 in atmosfera. Massa degli oceani = 1.384 *1021 kg[14]

μmol/kgsea kmol/kgsea kgCO2/kgsea kgCO2

1xDIC 1893 0,000001893 0,000083292 1,15276E+17

2xDIC 2040 0,00000204 0,00008976 1,24228E+17

Tabella 2.2: Calcolo della massa di CO2 negli oceani.

Un primo dato significativo che si può evidenziare è che al crescere della concentrazione di CO2 in atmosfera cresce la quantità di CO2 immagazzinata dai mari. D’altra parte si nota anche che se la concentrazione di CO2 in atmosfera è di 280 ppm, la quantità di CO2 assorbita dai mari è circa 50 volte quella assorbita in atmosfera, mentre se la concentrazione di CO2 in atmosfera è di 560 ppm la quantità assorbita dagli oceani è circa 30 volte. Ciò è dovuto al fatto che la capacità incrementale di assorbimento dei mari si riduce al crescere della concentrazione di CO2, per il fatto che l’equilibrio delle reazioni tende a spostarsi più verso i reagenti. Un ultimo elemento importante che si può notare dalle reazioni coinvolte è che un aumento della concentrazione di CO2 in atmosfera porta anche ad una maggiore produzione di H+, causando una progressiva acidificazione degli oceani, col rischio di danneggiare la flora e la fauna marina [15].

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complessivamente contenuta in queste rocce è di circa 100'000'000 Gtc, in cui sono comprese anche circa 4000 Gtc dovute alle riserve conosciute di carbone e petrolio. Questo significa che la quantità di CO2 contenuta nelle rocce è pari a circa 2550 volte di quella contenuta negli oceani [16].

Come già accennato, i principali gas serra di origine antropogenica sono l’anidride carbonica, il metano e il protossido d’azoto. Si va quindi ad analizzare la loro variazione negli ultimi 1000 anni valutata dal IPCC:

Figura 2.15: Andamento della concentrazione dei principali gas serra negli ultimi 1000 anni (IPCC, 2007).

Da questo grafico risulta evidente come fino al XVIII secolo i valori erano circa stabili, poi nel periodo di inizio industrializzazione avvenuto attorno al 1750 la concentrazione di metano ha iniziato a crescere, seguito poi dall’anidride carbonica attorno al 1800. Il protossido di azoto ha iniziato a crescere in modo irregolare già dalla metà del 1600, per poi aumentare fortemente dal 1900 circa. Si noti come si sia avuta una forte crescita delle concentrazioni fino al 2000 [17].

Una volta analizzato l’andamento della concentrazione di CO2 nell’atmosfera, si può andare a valutare l’andamento delle emissioni di CO2 di origine antropica:

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Figura 2.16: Andamento dell’emissione globale di CO2 di origine antropica dal 1750 al 2000 (fonte: Metereological Office Hadley Centre for Climate Prediction and Resarch, 2000). Confrontando i due grafici si evince che: le emissioni antropiche di CO2 iniziano a salire solo dopo il 1850 (figura 2.16), mentre la salita della concentrazione di CO2 in atmosfera inizia già precedentemente, attorno al 1800 (figura 2.15).

Tutte le misurazioni di concentrazione della CO2 in atmosfera attuate tra il 1810 e il 1961 sono state effettuate tramite palloni ad aria dotati di dispositivi speciali per intrappolare l'aria della bassa atmosfera, e furono inviati da un certo numero di scienziati europei (de Saussure, Bunsen, Pettenkoffer, Kroch e Warburg). In tutto sono state fatte novanta mila misurazioni in 138 sedi sparse per 4 continenti [18]. I dati indicano che la concentrazione di CO2 abbia subito una crescita da 280 ppm nel 1800 fino a raggiungere un picco nel 2000 pari a 370 ppm (figura 2.15). Tali misurazioni risultano concordi con quelle effettuate dal Mauna Loa Observatory per il periodo compreso tra il 1958 e il 2012, in cui si raggiunge un picco di concentrazione pari a circa 400 ppm (figura 2.17). Si confrontano quindi l’andamento della concentrazione di CO2 in atmosfera e quello della temperatura media globale:

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Figura 2.17: Andamento della concentrazione di CO2 in atmosfera (Mauna Loa Observatory, 2012) e della temperatura media globale, valutata rispetto alle misurazioni di 5 laboratori (UAH MSU, RSS MSU, GISS, NCDC, HadCRUT3, 2012).

La concentrazione di CO2 sembra avere una crescita regolare, mentre la temperatura presenta forti irregolarità nel suo andamento. Si può però identificare in ogni caso una certa correlazione, non necessariamente di causalità.

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Figura 2.18: Andamento della concentrazione di metano in atmosfera calcolata da un laboratorio in Vestmannaeyjar (Islanda) in linea blu e da uno in Tasmania (Australia) in linea rossa.

Questo diagramma mostra le variazioni di CH4 atmosferico dal 1984 al 2010 misurate dal laboratorio di Storhofdi, Vestmannaeyjar, in Islanda (63,40 N, 20,29 W) e da quello in Tasmania, Australia (40,53 S, E 144,30). Le linee sottili mostrano valori settimanali, mentre le linee spesse mostrano il valore medio annuo. L'osservatorio di Vestmannaeyjar si trova a 127 m sul livello del mare. Le misurazioni in Tasmania sono state effettuate da un aereo ad una quota tra 0 e 1000 m sul livello del mare. Il metano al momento preindustriale presentava una concentrazione pari a 750 parti per miliardo (figura 2.15), mentre nel 2009 si è assestato attorno a 1800 parti per miliardo. Questo significa che mentre la crescita della concentrazione di CO2 è stata del 30% (da 280 ppm a 400 ppm circa), quella del metano è aumentata di 2,5 volte per poi assestarsi. Ancor oggi non si conosce bene la causa di questa stabilizzazione, però si conoscono diversi fenomeni che contribuiscono alla sua rimozione in atmosfera e che in qualche modo possono influenzare tale assestamento. Questi processi di rimozione sono detti “sink”. Il “sink” dominante è la reazione chimica di ossidazione con radicali idrossilici (OH). Essa consiste nel fatto che nello strato troposferico dell'atmosfera il metano reagisce con OH per produrre CH3 e acqua. Questo è considerato il processo principale di rimozione di metano in atmosfera. Pare invece che l’analogo processo di ossidazione stratosferica giochi un ruolo secondario. Questa reazione detiene quasi il 90% delle trasformazioni di metano (IPCC, 2001). Si potrebbe quindi ipotizzare che la riduzione di vapore acqueo che sta avvenendo proprio nella troposfera possa spingere l’equilibrio della reazione di ossidazione verso una maggiore produzione di vapore e quindi a contrastare la crescita della

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concentrazione di metano al punto da stabilizzarla, ma sono solo delle ipotesi. Oltre ad esse, ci sono altri due “sink” noti: l’assorbimento microbico di metano nei terreni e la reazione del metano con atomi di cloro nello strato limite marino. Si stima che questi “sink” contribuiscano rispettivamente per il 7% e meno del 2% nella rimozione totale di metano, rispettivamente [19].

2.4 Areosol

Per aerosol s’intende un insieme di particelle fini sospese nell'atmosfera e includono fumo, foschia oceanica, smog, ecc. Gli aerosol più significativi provenienti da fonti umane che influenzano il clima sono gli aerosol di solfati ed il nero fumo. Gli aerosol di solfati provengono principalmente dalla combustione di biomassa e combustibili fossili e generalmente causano un effetto di raffreddamento riflettendo la radiazione solare. Aerosol di nero fumo provengono sempre dalla combustione di biomassa e di combustibili fossili, ma in generale hanno un effetto di riscaldamento per il fatto che assorbono la radiazione solare [6]. Una delle principali fonti naturali di aerosol di solfati è rappresentata dalle eruzioni vulcaniche. Si noti infatti l’andamento della temperatura terrestre e l’irraggiamento solare rispetto alle eruzioni vulcaniche più importanti avvenute negli ultimi secoli:

Figura 2.19: Andamento della temperatura media globale e l’irraggiamento solare.

La linea azzurra indica la temperatura superficiale terrestre mentre l’irraggiamento solare è rappresentato dalla linea in arancio. Una delle eruzioni vulcaniche più violente della storia fu quella del Tambora nel 1815. La polvere emessa restò per molti anni nell'atmosfera diminuendo la quantità di radiazione solare che abitualmente colpisce il suolo della terra. La

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temperatura globale si abbassò di oltre 0.4 °C, sufficienti a causare effetti globali dannosi per agricoltura ed allevamento. Il pianeta conobbe un'epoca di estati mancate ed inverni freddissimi, che ebbero come conseguenza scarsissimi raccolti ed un impoverimento importante di vaste aree del pianeta. Il 1816, l'anno successivo all'eruzione, fu poi ricordato come “l'anno senza estate” [20]. Si noti poi in generale come in corrispondenza di importanti eruzioni vulcaniche si sia avuta una brusca diminuzione della temperatura terrestre, legata probabilmente al fatto che un aumento di aerosols di origine vulcanica comporti una riduzione della radiazione solare in grado di attraversare l’atmosfera.

Un altro studio effettuato dalla NASA nel marzo 2007 presenta la registrazione satellitare di aerosol nella bassa atmosfera:

Figura 2.20: Andamento della concentrazione di aerosol in atmosfera (NASA, 2007).

La “Aerosol Optical Thickness”, detta AOT, è una misura di quanto la concentrazione di aerosols ostacola il passaggio della radiazione solare: maggiore è la AOT, maggiore è la quantità di aerosols in atmosfera. Essa è stata rilevata tramite misurazioni satellitari, le quali hanno mostrato grandi picchi di aerosol globali causati da grandi eruzioni vulcaniche nel 1982, corrispondente all’eruzione del vulcano El Chicon, e nel 1991, corrispondente alla forte eruzione del Pinatubo, a cui segue un calo graduale delle concentrazioni di aerosol. Nel 2005, gli aerosol globali sono scesi di ben il 20% rispetto al livello relativamente stabile tra il 1986 e il 1991. Da tutto ciò si può dedurre come la quantità di aerosols presenti in atmosfera dipenda fortemente dalle eruzioni vulcaniche. Un altro fatto importante che si può ricavare dalla figura 2.20è che questa diminuzione della concentrazione di aerosol in atmosfera possa aver favorito il riscaldamento globale degli ultimi anni [21].

2.5 Effetti di feedback

In ambito scientifico, si definisce feedback la fornitura di un ingresso per un processo o sistema in funzione della sua uscita. Si distingue tra feedback negativo, quando la quantità o segnale di uscita va a ridurre la quantità o segnale in ingresso, e feedback positivo, quando la quantità o segnale di uscita va ad aumentare la quantità o segnale in ingresso [22]. Per quel

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che riguarda la climatologia, ci sono due fenomeni principali di feedback: quello del vapore acqueo e quello delle nuvole.

Per comprendere l’effetto di feedback legato al vapore acqueo può essere interessante analizzare il seguente diagramma di Mollier dell’aria umida:

Figura 2.21: Diagramma di Mollier dell’aria umida.

In questo diagramma si ha in ascissa la temperatura dell’aria (la cosiddetta temperatura di bulbo secco) e in ordinata si ha la concentrazione massica di vapore nell’aria umida, calcolata in gVAPORE/kgARIA SECCA. Le linee con andamento iperbolico rappresentano gli andamenti ad umidità relativa costante, da quella al 10 % fino a quella al 100 %, detta anche linea di saturazione del vapore. Oltre questa linea si passa alla cosiddetta “Regione delle Nebbie” in cui il vapore in eccesso va a condensare e quindi a separarsi dall’aria umida. L’umidità relativa si definisce come il rapporto tra la pressione parziale del vapore e la pressione del vapor saturo a quella medesima temperatura. Da questo diagramma risulta evidente che se l’umidità relativa dell’aria umida resta costante si ha che, a seguito di un riscaldamento, l’aria possa contenere una quantità maggiore di vapore acqueo. Nel momento in cui la concentrazione di vapore acqueo in atmosfera aumenta, magari come conseguenza del

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riscaldamento degli oceani dovuto ad un aumento della temperatura globale, essendo esso un gas serra, si ottiene un ulteriore riscaldamento e quindi si ha un effetto di feedback positivo che amplifica il riscaldamento originale. Per avere una visione più chiara del fenomeno, si analizzi il seguente schema:

Figura 2.22: Schema esemplificativo dell’effetto di feedback del vapore acqueo.

Il problema di questa considerazione è l’ipotesi per cui l’umidità relativa resti costante. In realtà, secondo i dati NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), l’umidità relativa in atmosfera presenta un andamento per nulla costante [23], infatti costruendo un diagramma secondo queste rilevazioni si osservano i seguenti andamenti:

aumento della temperatura terrestre riscaldamento degli oceani e conseguente immissione di vapore acqueo in atmosfera in caso di umidità relativa costante, aumento della concentrazione di vapore acqueo nell'aria accumulo di calore per

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Figura 2.23: Andamento dell’umidità relativa in atmosfera (dai dati NOAA, 2012).

Si noti come all’altezza di circa 6 km sul livello del mare, equivalenti a circa 300 mbar, si abbia addirittura un aumento dell’umidità relativa, anche se abbastanza lieve, viceversa ad altezze inferiori (si ricorda che al diminuire della distanza dalla superficie terrestre la pressione atmosferica aumenta fino al valore di 1013 mbar sul livello del mare) l’umidità relativa tende a decrescere, favorendo un feedback di tipo negativo. Dopo l’analisi di questi dati risulta quindi molto difficile comprendere quale sia l’effetto di feedback prevalente.

Per quel che riguarda l’effetto di feedback delle nuvole, il fenomeno risulta ancora meno chiaro. Infatti, mentre si ha una conoscenza di base dei processi che concorrono alla formazione delle nuvole, i dettagli riguardanti luminosità, densità e crescita in ampiezza non sono ancora molto chiari, il che significa che manca una comprensione sufficiente per rendere accurati i modelli climatici. Di certo si sa che le nuvole hanno un’influenza importante per il clima perché riflettono la luce solare verso lo spazio, intrappolano il calore e producono

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Andamento dell'umidità relativa in atmosfera

300 mbar 500 mbar 700 mbar Lineare (300 mbar) Lineare (500 mbar) Lineare (700 mbar)

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precipitazioni ma, non conoscendo appieno i meccanismi che le riguardano, risulta difficile capire quali siano gli effetti prevalenti. In particolare, a seguito di un riscaldamento che faccia evaporare un elevato quantitativo d’acqua dagli oceani e che quindi porti ad un aumento delle nuvole, si possono avere due effetti contrastanti: uno di feedback positivo, dovuto al fatto che si ha un aumento della concentrazione di vapore acqueo in atmosfera, ed essendo esso il principale gas serra, si ottiene un riscaldamento ulteriore, come schematizzato in figura 2.22; uno di feedback negativo, che consiste nel fatto che le nuvole vadano a riflettere la radiazione solare e quindi riducano la quantità di calore che giunge sulla Terra, portando ad un raffreddamento che contrasta il riscaldamento iniziale. A seconda di quale fenomeno si pensa prevalga, si possono ottenere dai modelli climatici conclusioni anche molto diverse [24].

2.6 Attività solare

Tutti gli scienziati concordano sul fatto che l’attività solare influenzi il clima terrestre. L’attività solare si evidenzia essenzialmente con due fenomeni: le macchie solari ed il vento solare. In più, l’attività solare pesa anche sul riscaldamento degli altri pianeti del sistema solare. Questo paragrafo quindi si svilupperà su tre punti principali: le macchie solari, il vento solare e il riscaldamento degli altri pianeti.

1- Le macchie solari

Le macchie solari sono zone della superficie solare caratterizzate da una forte attività magnetica (le “tempeste magnetiche”) e generano brillamenti solari con espulsione di gas caldi dalla corona del sole. Il numero di macchie solari dipende dai cosiddetti cicli solari, che raggiungono un picco ogni 11 anni circa. Si osservi la seguente immagine raffigurante la situazione odierna delle macchie solari [25]: