GAS SERRA

Nel 1990 l’Intergovernamental Panel on Climate Change (IPCC), organismo istituito dal World Meteorological Organization (WMO) e United Nations Environment Program (UNEP), diede la sua prima valutazione scientifica sul cambiamento climatico concludendo che l’aumento delle concentrazioni atmosferiche dei gas serra causato dalle attività umane porta ad un riscaldamento della superficie terrestre.

Il "forcing radiativo" la cui traduzione in lingua italiana potrebbe corrispondere a "forzatura" radiativa, è il nome dato all’effetto che questi gas serra hanno nell’alterare il bilancio energetico del sistema Terra-atmosfera. Oltre ai gas serra anche altri fattori naturali e antropici possono produrre un forcing radiativo.

FORCING RADIATIVO

Un cambiamento nella radiazione netta media alla sommità della troposfera (cioè alla tropopausa), causato da un cambiamento sia della radiazione solare oppure infrarossa, è definito come forcing radiativo. Un forcing radiativo, quindi, produce una perturbazione del bilancio tra la radiazione entrante e quella uscente dalla tropopausa. Col tempo il sistema climatico reagisce alla perturbazione ristabilendo il bilancio radiativo. Un forcing radiativo positivo tende mediamente a riscaldare la superficie mentre un forcing radiativo negativo tende mediamente a raffreddare la superficie.

Tornando ai gas serra è possibile affermare che un incremento della loro concentrazione conduce ad una riduzione della radiazione infrarossa uscente e ad un forcing radiativo positivo. Per esempio, ad un raddoppio della concentrazione di CO2 rispetto ai valori del periodo preindustriale (1750¸ 1800), in assenza di qualsiasi altro cambiamento, il forcing radiativo medio globale sarebbe di circa 4 W/m2. Affinché il bilancio radiativo venga ristabilito, la temperatura della troposfera e della superficie terrestre deve aumentare, producendo un incremento della radiazione infrarossa uscente.

Nella situazione di raddoppio della concentrazione della CO2, quindi, l’aumento della temperatura superficiale all’equilibrio sarebbe appena superiore a 1°C, se altri fattori (quali ad esempio, la formazione e il tipo di nubi, il contenuto di vapore acqueo troposferico e gli aerosol) fossero mantenuti invariati. Considerando anche i "feedback" interni al sistema climatico, l’IPCC (1990) stimò che ad un raddoppio della concentrazione di CO2 corrispondesse un aumento della temperatura superficiale media globale all’equilibrio tra 1.5 e 4.5°C. Il dato corrispondente alla migliore stima dell’aumento, fino a quel momento, era di 2.5°C.

A partire da questa definizione del forcing radiativo, l’IPCC, nel 1990, introdusse un comodo strumento per i decisori politici: il Global Warming Potential (cioè il Potenziale di Riscaldamento Globale o GWP). Il GWP permette sostanzialmente di confrontare l’effetto di riscaldamento relativo di diversi gas serra.

GLOBAL WARMING POTENTIAL

Utilizzando il concetto di forzatura radiativa è stato definito il GWP che consente di valutare i possibili effetti di riscaldamento, intesi come aumenti del forcing radiativo integrato su un certo intervallo temporale, del sistema superficie-troposfera in base alle emissioni di ciascun gas serra. Tale indice risulta un valido strumento per la valutazione delle strategie politiche più adatte a mitigare i possibili effetti di riscaldamento climatico futuro in base alle attuali ed alle previste emissioni antropiche.

Questo indice è definito come l’effetto di riscaldamento integrato nel tempo dovuto all’emissione istantanea di 1 Kg di un dato gas serra nell’atmosfera odierna relativamente a quello prodotto da 1Kg di biossido di carbonio (CO2):

dove ai è la forzatura radiativa istantanea dovuta ad un aumento unitario della concentrazione del gas i-esimo, ci è la concentrazione del gas i-esimo dopo un tempo t dal suo rilascio e n il numero degli anni sul quale è effettuata l’integrazione. Parametri analoghi per il CO2 sono al denominatore. Il riscaldamento globale futuro di un gas serra su un periodo temporale di riferimento (orizzonte temporale) è rappresentato dal prodotto tra il GWP specifico e la quantità del gas emesso. Pertanto i GWP potrebbero essere usati per confrontare l’effetto, su un prefissato periodo temporale, della riduzione delle emissioni di CO2 rispetto alla riduzione delle emissioni di metano (CH4), o di un altro gas climalterante.

I gas a effetto serra inclusi nelle negoziazioni internazionali sul cambiamento climatico, e in particolare quelli considerati dal protocollo di Kyoto, sono principalmente, l’anidride carbonica, il metano, di protossido di azoto e l’esafloruro di zolfo e la famiglia dei clorofluorocarburi (idrofluorocarburi e per fluorocarburi)

ANIDRIDE CARBONICA (CO2)

Possiamo schematizzare, brevemente un bilancio non antropico dell’anidride carbonica sulla terra. Si identificano così come serbatoi, l’atmosfera, la biosfera terrestre, gli oceani e i sedimenti. Gran parte dell’anidride carbonica degli ecosistemi viene immessa nell’atmosfera. Un certo numero di organismi hanno la capacità di assimilare la CO2 atmosferica. Il carbonio, così, grazie alla fotosintesi delle piante, che combina l’anidride carbonica e l’acqua in presenza dell’energia solare, entra nei composti organici e quindi nella catena alimentare, ritornando infine all’atmosfera attraverso la respirazione. Si possono individuare delle variazioni annuali della concentrazione di CO2 atmosferica. Durante l’inverno si verifica un aumento della concentrazione dovuto al fatto che nelle piante a foglia caduca prevale la respirazione; mentre durante l’estate la concentrazione di CO2 atmosferica diminuisce per l’aumento totale della fotosintesi. La CO2 atmosferica entra negli oceani per semplice diffusione.

Gli oceani hanno un ruolo fondamentale nel bilancio del carbonio, e costituiscono una vera e propria riserva di carbonio sotto forma di ione bicarbonato. Gli oceani assorbendo, così la CO2 atmosferica mantengono bassa la sua concentrazione; se la concentrazione tendesse ad abbassarsi, gli oceani possono liberare anidride carbonica svolgendo un ruolo di equilibratori.

Questo bilancio naturale, in assenza di attività antropica, in prima approssimazione, è sempre in pareggio. Esso coinvolge valori di emissioni e assorbimenti maggiori alle emissioni antropiche. Tuttavia, per quanto piccole rispetto al totale, le emissioni antropiche sono sufficienti a squilibrare l’intero sistema. L’anidride carbonica si va così accumulando nell’atmosfera, in quanto i processi di assorbimento da parte dello strato rimescolato dell’oceano non riescono a compensare del tutto il flusso entrante di carbonio. Il Ciclo del carbonio è schematizzato in fig. 4.

L’anidride carbonica, secondo il “Second assessment report” dell’IPCC è responsabile di circa il 55% di radiation forcing nel decennio 1980-1990.

Le emissioni non legate all’attività umana sono circa 150 GtC/anno (miliardi di tonnellate di carbonio).

Quelle invece legate all’attività umana sono tra i 6 e gli 8 GtC/anno, di cui tra 5 e 6 legate all’uso di energia fossile, ossia petrolio, carbone e gas naturale; e la restante parte dovuta a fenomeni di deforestazione e cambiamenti d’uso delle superfici agricole. Il contributo della deforestazione è peraltro molto incerto, ed oggi al centro di molti dibattiti: le stime indicano valori compresi tra un massimo di 2 ad un minimo di 0.6 GtC/anno. L’ammontare equivalente di CO2 si ottiene moltiplicando per 44/12. Per quanto concerne la persistenza media in anni della CO2 in atmosfera, l’IPCC considera un intervallo compreso tra i 50 e i 200 anni che, dipende sostanzialmente dal mezzo di assorbimento.

METANO (CH4)

Il metano è il prodotto della degradazione di materiale organico in ambiente anaerobico. La sua capacità nel trattenere il calore è 30 volte maggiori a quella dell’anidride carbonica, il suo radiation forcing è del 15%. La sua concentrazione atmosferica media era di 1.6 ppm nel 1975, ora ha raggiunto e superato il valore di 1.7 ppm e sta aumentando con un tasso medio annuo valutato tra l’1.1% e l’1.4%. Le principali fonti di metano sono i terreni paludosi (25-170 Tg annui; 1 Tg o teragrammo = 1012 grammo), le risaie (40-179 Tg), la fermentazione del concime organico (40-110 Tg), la combustione della biomassa (30-110 Tg), la produzione e la distribuzione di gas naturale (20-50 Tg), l’estrazione del carbone (10-40 Tg) e le termiti (5-45 Tg), per un totale complessivo di 0.2-0.8 Gt/anno, e un incremento dello 0.6% annuo (tabella 1).

E´da rilevare il forte aumento delle emissioni di metano da parte delle discariche; inoltre si è avuto un aumento delle emissioni provenienti dal settore energetico, e una diminuzione di quelle del settore agricolo.

PROTOSSIDO D’ AZOTO (N2O)

Si forma principalmente da processi anaerobici di denitrificazione dei terreni e da ossidi d’azoto liberati dall’uomo in atmosfera. La sua capacità nel trattenere calore è circa 200 volte maggiore di quella dell’anidride carbonica. La concentrazione media è già superiore al valore di 0.3 ppm e sta aumentando con un tasso annuo di quasi lo 0.3% (IPCC), che è sicuramente minore all’aumento degli altri gas serra, ma il suo tempo medio di persistenza è di circa 120 anni (tabella 1). Ciò fa sì che se anche le emissioni fossero mantenute costanti, ci vorrebbero molti anni per stabilizzare le concentrazioni. Le principali attività umane legate alla produzione di N2O vanno ricercate nell’agricoltura, principalmente nell’uso di fertilizzanti azotati e in una serie di produzioni industriali. Le emissioni antropiche mondiali sono intorno ad 8 milioni di tonnellate/anno, le quali vengono assorbite principalmente dagli oceani.

ESAFLUORURO DI ZOLFO (SF6)

Le principali fonti di emissione del SF6 risultano l’industria elettrica che lo adopera come isolante, e dalle fonderie di magnesio. In entrambi i casi è possibile l’utilizzo di tecniche alternative per diminuire questa fonte di inquinamento. Le sue concentrazioni sono fortemente aumentate negli ultimi dieci anni, raggiungendo un tasso d’incremento annuo di circa il 7%. La sua persistenza atmosferica è di 3200 anni.

CLOROFLUOROCARBURI (CFC)

I gas tecnologici climalteranti, a differenza dei precedenti non esistono in natura e sono creati appositamente per l’uso come solventi, nella produzione di schiume isolanti, nei cicli di refrigerazione, ecc,. I clorofluorocarburi, che sono liberati in atmosfera con l’impiego diffuso di vari prodotti industriali, presentano concentrazioni atmosferiche, di per sé basse ma egualmente capaci di dare forti effetti radiativi. La concentrazione CFC-11 che era di 0.175 parti per miliardo (ppb) alcuni anni fa, sta aumentando con un tasso medio annuo del 5.7%. quella di CFC-12, che era di 0.300 ppb una decina di anni fa, sta aumentando con un tasso medio annuo di circa il 6% (tabella 1). I clorofluorocarburi, scoperti da Midgley nel 1928, erano di fatto sostanze chimiche considerate miracolose per i processi di refrigerazione, e per molti anni furono comprensibilmente ritenuti un grande successo industriale.

Nel 1974, S. Rowland e M. Molina, in un articolo pubblicato su “Nature” dimostrarono che il cloro dei CFC può agire da catalizzatore in una serie di reazioni chimiche e fitochimiche distruggendo le molecole di ozono.

Le emissioni di CFC furono regolamentate nel 1987 con il Protocollo di Montreal.

Tabella 1. Emissioni e Persistenza dei vari Gas Serra
CO2 (ppm) CH4 (ppb)
N2O (ppb) 
CFC-12 (ppt) 
Pre-rivoluzione industruale 280 700 275 0
1994 358 1721
311
503
Persistenza media (anni) 50-200
12
120
102

Nel 1985 i CFC, il protossido d’azoto e il metano contribuivano al surriscaldamento del clima nella stessa misura dell’anidride carbonica; ciò significa che la loro minore incidenza quantitativa è ampiamente compensata dalla loro elevata efficacia. Sebbene non si possa affermare con assoluta certezza che l’uso di questi gas abbiano aumentato l’effetto serra naturale, tuttavia una serie di circostanze sembra confermare l’ipotesi che un loro incremento abbia già provocato effetti tangibili. Durante l’ultimo secolo, infatti, la temperatura della superficie terrestre è aumentata di circa 0.5°C. I dati osservati dimostrano un aumento complessivo, che tuttavia non è lineare: a un incremento costante dal 1880 al 1949 ha fatto seguito una fase di diminuzione che è durata circa un trentennio, sino al 1980, dopo la quale la temperatura ha ripreso ad aumentare.
 
 
 

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