Sergio Rossi • Fa un po’ caldo (capitolo 3)

Capitolo 3: Breve storia dell’atmosfera e della CO2

Citazione

 Fu necessario osservare la Terra dallo spazio, o direttamente attraverso gli occhi di un astronauta, o attraverso le fotografie e le riprese, per darci il senso di un vero pianeta vivo, su cui organismi viventi, l’atmosfera, l’oceano, le rocce, si uniscono tra loro per formare quel tutto unico che è Gaia.

James Lovelock, La nuova età di Gaia, 1988

 

Nei capitoli precedenti hai visto come, con la sua tecnologia, l’Homo sapiens ha cominciato ad estrarre grandissime quantità di combustibili fossili e a reimmettere in atmosfera circa due terzi del carbonio che era stato immagazzinato nel sottosuolo in centinaia di milioni di anni sotto forma di carbone, petrolio e altri idrocarburi, prima ignorando le conseguenze e ora perfettamente consapevole degli effetti. Eppure, se osservi l’orizzonte e il cielo azzurro sopra di te, l’atmosfera ti apparirà come qualcosa di molto esteso ed infinitamente grande. Potresti avere il dubbio che il comportamento dell’uomo sia ininfluente rispetto a qualcosa di così grande, e che quindi il riscaldamento globale non dipenda da azioni umane. In realtà la storia del nostro pianeta dimostra che ogni forma di vita, da quelle primordiali come i batteri, a quelle più evolute, come quelle che compongono il regno vegetale e animale, ha contribuito a plasmarne gli equilibri anche in maniera inconsapevole attraverso la modificazione della composizione chimica dell’atmosfera. Facciamo quindi un breve viaggio nel passato del nostro pianeta per capire di più sull’origine e sulla storia dell’atmosfera, questa magica miscela di gas che permette la vita ma è anche influenzata dalla vita stessa, per capire quanto importante per gli equilibri del pianeta che essa rimanga stabile.

La vita si evolve, la composizione dell’atmosfera anche

[Vignetta]

L’atmosfera terrestre, rispetto alle dimensioni della Terra è una sottile striscia di gas, la maggior parte dei quali sono concentrati nei primi 10 km dalla superficie. Rapportata ad un pallone da calcio occuperebbe lo spessore della vernice che ricopre la palla.

Cominciamo davvero dall’inizio. La Terra nasce circa 4,6 miliardi di anni fa dalla lentissima aggregazione di frammenti di materiale originato dalla esplosione di una stella. A partire da questa polvere di stelle, si aggregano pezzi via via sempre più grandi sul quel nucleo iniziale in via di formazione per effetto dell’aumento della gravità. Il pianeta cresce ma rimane molto vulnerabile in balia dell’impatto di meteoriti. Uno di questi è particolarmente catastrofico: il piccolo pianeta Theia entra in collisione con la Terra con un urto talmente violento da proiettare un pezzo del pianeta nello spazio. Questo pezzo non va molto lontano e dà vita al satellite roccioso che chiamiamo Luna, il quale aiuta a stabilizzare l’orbita del nostro pianeta intorno al Sole. L’impatto produce anche una quantità enorme di energia e la superficie terrestre si ricopre di magma incandescente che libera grandi quantità di anidride carbonica che forma la prima composizione dell’atmosfera che è totalmente diversa dall’attuale: è infatti composta in prevalenza da anidride carbonica, quindi da vapore acqueo, metano, ammoniaca, azoto, argon ossia i gas rilasciati dai materiali solidi che ricoprivano la superficie del pianeta e successivamente dalle eruzioni vulcaniche. In generale non doveva essere molto diversa da quella attualmente presente su Venere o su Marte (vedi Tabella), forse ravvivata solo da qualche nuvoletta di acido solforico, mentre la temperatura stimata alla superficie è di circa 230°C. 

Tabella toglierei

  

Terra

 

Marte

Gas

Formula

in ppm

in %

 

in ppm

in %

Azoto

N2

780840

78.084

 

26000

2.6

Ossigeno

O2

209460

20.946

 

1740

0.174

Argon

Ar

9340

0.934

 

19000

1.9

Anidride Carbonica 

CO2

413.32

0.041332

 

949000

94.9

Metano

CH4

1.87

0.000187

 

0

0

       

Tabella che mostra per comparazione la composizione dell’atmosfera terrestre e quella del nostro pianeta più vicino, Marte, esempio di pianeta morto. La composizione è espressa in percentuali di volume di aria secca e in ppm (parti per milione).

……..

Con il passare del tempo la Terra comincia piano piano a raffreddarsi, anche perché il Sole è molto meno potente di oggi. A causa dell’abbassamento di temperatura la CO2 diventa molto densa e in parte viene riassorbita nelle rocce del mantello. Comincia a condensare anche il vapore acqueo e nel tempo va a formare gli oceani.  Deve passare un tempo infinitamente lungo prima che l’atmosfera cominci a colorarsi di azzurro, colore dovuto alla presenza di ossigeno a sua volta indissolubilmente legato della presenza di vita. Fino a 2,45 miliardi di anni non c’era traccia di questo gas in atmosfera, poi la sua presenza comincia ad aumentare per opera dei primi batteri fotosintetici (cianobatteri) che, come altri organismi più complessi come le alghe e le piante, catturano carbonio dall’atmosfera e liberano ossigeno (di scarto) tramite la fotosintesi per formare gli zuccheri complessi necessari alla loro sopravvivenza. Nei successivi due miliardi di anni le forme di vita hanno cominciato a cambiare, sebbene del tutto inconsciamente, l’equilibrio chimico dell’atmosfera fino a far diventare l’ossigeno il secondo costituente in atmosfera a spese dell’anidride carbonica che, da principale componente dell’atmosfera primordiale è ora presente in piccole concentrazioni, circa lo 0.04% (ovvero 400 parti su milione o ppm). La figura 2.1 mostra lo spiraleggiare delle varie forme di vita che si sono alternate nella storia del pianeta frutto dell’adattamento alle condizioni di quel tempo. La composizione atmosferica attuale è quindi il risultato di questa lunghissima storia che ha visto repentini cambiamenti che hanno comportato cinque grandi estinzioni di massa, la più nota quella dei dinosauri, alternati a lunghi periodi di stabilità climatica nei quali differenti forme di vita hanno potuto prosperare. Oggi la popolazione umana ha raggiunto i 7 miliardi di persone e ha sviluppato una tecnologia basata sull’utilizzo dei combustibili fossili in grado alterare l’ambiente nel quale è immerso. In più tutto questo sta avvenendo in tempi estremamente rapidi (159 anni) rispetto alle variazioni naturali avvenute nel passato (milioni di anni).

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Figura 2.1 Cercare la fonte della figura e verificare se possibile usarla. Da personalizzare, aggiungendo i corrispondenti livelli di CO2 e temperature medie nelle principali ere geologiche.

Non solo CO2: i gas serra e i loro effetti

È una limpida giornata invernale, sei seduto in un angolo riparato da vento e ti godi il sole che scalda il tuo corpo. Senti il calore sulla nostra pelle, in contrasto con le folate di vento che invece sono fredde. Anche il muro alle tue spalle, anch’esso esposto al sole, irradia calore verso di noi. Da 4 miliardi di anni i raggi solari primariamente riscaldano la superficie terrestre attraversando quasi indisturbati l’atmosfera, cioè senza riscaldarla direttamente. La superficie riscaldata, come il muro alle nostre spalle, emette calore in tutte le direzioni, anche verso l’alto. Si tratta di radiazione a bassa lunghezza d’onda, tecnicamente nella banda dell’infrarosso: sono raggi che il nostro occhio non vede a differenza della luce solare diretta, ma che percepiamo come calore quando ci avviciniamo ad oggetti caldi. Per alcune proprietà legate alla struttura delle molecole, la radiazione infrarossa viene assorbita e riemessa solo da gas composti da due atomi diversi (come il monossido di carbonio, CO) e tutti i gas con tre o più atomi, come la CO2, il metano (CH4) o da gas ancora più complessi come i clorofluorocarburi, ossia i gas presenti nelle bombolette spray fino a qualche anno fa e ora vietati perché responsabili del buco dell’ozono. Come hai letto negli scorsi capitoli sono questi gas in grado di assorbire radiazione infrarossa i responsabili dell’effetto serra, mentre l’ossigeno (O2) o l’azoto (N2), che da soli compongono il 99% dell’atmosfera, sono totalmente trasparenti alla radiazione infrarossa. I diversi strati dell’atmosfera posti a diverse altitudini contengono i gas serra che assorbono ed emettono i raggi infrarossi in tutte le direzioni, anche di nuovo verso la superficie terrestre che rimane quindi intrappolata nell’atmosfera terrestre grazie a questi continui rimbalzi e per questo motivo si scalda, soprattutto vicino alla superficie: nasce così questa strana serra con le pareti fatte di gas che aumenta la temperatura e la rende uniforme. E, come abbiamo visto nello scorso capitolo, le variazioni di concentrazione di questi componenti (in apparenza) secondari possono provocare una variazione della temperatura planetaria, perché un loro aumento o diminuzione comporta un aumento o diminuzione della radiazione infrarossa intrappolata dall’atmosfera, e quindi una variazione della temperatura di equilibrio globale. Ci sono voluti qualche miliardo di anni e una lunga storia climatica del pianeta inizialmente caratterizzata da grandi variazioni dovute a lente variazioni orbitali, ere glaciali e a cinque ricambi totali di specie viventi per arrivare a un’atmosfera con una composizione di gas serra ideale che riesce a mantenere la temperatura media del pianeta stabile intorno ai 14°C contro i -17°C che si avrebbero in loro assenza. È in questo periodo di grande stabilità climatica, in particolare negli ultimi 12 mila anni che sono compresi nell’era chiamata Olocene (l’hai già incontrata nel Capitolo 2), che si è sviluppata tutta la storia dell’umanità fino a oggi.

Quando la CO2 è troppa: la sindrome di Venere

7 dicembre 2019, ore 21, è notte su Venere. La temperatura esterna è 467°C, molto superiore a quella massima del forno di casa vostra, ideale per cuocere una pizza in meno di un minuto. La pressione al suolo è di 90 atmosfere contro l’una sulla Terra, la stessa che troviamo a 900 metri di profondità. Il pianeta è avvolto da dense nubi di acido solforico. Come è nato questo luogo infernale?

Attraverso studi sull’atmosfera attuale e la geologia della superficie si ritiene che l’ambiente iniziale di Venere fosse simile a quello della Terra, con acqua liquida in superficie. A un certo punto della sua storia si è innescato, per motivi ignoti, un effetto serra esplosivo che ha portato l’attuale atmosfera di Venere ad essere composta al 96.5% di CO2 e senza più ossigeno. Il forte aumento di temperatura avrebbe causato l’evaporazione delle acque superficiali i cui vapori avrebbero incrementato ulteriormente l’effetto serra innescando una letale reazione a catena. Il problema è che non potrebbe essere un caso isolato: alcuni scienziati pensano che un effetto serra del genere potrebbe essere innescato anche sulla Terra se arrivassimo a bruciare tutte le riserve di petrolio, gas, carbone disponibili (era l’idea di Walter Nerst vista nel capitolo 2). “Se poi bruciamo anche le sabbie bituminose e gli scisti, la Sindrome di Venere sarebbe una certezza” afferma il famoso climatologo americano James Hansen nel suo libro Tempeste. 

Cosa sta accadendo alla CO2 sulla Terra oggi

Cosa sta succedendo alla nostra atmosfera? Hai visto nello scorso capitolo che, con l’avvento della rivoluzione industriale, l’uomo ha sviluppato una potenza tecnologica in grado di alterare il corso della natura, modificando quell’equilibrio che si è venuto a determinare in milioni di anni di evoluzione. Questa affermazione potrebbe sembrare eccessiva, anzi lo è stata per parecchi anni nel mondo scientifico finché ci si è resi conto che la storia dell’atmosfera è indissolubilmente legata all’azione combinata delle specie viventi presenti sul pianeta, e negli ultimi 150 anni soprattutto a quella umana. Per rendersi conto della nostra azione sull’atmosfera, basta osservare i nostri stili di vita, gli oggetti di cui ci circondiamo come i nostri inseparabili telefonini, le nostre case, i mezzi di trasporto e ciò che mangiamo. Tutto questo richiede energia per essere creato e metabolizzato. Molta energia, continuamente, tutti i giorni, una quantità di energia mai prodotta dalle precedenti generazioni, e più del 80% di questa è prodotta con combustibili fossili, che tutt’oggi vengono continuamente estratti dalle viscere della Terra dove le forze geologiche hanno impiegato milioni di anni a immagazzinarli. In appena 100 anni abbiamo liberato circa 2/3 della energia fossile contenuta nella stiva del nostro pianeta e con essa abbiamo liberato il carbonio che custodiva nell’atmosfera. In questo senso la tecnologia umana sta percorrendo in senso inverso il processo di stoccaggio di CO2 operato dalle forze naturali. Attualmente si stima che il flusso netto di CO2 annuale derivante dall’attività umana sia pari al 7% del ciclo naturale. Inoltre la CO2 è una molecola stabile e tende a restare nell’atmosfera per centinaia di anni. Quindi il contributo di ogni anno si somma a quelli degli anni precedenti: per questo è la quantità di emissioni complessive, a partire dal XIX secolo unita ai cicli naturali di emissioni e assorbimenti, a determinare il suo crescente e velocissimo accumulo in atmosfera come si può ben vedere nella Figura 2.2 che mostra la ricostruzione della CO2 degli ultimi 500 mila anni. A partire dalla seconda rivoluzione industriale la sua concentrazione è aumentata del 60% con una rapidità senza precedenti, come dimostra la salita verticale della curva nel grafico. Questo aumento non è dovuto solo alle nostre emissioni ma anche al progressivo disboscamento delle grandi foreste tropicali come quella dell’Amazzonia che, tramite la fotosintesi, fungono da grandi assorbitori di CO2. Le grandi foreste sono quindi i nostri grandi alleati, così come lo sono gli oceani che hanno grande capacità di immagazzinamento di CO2 grazie anche ai microrganismi che la assorbono e che producono la maggior parte dell’ossigeno che respiri. L’anidride carbonica presente in atmosfera viene disciolta nelle acque superficiali dell’oceano andando a formare l’acido carbonico che viene trasportato in profondità sul fondale marino dove, tramite altre reazioni, forma nuove rocce. È attraverso reazioni come questa che gli oceani smorzano le variazioni di concentrazione di CO2 nell’atmosfera. Tuttavia, oggi gli oceani già contengono 50 volte la CO2 presente in atmosfera e la loro capacità di assorbimento non è illimitata. Un maggiore assorbimento di anidride carbonica porta con sé altri problemi, per esempio quelli legati all’aumento dell’acidità dell’acqua che incide sulla presenza dei microorganismi che producono ossigeno e assorbono CO2 (è l’effetto Revelle visto nel capitolo precedente).

Fake news 

“L’aumento della CO2 in atmosfera non è dovuto all’attività umana.”

È una delle posizioni dei negazionisti della responsabilità umana sul cambiamento climatico. Lo smontaggio di questa fake news è di Giorgio Vacchiano, ricercatore in Scienze forestali che La rivista scientifica Nature ha identificato due italiani tra gli 11 migliori scienziati emergenti al mondo.

Ne Il Giornale del 25 agosto 2019, il professor Franco Battaglia sostiene che essere preoccupati per il cambiamento climatico nasconda gravi ignoranze matematiche. I suoi calcoli sono corretti, ma Battaglia dimentica di spiegare la portata dei suoi numeri per il clima della Terra e la nostra sopravvivenza. Per cui, faccio io.

Nel suo articolo, il professore racconta che si trova in uno studio televisivo a parlare di clima dove comincia il suo ragionamento partendo da un dato (quasi) corretto: dall’inizio del secolo scorso, l’umanità ha aggiunto all’atmosfera circa 100 Parti per milione di anidride carbonica (ormai sono 135). Prendendo ad esempio lo studio televisivo dove si trovava e stimando che contenesse 1000 metri cubi d’aria, battaglia conclude che 100 Parti per milione corrispondano a 50 g di carbonio, cioè il contenuto di una candela di media grandezza. Fin qui tutto bene (si tratta per l’esattezza di 53,6 g di carbonio).

Conclusione: “Se bruciamo una candela in questo studio, abbiamo introdotto in esso la stessa CO2 che le attività dell’umanità vi hanno introdotto in 150 anni”. 

Corretto. Ma in un gas le molecole sono molto più distanti tra loro rispetto a un solido, quindi quella candela interamente vaporizzata nell’aria comincia ad avere un effetto significativo sulla circolazione del calore, “trattenendolo” come sotto una coperta. 

E poiché l’atmosfera della terra è davvero molto più grande di quello studio televisivo, la quantità di “candele” bruciate dall’uomo nell’atmosfera è 5600000000000000, o 280 miliardi di tonnellate di carbonio. In realtà non bruciamo candele, ma petrolio e carbone: l’effetto è lo stesso, e la CO2 che si produce in questa combustione continua ad accumularsi, così come il suo potere riscaldante (che chiamiamo “forzante radiativo”). E che finora ha riscaldato stabilmente tutta la Terra di oltre 1 grado negli ultimi 100 anni.

Se tutto il carbonio da noi emesso fosse concentrato in una vera candela, potrebbe bruciare prima di consumarsi per un tempo equivalente a 750 volte quello trascorso dal Big Bang fino a oggi.

Piccola storia familiare con CO2 

I nostri avi sono nati tra il 1888 e il 1892. Allora non era ancora diffusa l’illuminazione elettrica nelle case, per riscaldarsi si usava la legna (fonte rinnovabile), per spostarsi si usavano i propri mezzi o i cavalli, quasi tutto veniva riutilizzato e gli sprechi erano molto limitati. Le emissioni di anidride carbonica erano quindi molto basse anche se indubbiamente tutto era più faticoso. Da allora, e nel giro di sole quattro generazioni, siamo passati dall’Olocene all’Antropocene, e abbiamo quasi esaurito il budget di carbonio che possiamo utilizzare senza incorrere in pericolose conseguenze riguardanti l’innalzamento della temperatura terrestre sopra una soglia critica (+1.5°C rispetto al XIX secolo) che, se superata, provocherebbe pesanti conseguenze sugli ecosistemi oltre a grossi impatti sulla nostra società (li leggerai nel capitolo 6). È come se in una famiglia ci stessimo rendendo conto che abbiamo speso troppo ultimamente, i soldi stanno per finire e il prossimo giorno di paga è fra due settimane. Per arrivare alla fine del mese bisognerà fare economia e cercare di ridurre le spese perché altrimenti non rimarrà neanche il necessario per mangiare. Allo stesso modo dovremmo ridurre velocemente le nostre emissioni e nel frattempo avviare una trasformazione della nostra economia che in futuro dovrà essere basata su fonti rinnovabili, come vedremo in dettaglio nel capitolo 6.

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Figura 2.2  Andamento dell’anidride carbonica negli ultimi 500.000 anni dedotta dai carotaggi da antichi ghiacci, come quelli antartici, e per il periodo recente dalle misure rilevate presso l’osservatorio di Mauna Loa alle Hawaii. Fonte Noaa (National Oceanic and Atmospheric Administration).

Una domanda

Rimane però una domanda: se era già chiaro dalla prima metà del XX secolo che l’immissione di CO2 stava provocando il riscaldamento globale in atto, come mai ci è voluto così tanto tempo per ammettere questo fatto? Per cominciare a rispondere, dobbiamo chiamare un testimone d’eccezione che, grazie a una speciale macchina del tempo, è arrivato fino a noi dal lontano 3000 a.C.

Rossi

Sergio Rossi

Editor, scrittore, giornalista, fisico, divulgatore scientifico, vive a Bologna ed è autore di libri per ragazzi. Ha diretto la rivista di critica Fumo di China.

Grazzini

Federico Grazzini

È fisico meteorologo e capo previsore presso il Servizio-idro-meteo-clima (SIMC) di Arpae, l’agenzia per l’ambiente della Regione Emilia-Romagna. Sta svolgendo un PhD presso l’Università di Monaco di Baviera.