EFFETTO SERRA

Bilancio termico della Terra

• Insolazione 19,2 Kcal/m2 min

• 50% riflessa e assorbita dall’atmosfera• 50% trasmessa (99% diffusione, 1%

conduzione e convezione)

Gas serra e spettro IR

• H2O assorbe 7-8,5 µm e 11-14 µm

• CO2 assorbe nel range 12-16,3 µm

• Finestra di fuga nel range 8,5-11 µm

L’anidride carbonica: la causa principale dell’effetto serra accelerato (dovutoalle attività umane) è l’anidride carbonica (CO2), responsabile per oltre il 60% diquesto effetto accelerato. Nei paesi industrializzati, il CO2 costituisce oltre l’80%

delle emissioni di gas ad effetto serra.La quantità di carbonio sulla terra non è illimitata e, come l’acqua, il carbonio haun suo ciclo – il ciclo del carbonio. Si tratta di un sistema complesso nel quale il

carbonio passa attraverso l’atmosfera, la biosfera terrestre e gli oceani. Le pianteassorbono CO2 dall’atmosfera durante la fotosintesi, utilizzano il carbonio persviluppare i loro tessuti, e lo restituiscono all’atmosfera quando muoiono e si

decompongono. Anche il corpo degli animali (e degli uomini) contiene carbonioproveniente dai vegetali – e dagli animali – di cui si nutrono. Questo carbonioviene rilasciato sotto forma di CO2 durante la respirazione e, dopo la morte,

durante la decomposizione.I carburanti fossili si formano in presenza di determinate condizioni dai resti di

piante e animali fossilizzati nel corso di milioni di anni e appunto per questo sonocosì ricchi di carbonio. In generale, il carbone è quanto resta delle foreste

seppellite mentre il petrolio deriva dalla conversione della vita sottomarina. (Glioceani assorbono CO2 che, in forma disciolta, è utilizzato nella fotosintesi delle

forme di vita acquatiche.)Ogni anno vengono scambiati naturalmente molti miliardi di tonnellate di carbonio

fra l’atmosfera, gli oceani e la vegetazione terrestre. I livelli di anidride carbonicasembrano avere subito variazioni massime del 10% durante i 10.000

Vapore acqueo: processi di retroazioneII vapore acqueo: il principale gas a effetto serra è il vapore acqueoresponsabile per circa due terzi dell’effetto serra naturale. Nell’atmosfera, le molecoledi acqua catturano il calore irradiato dalla terra diramandolo in tutte ledirezioni, riscaldando così la superficie della terra prima di essere irradiatonuovamente nello spazio.Il vapore acqueo atmosferico è parte del ciclo idrologico, un sistema chiuso dicircolazione dell’acqua – una risorsa non infinita – dagli oceani e dai continenti versol’atmosfera in un ciclo continuo di evaporazione, traspirazione,condensazione eprecipitazione.

L’aumento della concentrazione di vapore acqueo prodotto dal riscaldamento globalea opera di CO2 produce un ulteriore innalzamento del riscaldamento globale pereffetto dell’ H2O. Questo effetto è una retroazione positiva: verificarsi di unrisultato che di per sé rinforza ulteriormente il risultato del fenomeno stesso

Gas serra - Metano• CH4 assorbe 7,7 µm

• Rilasciato nell’atmosfera, il metano intrappola il calore con un’efficienza 23 volte superiore

a quella del CO2, anche se il suo ciclo è più breve, fra i 10 e i 15 anni.

• Il metano è originato principalmente dai batteri che si nutrono di materie organiche in

condizioni di mancanza di ossigeno e viene rilasciato da varie fonti di origine sia naturale

sia – prevalentemente – umana. Fra le fonti naturali si annoverano le zone umide e

paludose, le termiti e gli oceani. Le fonti di origine umana sono costituite dall’attività

mineraria e dallo sfruttamenti dei combustibili fossili, dall’allevamento di bestiame (gli

animali si nutrono di piante che fermentando nel loro stomaco esalano metano, contenuto

anche nel letame), dalla coltivazione del riso (le risaie producono metano in quanto le

materie organiche al suolo si decompongono in mancanza di ossigeno sufficiente) e dalle

discariche (anche in questo caso, le materie organiche si decompongono in mancanza di

ossigeno sufficiente).

L’ossido nitroso (N2O) è emesso naturalmente dagli oceani (3.8 Tg), dai

terremoti (6,6 Tg)dalle foreste pluviali e dai batteri presenti nel suolo.

Le fonti ascrivibili alle attività umane comprendono i fertilizzanti a base di

nitrati, la combustione di combustibili fossili e la produzione di prodotti

chimico-industriali con uso di azoto, per esempio nel trattamento dei liquami.

Nei paesi industrializzati, l'N2O è responsabile del 6% circa delle emissioni ad

effetto serra. Come il CO2 e il metano, l’ossido nitroso è un gas le cui molecole

assorbono il calore che cerca di sfuggire nello spazio, e ha una capacità di

assorbimento del calore 206 volte più elevata del CO2. Dall’inizio della

rivoluzione industriale, le concentrazioni di ossido nitroso nell’atmosfera sono

aumentate del 16% circa, contribuendo per un 4 - 6% all’accelerazione

dell’effetto serra (da 275ppb a 323 ppb)

Gas serra – Ossido nitroso

Gas serra – CFCSono gli unici gas ad effetto serra che non esistono in natura ma sono stati

sviluppati dall'uomo a fini industriali.

Contribuiscono all’1,5% delle emissioni dei paesi industrializzati, ma sono

estremamente potenti: sono in grado di intrappolare fino a 22.000 più calore del

CO2

– e rimangono nell’atmosfera per migliaia di anni.

I gas fluorurati ad effetto serra includono gli idrofluorocarburi (HFC) utilizzati a

fini di raffreddamento e refrigerazione, inclusa l’aria condizionata; l’esafluoro di

zolfo (SF6), utilizzato tra l’altro nell’industria elettronica; e i perfluorocarburi

(PFC), emessi durante la manifattura dell’alluminio e utilizzati anch’essi

nell’industria elettronica. Probabilmente i più famosi di questi gas sono i

clorofluorocarburi (CFC), che sono inoltre responsabili dell’impoverimento dello

strato di ozono.

Gli aereosol provocano effetti che modificano il clima

•Le particelle atmosferiche riflettono e/o assorbano la luce solare

• Alcune particelle hanno un significativo valore di albedo; riflettendo la luce solare c’è un raffreddamento della massa d’aria (aereosol di solfato)

•Alcune particelle assorbono invece la luce solare e quindi condividono calore (assorbito come energia) con le molecole circostanti e di conseguenza favoriscono aumento di calore (nerofumo).

Aereosol di nerofumo

•Vita media particelle di nerofumo: qualche settimana.Tuttavia il nerofumo continua ad esercitare la sua azione quando si deposita sulla neve.

• Paesi in via di sviluppo immettono grandi quantità di nerofumo

•A livello globale contribuisce al riscaldamento. Al livello locale potrebbe portare un raffreddamento perché impedisce alla luce solare di giungere a terra.

•Il clima locale: siccità o inondazioni

Aereosol di solfato• Gli aereosol di solfato puri non assorbono la luce solare

(UV,vis, IR)

• Se incorporano fuliggine hanno un assorbimento significativo

• Gli aereosol troposferici riflettono la luce solare nello spazio, aumentando l’albedo.

• Effetto indiretto: le particelle di solfato agiscono come nuclei per la formazione di piccole goccioline d’acqua le quali sono più efficaci nel retroddifondere la luce di una uguale massa di particelle più grandi; le goccioline più difficilmente coalescono in gocce di pioggia, pertanto le nubi hanno vita lunga e quindi riflettono per periodi maggiori.

Aereosol e riscaldamento globaleL’effetto di raffreddamento da aereosol di solfato di verifica solo nell’emisfero Nord perché più industrializzato.

Esempio: Eruzione del vulcano Pinatubo nelle Filippine nel 1991Inizialmente le particelle di cenere vulcanica contribuiscono ad un riscaldamento. Ma l’aria al livello del suolo subì un forte raffreddamento perché si formò aereosol di solfato dall’ossidazione di SO2.

Diminuzione di temperatura di 0.2°C nel 1992-1993 dovuta al raffreddamento vulcanico.

Estati fredde in America Settentrionale

Aereosol e riscaldamento globaleL’effettodi raffreddamento da aereosol di solfato di verifica solo nell’emisfero Nord perché più industrializzato.

La vita media di un aereosol di solfato ne preclude la diffusione nell’emisfero sud (0.4 um diametro). Dato il diametro si pensa che possano trovarsi per diversi anni in atmosfera ma vengono facilmente eliminate dalla pioggia.

Il riscaldamento globale: geografia• Le temperature al di sopra della terraferma si sono innalzate più di quelle al di

sopra dei mari

• La regione Antartide si è riscaldata più di tutte, il ghiaccio marino sta

scomparendo.

• Lo scioglimento del ghiaccio marino produce un effetto di retroazione positiva: il

ghiaccio riflette la luce solare più dell’acqua liquida.

Retroazione negativa: evaporazione acqua ha creato formazione di nuvole

Causa aumento: Antartide potrebbe dunque essere legato

• Diminuzione di aereosol di solfato (Europa e Nord America)

• Aumento di nerofumo che riscalda aria (Asia)

Modelli di circolazione globale

Le nubi possono raffreddare o riscaldare l’atmosfera

Nubi a bassa quota: sono calde quindi emettono in tutte le direzioni l’energia assorbita invece di trasformarla in calore. Poiché una parte della radiazione IR viene riemessa verso il suolo, la superficie viene comunque riscaldata (notti in cui è nuvolo fa più caldo) Tuttavia, il fatto che la radiazione IR viene riemessa fa si che le nubi non provochino un riscaldamento netto della terra. Motivo per il quale dopo un giorno di copertura nuvolosa la Tessa si raffredda

Nubi ad alta quota: sono fredde e assorbono la radiazione IR emessa dalla terra senza riemetterne una quantità significativa; tutta l’energia assorbita genera quindi calore

L’effetto serrà quale nubi produrrà? Quale sarà la retroazione?

CONSEGUENZE DEL RISCALDAMENTO DEL PIANETA

La siccità è uno dei problemi più seri che potrebbe derivare dai cambiamenti climatici dovuti al riscaldamento per effetto serra che porterebbe ad una

diminuzione della piovosità e ad una maggiore evaporazione

Lo scioglimento dei ghiacci potrebbe avere delle conseguenze devastanti sia per quanto riguarda le alterazioni ambientali delle zone artiche sia per quanto

riguarda l’innalzamento del livello dei mari

Molti altri problemi si potrebbero avere con gli infestanti di piante ed animali come insetti, erbacce, malattie e roditori che probabilmente prospererebbero

in condizioni di riscaldamento

Infine è interessante notare come l’SO2 che causa le piogge acide possa essere benevolo per l’effetto serra. Le nubi contenenti tale gas infatti riflettono

maggiormente la luce solare diminuendo la quantità di luce che arriva sulla terra e quindi anche quella riemessa da questa

Interventi di geoingegneria per combattere il riscaldamento globale

• Solar radiation management (SRM)SRM basato su superfici metalliche riflettenti nello spazio (particelle

microscopiche o oggetti macroscopici)

• Rimozione ed immagazinamento di CO2

• Il primo metodo consiste nel riflettere nello spazio una piccola frazione della luce

solare diretta verso la Terra

• Il secondo metodo consiste nel rimuovere il biossido di carbonio dall’aria e

immagazinarlo

SRM basato sull’uso di superficie metalliche riflettenti

Uso di milioni di dischi di silicio del diametro di 60 cm. Ogni disco sarebbe controllato via

radio dalla terra con delle pinne a specchio alimentate ad energia.

Ogni disco sarebbe inoltre costituito da una serie di fori attraverso i quali e del diametro

tale che la radiazione visibile che li attraversa venga dispersa. Nel loro insieme

getterebbero una piccola ombra sulla Terra, diminuendo leggermente la luce che

raggiunge l’atmosfera e la superficie terrestre.

Costi di gestione altissimi, tempi di sviluppo notevoli.

SRM basato sull’aumento di aereosol di solfato in stratosfera

La proposta di bioingegneria sarebbe quella di aumentare in misura notevole e in modo artificiale la concentrazione di queste particelle di aereosol di solfato (o analoghe particelle riflettenti) nella regione inferiore della stratosfera al fine di riflettere una frazione significativa ulteriore di luce solare incidente, impedendole di raggiungere la troposfera e la superficie terrestre

Impatti negativi della geoingegneria

Influenza su clima: seppur riducendo le temperature

influenzerebbero il clima in altro modo

• diminuzione di precipitazione a causa della riduzione

artificiale della luce solare

• Diminuzione dello strato di ozono stratosferico

Metodo Efficacia Accessibilità Velocità di implementazione Sicurezza

Dischi nello spazio

Alta Da bassa a molto bassa

Molto bassa Media

Aereosolnella

stratosfera

Alta Alta Alta Bassa (problemi legati alla pioggia)

Sbiancamento delle nubi

Bassa-media Media Media Bassa (quadri

climatici)Imbiancamento di tetti e

strade

Molto bassa Molto bassa Media-alta Molto alta

Riflettori nei deserti

Da bassa a media

Molto bassa Alta Molto bassa

Sequestro di CO2

• Cattura reversibile

• Ossicombustione

• Conversione di combustibile

fossile in idrogeno gassoso

Immagazinamento di CO2

• Scarico nelle profondità oceaniche

o nel sottosuolo

• Eliminazione del CO2 neutralizzato

Tecnologia Vantaggi/Svantaggi

Cattura tramite ammine Molta energia, decomposizione causata da SO2

Cattura tramite carbonato Meno energia (120°C)

Ricircolo del carbonatoDecomposizione del carbonato è

altamente endotermico e richiede alte T. CaO si disattiva

rapidamente, aggiunto sempre di fresco.

Composti del litio (Li4SiO4) Assorbe a T basse, desorbe a T più alte

Estrazione con solventi Meno calore dell’assorbimento chimico. Utilizzo di liquidi ionici

Separazione tramite membrane Processo buono per purificazione di gas naturale. Costoso

Nuove tecnologie per la cattura di CO2

Stati fisici della CO2

• A condizioni standard è un gas

• CO2 è un liquido a T basse (± 12°C)

• CO2 è un fluido supercritico ad alte

T (> 31°C) e alte P (> 73 atm)

Scarico di CO2 nelle profondità oceaniche

• A profondità 200-400 mt CO2 si diluisce in acqua e torna

in superficie (10 anni)

• Più siamo in profondità e maggiore è il tempo di

permanenza del gas (a 500mt circa 100 anni).

• A profondita >2700m la CO2 è tanto compressa da essere

più densa dell’ H2O

Ad oggi….

• La soluzione migliore sembra quella di intrappolarlo

come Ca(HCO3)2.

• Stoccaggio nei sedimenti