Riscaldamento Globale

Cominciamo col definire cambiamento climatico la modifica dei valori statistici del clima terrestre (variazione dei valori medi ed estremi delle temperature e delle precipitazioni o di altri parametri meteorologici importanti), misurati su un periodo di alcuni decenni. La misura su un lungo periodo ha lo scopo di rimuovere il rumore delle fluttuazioni statistiche naturali (per esempio le variazioni stagionali) e mettere in evidenza le linee di tendenza.

Nei prossimi paragrafi introduciamo brevemente alcuni principi fisici di base utili a comprendere i fenomeni che sono alla base del clima, con lo scopo di rendere spero meno astratta una espressione ormai comunemente usata da tutti, e che costituisce un importante aspetto dei cambiamenti climatici: il riscaldamento globale.

Energia, temperatura e radiazione elettromagnetica

Tutti i corpi possiedono una energia interna che si manifesta a livello microscopico come movimento o oscillazione degli atomi che lo costituiscono.

La temperatura di un corpo è la misura macroscopica di questa energia interna. Quando quest’ultima aumenta, cioè il movimento interno dei suoi atomi aumenta, la temperatura del corpo cresce. E viceversa, una diminuzione della sua energia interna risulta in una diminuzione della temperatura globale del corpo.

L’energia di un corpo si diffonde nello spazio, anche in assenza di materia, come radiazione elettromagnetica. È così che l’energia emessa dal sole raggiunge l’atmosfera e la superficie terrestre, sotto forma di un flusso di fotoni di luce (piccoli pacchetti o quanti di energia), dopo aver percorso la distanza di circa 150 milioni di kilometri che ci separa dalla nostra stella.

Dal punto di vista ondulatorio, un fotone ha una sua frequenza di vibrazione \(\nu\) ed una sua lunghezza d’onda \(\lambda\)

\[\lambda = \frac{c}{\nu}\]

dove \(c\) è la velocità della luce nel vuoto. I fotoni trasportano un’energia \(E\) proporzionale alla frequenza \(\nu\)

\[E = h \nu\]

dove \(h\) è la costante di Planck.

I nostri occhi, a seguito dell’evoluzione biologica, sono diventati sensibili ad una parte dei fotoni emessi dal sole, le cui frequenze definiamo per questo visibili. La lunghezza d’onda della luce visibile nell’aria va indicativamente dai 390 ai 700 nm (nanometri, unità di lunghezza corrispondente a \(10^{-9}\) metri), un ordine di grandezza pari a circa un centesimo dello spessore di un capello.

Le frequenze superiori comprendono gli ultravioletti (UV), e radiazioni che trasportano ancora più energia e pertanto estremamente pericolose perchè interferiscono con la chimica degli organismi viventi. Delle frequenze inferiori a quelle visibili notiamo in particolare gli infrarossi (IR) che pur essendo invisibili all’occhio umano, svolgono come vedremo un ruolo chiave nel clima della terra e quindi influenzano la nostra vita di tutti i giorni.

Si definisce corpo nero un corpo ideale in grado di assorbire tutta la radiazione elettromagnetica incidente senza rifletterla (da cui il nome).

Il meccanismo di trasferimento dell’energia funziona anche in senso inverso: l’energia dalla materia viene riemessa verso l’esterno sotto forma di fotoni di luce. La radiazione emessa da un corpo nero viene detta radiazione del corpo nero e la densità di energia irradiata, in funzione della lunghezza d’onda \(\lambda\), spettro di corpo nero. Tale spettro presenta una caratteristica forma a campana (più o meno asimmetrica e più o meno schiacciata) dipendente unicamente dalla sua temperatura \(T\).

Dall’immagine si nota come, all’aumentare della temperatura, l’area sottesa dalla curva aumenti ed il picco si sposti verso frequenze più alte (e quindi lunghezze d’onda \(\lambda\) più piccole), indice dell’aumento dell’energia interna del corpo, come visto precedentemente.

La maggior parte dei solidi e liquidi sulla superficie della terra sono approssimabili a corpi neri. L’atmosfera terrestre si comporta invece in modo molto differente: i gas che la compongono interagiscono con la luce esclusivamente a specifiche frequenze. I loro legami chimici e molecolari entrano infatti in risonanza solo se illuminati da una luce avente una frequenza prossima o uguale a valori particolari e caratteristici di ogni tipo di gas perchè legati alla sua struttura atomica.

Tutti gli oggetti a temperatura ambiente e la terra stessa, da quanto abbiamo visto, emettono fotoni nella zona degli infrarossi. Possiamo “visualizzare” quelli emessi da oggetti a noi vicini con una macchina fotografica o una telecamera speciali (ad infrarossi per l’appunto), come quelle che vengono comunemente installate per la video-sorveglianza notturna.

Il bilancio energetico, dato dalla differenza tra l’energia emessa da un corpo e l’energia assorbita, determina la temperatura di un corpo nel tempo. Nel caso limite in cui le due quantità di energia si eguaglino, la sua temperatura rimane costante. Si dice allora che è in una situazione di equilibrio termodinamico.

Gas ad effetto serra

Il sole costituisce la nostra sorgente naturale di energia. Essa viene emessa dalla nostra stella in ogni direzione e a seconda della stagione terrestre, la parte di potenza intercettata dalla terra varia tra 168500 TW e 180000 TW (1 TW, terawatt, corrisponde ad un miliardo di Watt). Una quantità enorme, che se riuscissimo ad utilizzare anche solo in minima parte, coprirebbe il fabbisogno energetico dell’umanità intera, attualmente di circa 18 TW.

Non tutta l’energia raggiunge la superficie terrestre e viene assorbita. Parte della luce solare viene essenzalmente riflessa dalle nuvole (\(H_2O\)) e dall’aerosol atmosferico di origine umana (inquinamento) e di origine vulcanica. Parte viene riflessa anche dalla superficie terrestre. La frazione totale riflessa è detta albedo e viene indicata con il simbolo \(\alpha\). La terra ha attualmente un albedo pari a circa 0.3 (cioè del 30%).

Circa il 78% dell’atmosfera terrestre è composto da azoto (nella forma \(N_2\)), il 21% da ossigeno (come \(O_2\)), lo 0,93% da gas Argon. Questi gas sono trasparenti ai fotoni provenienti dal sole, cioè non ne ostacolano il cammino verso la superficie terrestre e gli oceani, ed anche alla radiazione infrarossa emessa dalla terra. La ragione è che la vibrazione dei loro legami chimici non provoca uno sbilanciamento del campo elettrico della molecola, essendo questa perfettamente simmetrica.

Il costituente atmosferico che segue in pencentuale è il vapore acqueo, che deriva principalmente dall’evaporazione delle superfici oceaniche, e la cui abbondanza percentuale varia da luogo a luogo della terra: più presente nelle zone calde tropicali e meno in quelle fredde polari. È importante notare che la sua concentrazione è regolata da quelle che viene chiamato il ciclo dell’acqua: quando raggiunge un livello critico, dipendente dalla temperatura e da altri fattori come le impurità e gli inquinanti presenti nell’aria, essa ricade sulla terra sotto forma di pioggia o neve.

Al vapor acqueo segue in scala di importanza l’anidride carbonica (nota anche come diossido di carbonio; formula chimica: \(CO_2\)) che costituiste attualmente (2020) lo 0.0415% dell’atmosfera. Vista la sua presenza nell’atmosfera in quantità così limitate, viene misurata con una unità di misura più pratica: in parti per milione (ppm).

Contrariamente al vapore acqueo, il diossido di carbonio rimane stabilmente nell’atmosfera per tempi molto lunghi. Occorrono alcuni secoli o millenni affinchè venga assorbito dagli oceani e dalla vegetazione terrestre, ma una parte consistente, pari a circa il 25%, rimane attivo pressochè indefinitamente (per centinaia di migliaia di anni), spostandosi essenzialmente tra atmosfera, oceani e vegetazione. L’interessante ciclo del carbonio terrestre è descritto in modo dettagliato nel libro “The Long Thaw” di David Archer e sarà descritto in un prossimo post.

Altri gas presenti in parti ancora minori sono il metano (\(CH_4\)) e l’ozono (\(O_3\)). Quest’ultimo, in alta armosfera, è fondamentale per la preservazione della vita sulla terra, poichè assorbe buona parte dei raggi ultravioletti ad alta energia provenienti dal sole. Il metano rimane nell’atmosfera per alcune decine di anni, per poi degradarsi in \(CO_2\). La sua concentrazione in atmosfera, che si misura in ppb (parti per miliardo), è aumentata da 700 ppb nel periodo 1000-1750 a quasi 1.877 ppb nell’agosto 2020, con un incremento vicino al 270%.

Le figura seguente da una idea del ruolo dei differenti gas serra, e nell’ultimo riquadro del loro effetto totale, nell’assorbimento dell’energia infrarossa emessa dalla terra.

Riscaldamento globale

La temperatura degli oceani e della superficie terrestre è determinata dall’interazione (bilancio) tra il flusso di energia proveniente dal sole e quello irraggiato della terra verso lo spazio.

L’attività umana, caratterizzata dal rilascio nell’atmosfera di quantità sempre crescenti di \(CO_2\) (ormai dell’ordine dei miliardi di tonnellate all’anno) e di metano, derivanti dall’utilizzo su larga scala dei combustibili fossili, ha portato nei circa 250 anni trascorsi dall’inizio della rivoluzione industriale ad un aumento significativo della quantità di energia intrappolata nella troposfera dall’effetto serra. E dunque ad un incremento della sua temperatura media di quasi 1.2°C rispetto al periodo 1850-1900 (la cui temperatura media si considera pressochè assimilabile a quella del periodo pre-industriale) o di 1°C rispetto ai valori del 1951-1980:

Incidentalmente, il rafforzamento dell’effetto serra provoca anche un abbassamento della temperatura nelle zone alte dell’atmosfera terrestre, a causa della diminuzione del flusso di fotoni emessi dalla terra che riescono a raggiungerla. Anche questo fenomeno è stato verificato da misurazioni sperimentali satellitari cominciate nei primi anni ‘80 del secolo scorso.

Lo squilibrio termico attuale è stimato a 0,5 W/\(m^2\) (watt al metro quadrato), ben superiore al valore di 0,2 W/\(m^2\) che si è mantenuto più o meno costante dall’ultima glaciazione ed ha permesso all’umanità di diventare stanziale e sostentarsi con una agricoltura su larga scala, resa possibile dalla sostanziale stabilità del clima degli ultimi 10000 anni. Ed alla fine di costruire la società globalizzata ed articolata che conosciamo.

Questa fase di riscaldamento continuerà fino al raggiungimento di un nuovo equilibrio termico, ad una temperatura media della troposfera superiore all’attuale ma non prevedibile, perchè dipendente dalle emissioni future di gas ad effetto serra, oltre che da quelle cumulate fino ad ora nell’atmosfera. Il mondo sarà molto diverso da quello attuale, come leggiamo nel libro di Mark Lynas “Six Degrees: Our Future on a Hotter Planet”, nei cui sei capitoli che lo costituiscono, uno per ogni grado di scostamento progressivo dalla temperatura del periodo pre-industriale, sono descritti i gradi crescenti dell’impatto dei cambiamenti climatici sull’ambiente e le popolazioni, per quanto ci è possibile scientificamente e ragionevolmente ipotizzare, al netto delle conoscenze attuali.

I risultati scientifici, ottenuti soprattutto negli ultimi trenta anni di esplosiva ricerca nel campo, ci mostrano come il clima terrestre sia un sistema complesso, costituito da molteplici elementi strettamente correlati e mutualmente interconnessi tra loro, in equilibrio instabile, almeno su una scala temporale di centinaia di migliaia di anni. Un tempo praticamente infinito per noi umani.

Stiamo eseguendo su scala planetaria un esperimento di cui non sappiamo calcolare pienamente le conseguenze, ma di cui la scienza ci indica in modo sempre più chiaro l’estrema pericolosità. Non abbiamo un pianeta e neppure un ecosistema di riserva, dove migrare nel caso il risultato fosse disastroso. Affidarsi all’idea che la tecnologia del futuro saprà risolvere il problema è un rischio insensato il cui prezzo maggiore sarà pagato da altri: le generazioni future.