Bassa Atmosfera

Approfondimento

Gas serra - anidride carbonica e metano

Sebbene il vapore acqueo sia il gas serra più importante, normalmente sono l'anidride carbonica e il metano a farla da padroni. La concentrazione di questi gas è largamente inferiore a quella del vapore acqueo ma impedisce a particolari lunghezze d'onda delle radiazioni termica infrarossa di lasciare l'atmosfera. La loro concentrazione è in continuo aumento a causa dell'attività dell'uomo.

Il vapore acqueo assorbe la maggior parte delle lunghezze d'onda della radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre, intrappolandola come calore. Ad alcune lunghezze d'onda, tuttavia, l'assorbimento è debole o vicino allo zero permettendo alla radiazione infrarossa di sfuggire nello spazio. Altri gas serra assorbono la radiazione infrarossa a queste lunghezze d'onda e riducono la quantità di calore dispersa nello spazio.
 

Il solo aumento della concentrazione di vapore acqueo non avrebbe un effetto sul riscaldamento globale grande come quello derivante dalla presenza di quantità molto piccole di questi gas serra.

Perciò, l'impatto di un particolare gas serra sul riscaldamento globale dipende non solo dalla sua concentrazione, ma anche da quanto efficientemente può intrappolare la radiazione infrarossa. Il concetto di un Potenziale di Riscaldamento Globale (GWP) è stato sviluppato per mettere in relazione la capacità di ogni gas serra di intrappolare il calore nell'atmosfera rispetto ad un altro gas. L'anidride carbonica (CO₂) è stata scelta come gas di riferimento (GWP = 1).

Questa tabella mostra alcuni dei più importanti gas serra, le loro concentrazioni nel 1750 (era preindustriale), nel 2005, la loro emivita nell'atmosfera (EV in anni) e il loro potenziale di riscaldamento globale in 100 anni (GWP) il quale indica quanto il composto sia efficiente come gas serra nel lungo termine. I dati, escluso l'ozono, sono tratti dal IPCC AR4 2007:

Gas serra quantità 1750 quantità 2005 EV 100 anni GWP anidride carbonica CO2 280 ppm 379 ppm 50-200 1 metano CH4 700 ppb 1774 ppb 12 25 ossido di azoto N2O 270 ppb 319 ppb 114 298 ozono troposferico* O3 25 DU (10 ppb) 34 DU (30-40 ppb)   CFC11 CFCl3 0 251 ppt 45 4750 CFC12 CF2Cl2 0 538 ppt 100 10900 1 DU = Unità Dobson = 0.01 mm colonna di ozono puro * poiché l'ozono non è distribuito nell'atmosfera in modo uniforme, per la bassa troposfera si possono fare solo delle stime approssimative dei rapporti di mescolamento (in ppb).

Il cambiamento delle emissioni di CO₂ nel tempo

L'analisi dell'aria intrappolata all'interno del ghiaccio ci ha permesso di osservare come sono cambiate nel tempo le concentrazioni atmosferiche di CO₂. Duranti i passati 600.000 anni le concentrazioni atmosferiche di CO₂ sono oscillate dalle 180 ppm dele ere glaciali alle 280 ppm delle le ere interglaciali. Questo andamento è cambiato con l'inizio dell'industrializzazione a causa dell'aumento dello sfruttamento di combustibili fossili (carbone, petrolio e gas) come fonti di energia. A partire dalla rivoluzione industriale, le emissioni di CO₂ sono aumentate esponenzialmente e le concentrazioni atmosferiche sono attualmente circa 385 ppm (2008). Questo rapido aumento delle concentrazioni di CO₂ risulta principalmente dalle attività dell'uomo.

2. Andamento dei rapporti di mescolamento dei gas serra CO₂, N₂O e metano durante gli ultimi 600.000 anni rilevati dalle analisi delle carote di ghiaccio Antartico.  Le stelle in alto a destra mostrano i valori del 2000.
Fonte: IPCC AR4 2007 fig 6.3
(Cliccare per una maggiore risoluzione.)

Ogni anno diversi miliardi di tonnellate di carbonio entrano nell'atmosfera sotto forma di CO₂. Negli anni '80 sono stati emessi 5.4 ± 0.3 Pg C anno^-1, con un aumento fino a  6.3 ± 0.4 Pg C anno^-1 negli anni '90 (1 Petagrammo C = Pg C = 1x10¹⁵ g = miliardo di tonnellate). Dal 1999 al 2005 le emissioni sono aumentate ulteriormente da 6.5 Pg C all'anno a 7.8 Pg C anno^-1. Questo corrisponde ad un aumento annuale di circa il 3%, che supera le previsioni del rapporto mondiale sul clima del 2001.
 

Le emissioni derivano quasi esclusivamente dalla combustione di combustibili fossili e dalla produzione di cemento. Circa 0.5 - 2.7 PgC/anno derivano dal cambiamento dello sfruttamento del territorio, che consiste principalmente nella combustione di foreste e altra vegetazione. Se da una parte la grandezza di queste fonti di CO₂ è ben nota, dall'altra esiste molta incertezza sul destino della CO₂ una volta che è stata emessa nell'aria.
 

Circa 3.5 ± 0.1 Pg C anno^-1 rimangono nell'atmosfera. Gli oceani assorbono circa 2 Pg C anno^-1 convertendo la maggior parte del carbonio in carbonato e si stima che vengano assorbiti dalla crescita della vegetazione 2 Pg di C anno^-1. La quantità di CO₂ assorbita dalle piante è approssimativa, e può facilmente variare di un fattore 2 di anno in anno, essendo collegata alle diverse condizioni meteo, come, ad esempio, il verificarsi del fenomeno di El Niño. 
 

Il ciclo del carbonio

Lo scambio di CO₂ tra la biosfera e l'atmosfera è in una scala notevolmente superiore rispetto a quella indicata dai valori di sorgenti e pozzi mostrati sopra. Circa 270 Pg C anno^-1 sono immagazzinati temporaneamente  nelle piante durante la fotosintesi e circa 60 Pg C anno^-1 alimentano la crescita annuale delle piante. Questo ciclo naturale del carbonio è in un equilibrio tale per cui tutto il carbonio immagazzinato temporaneamente e tutto il carbonio necessario per la crescita è reimmesso nell'atmosfera quando le piante muoiono e si decompongono o quando vengono bruciate durante la combustione di biomassa. Questo significa che la crescita naturale della pianta non altera significativamente i livelli di CO₂ nell'atmosfera.
  

Sorgenti di metano

Nel 2005 la concentrazione media globale di metano troposferico era di 1774 ppb. Tuttavia, la grandezza esatta delle fonti è incerta in quanto le emissioni dalle paludi sono molto variabili e le emissioni dalle risaie sono state probabilmente sovrastimate (potrebbero essere solo 40 Tg y^-1). La tabella qui sotto mostra come siano state stimate le emissioni di metano in due studi diversi.

Fonti di metano (emissioni globali in Tera grammi per anno - 1 Tg = 10¹² g):

Fonti (selezionate) Emissioni [Tg CH4  anno-1] (Hein et al., 1997) Emissioni [Tg CH4  anno-1] (Lelieveld et al., 1998) paludi + risaie 325 (237 + 88) 225 settore energetico 97 110 ruminanti 90 (incluso il trattamento dei rifiuti) 115 discariche 35 40 combustione di biomassa 40 40 altro - (70) Totale 587 600

Circa il 60% delle emissioni di metano deriva dalle attività dell'uomo come l'agricoltura, l'utilizzo di combustibili fossili e lo smaltimento dei rifiuti. Come risultato del crescente contributo delle attività umane, la concentrazione di metano nell'aria è più che raddoppiata nel corso dei passati 1000 anni.

La più importante reazione che porta al consumo del metano è la reazione con OH:
OH + CH₄ -> CH₃ + H₂O

Ma la reazione è piuttosto lenta e, di conseguenza, l'emivita atmosferica del metano è lunga, circa 8.4 anni.

Idrati di metano

Enormi quantità di CH₄ sono immagazzinate sulla Terra sotto forma di idrati di metano. Queste solo miscele solide di ghiaccio e metano stabili a pressioni alte e basse temperature e che possono trovarsi sotto gli oceani e negli strati più profondi della terreno ghiacciato. Si ritiene che siano immagazzinato sotto forma di idrati di metano circa 10,000 Pg di carbonio, circa il doppio della quantità di carbonio immagazzinato sotto forma di combustibili fossili (carbone, olio e gas), rappresentando così una enorme risorsa di energia non utilizzata. I dati provenienti dalla carota di ghiaccio di Vostok non mostrano traccia del rilascio su larga scala di metano da questi idrati durante gli ultimi 400,000 anni. Tuttavia, l'aumento della temperatura superficiale risultante dal riscaldamento globale, potrebbe sciogliere alcuni di questi idrati di metano rilasciando metano nell'aria aumentando così ulteriormente l'effetto serra.

A proposito di questa pagina:

Versione italiana: Laura Dini (traduttore) e Michela Maione (revisione linguistica)
autore: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz, Germany
revisione scientifica: Dr. Benedikt Steil - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz, Germany
revisione didattica: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02, Yvonne Schleicher - Uni Erlangen, Germany
revisione e aggiornamento a cura di Elmar Uherek: 2008-07-21