Clima e cambiamenti climatici
Il ghiacciaio dell'Adamello, in Lombardia, ogni estate arretra di qualche decina di metri. Un'estate calda basta a spiegarlo? Oppure c'entra qualcosa di più grande, che riguarda l'intero pianeta? In questa pagina impari a distinguere il tempo dal clima, a capire come funziona il bilancio energetico della Terra e a valutare quali cause stanno cambiando il clima. Alla fine tornerai sull'Adamello.
Tempo meteorologico e clima
Oggi a Milano piove e ci sono $12\,^\circ\mathrm{C}$. Questo è tempo meteorologico: lo stato dell'atmosfera in un luogo e in un momento preciso (ore, giorni).
Il clima è invece l'insieme dei valori medi e della variabilità del tempo in un luogo, calcolati su un periodo lungo. Per convenzione dell'Organizzazione meteorologica mondiale si usano 30 anni: sono le «normali climatiche» (per esempio 1991-2020).
Un modo per ricordarlo: il tempo è ciò che trovi quando apri la finestra, il clima è ciò che metti in valigia. Una sola giornata fredda a Palermo non smentisce il clima mediterraneo.
Distinguere tempo meteorologico e clima è fondamentale. a) Qual è la differenza fra tempo meteorologico e clima? b) Quale intervallo di tempo si usa convenzionalmente…
Distinguere tempo meteorologico e clima è fondamentale.
- a) Qual è la differenza fra tempo meteorologico e clima?
- b) Quale intervallo di tempo si usa convenzionalmente per definire un clima (le "normali" climatiche)?
- c) Cita due parametri fondamentali per descrivere il clima di una località.
L'effetto serra e il bilancio energetico
La Terra riceve energia dal Sole e la restituisce allo spazio. Se i due flussi si bilanciano, la temperatura media resta stabile.
La costante solare è $S = 1.361\ \text{W/m}^2$ (misurata sopra l'atmosfera, su una superficie perpendicolare ai raggi). Poiché la Terra è una sfera, la radiazione intercettata, $S\cdot\pi R^2$, si distribuisce sull'intera superficie $4\pi R^2$: in media arriva $S/4$ per ogni metro quadrato. Una frazione $A$ (l'albedo, circa $0{,}30$) viene riflessa. All'equilibrio, l'energia assorbita eguaglia quella emessa come corpo nero (legge di Stefan-Boltzmann):
$$\frac{S(1-A)}{4} = \sigma T^4$$L'atmosfera è quasi trasparente alla radiazione solare visibile, ma i gas serra assorbono la radiazione infrarossa emessa dalla superficie e la riemettono in tutte le direzioni, anche verso il basso. Così il calore resta più a lungo nel sistema. I principali gas serra sono vapore acqueo ($\text{H}_2\text{O}$), anidride carbonica ($\text{CO}_2$), metano ($\text{CH}_4$), protossido di azoto ($\text{N}_2\text{O}$) e ozono.
La concentrazione di $\text{CO}_2$ è passata da circa $280\ \text{ppm}$ (era preindustriale) a circa $420\ \text{ppm}$ oggi. Calcoliamo:
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aumento assoluto: $420 - 280 = 140\ \text{ppm}$;
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aumento percentuale: $\dfrac{140}{280}\cdot 100 = 50\%$.
Le cause sono la combustione di combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale) e la deforestazione, che riduce l'assorbimento di $\text{CO}_2$ da parte delle piante.
L'effetto serra naturale rende la Terra abitabile. a) Cita tre gas serra presenti in atmosfera. b) Spiega in breve in che modo i gas serra trattengono il calore. c)…
L'effetto serra naturale rende la Terra abitabile.
- a) Cita tre gas serra presenti in atmosfera.
- b) Spiega in breve in che modo i gas serra trattengono il calore.
- c) Quale gas serra è aumentato maggiormente per effetto della combustione di combustibili fossili?
La concentrazione di $\text{CO}2$ in atmosfera è passata da circa $280\ \text{ppm}$ in epoca preindustriale a circa $420\ \text{ppm}$ oggi. a) Calcola l'aumento assoluto…
La concentrazione di $\text{CO}_2$ in atmosfera è passata da circa $280\ \text{ppm}$ in epoca preindustriale a circa $420\ \text{ppm}$ oggi.
- a) Calcola l'aumento assoluto in ppm.
- b) Calcola l'aumento percentuale.
- c) Indica due attività umane responsabili di questo aumento.
Un modello semplice di bilancio energetico considera la Terra come un corpo che assorbe radiazione solare e irradia come corpo nero. Costante solare…
Un modello semplice di bilancio energetico considera la Terra come un corpo che assorbe radiazione solare e irradia come corpo nero. Costante solare $S = 1.361\ \text{W/m}^2$, albedo $A = 0{,}30$, costante di Stefan-Boltzmann $\sigma = 5{,}67\times10^{-8}\ \text{W m}^{-2}\text{K}^{-4}$.
- a) All'equilibrio vale $\dfrac{S(1-A)}{4} = \sigma T^4$. Calcola la temperatura di equilibrio $T$ in kelvin e in gradi Celsius.
- b) Confronta il valore con la temperatura media osservata di circa $15\ ^\circ\text{C}$ e spiega la differenza con l'effetto serra.
- c) Discuti che cosa cambierebbe nel risultato se l'albedo salisse a $0{,}32$ per un aumento di nubi e ghiacci.
Retroazioni e innalzamento del livello del mare
Il clima è un sistema con retroazioni (feedback): un cambiamento iniziale ne provoca altri che lo amplificano (retroazione positiva) o lo smorzano (negativa).
La più nota è la retroazione ghiaccio-albedo. Il ghiaccio fresco ha albedo $\approx 0{,}8$, l'oceano $\approx 0{,}06$. Se arrivano $300\ \text{W/m}^2$:
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ghiaccio: assorbe $300\cdot(1-0{,}8) = 60\ \text{W/m}^2$;
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oceano: assorbe $300\cdot(1-0{,}06) = 282\ \text{W/m}^2$.
L'oceano assorbe quasi cinque volte più energia. Quindi: più caldo → il ghiaccio si scioglie → compare superficie scura che assorbe di più → ancora più caldo. La retroazione è positiva perché amplifica la perturbazione iniziale. Per questo i ghiacciai alpini, come quello dell'Adamello, si ritirano in modo accelerato: la superficie scoperta e la polvere scura riducono l'albedo e favoriscono la fusione.
Il livello del mare sale per due cause principali:
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Espansione termica: l'acqua riscaldata aumenta di volume (la densità diminuisce). Poiché l'oceano è profondo migliaia di metri, anche una piccola dilatazione dà un innalzamento misurabile.
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Aggiunta di acqua dalle terre emerse: lo scioglimento di ghiacciai e calotte continentali (Groenlandia, Antartide) immette nell'oceano acqua che prima era sulla terraferma.
Per le coste italiane le conseguenze possibili sono: più frequenti episodi di «acqua alta» nella laguna di Venezia, erosione delle spiagge, intrusione di acqua salata nelle falde costiere e nelle foci del Po.
L'albedo è la frazione di radiazione solare incidente riflessa da una superficie. Il ghiaccio fresco ha albedo circa $0{,}8$, l'oceano circa $0{,}06$. a) Calcola la…
L'albedo è la frazione di radiazione solare incidente riflessa da una superficie. Il ghiaccio fresco ha albedo circa $0{,}8$, l'oceano circa $0{,}06$.
- a) Calcola la radiazione assorbita da $1\ \text{m}^2$ di ghiaccio e da $1\ \text{m}^2$ di oceano se arrivano $300\ \text{W/m}^2$.
- b) Spiega la retroazione ghiaccio-albedo e perché è positiva.
- c) Spiega le conseguenze per lo scioglimento dei ghiacciai alpini, come quello dell'Adamello.
Il livello del mare sale per due cause principali. a) Spiega l'espansione termica dell'acqua oceanica. b) Spiega la differenza fra lo scioglimento dei ghiacci marini…
Il livello del mare sale per due cause principali.
- a) Spiega l'espansione termica dell'acqua oceanica.
- b) Spiega la differenza fra lo scioglimento dei ghiacci marini galleggianti e quello delle calotte continentali rispetto al livello del mare.
- c) Indica due conseguenze possibili per le coste italiane, ad esempio la laguna di Venezia.
Il clima del passato e il ciclo del carbonio
Come sappiamo com'era il clima prima dei termometri? Dalle carote di ghiaccio estratte in Antartide (per esempio a Dome C, con partecipazione di ricercatori italiani). La neve che cade si compatta in strati annuali e intrappola bolle d'aria antica.
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$\text{CO}_2$ passata: si analizza direttamente l'aria nelle bolle, strato per strato, e se ne misura la concentrazione.
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Temperatura passata: si misura il rapporto isotopico $^{18}\text{O}/^{16}\text{O}$ nell'acqua del ghiaccio. L'acqua con $^{16}\text{O}$ (più leggera) evapora più facilmente; in periodi freddi la neve che arriva ai poli ha quindi meno $^{18}\text{O}$ rispetto a quelli caldi. Il rapporto funziona da «termometro».
I risultati mostrano che nei cicli glaciali-interglaciali di centinaia di migliaia di anni $\text{CO}_2$ e temperatura variano insieme: concentrazioni basse ($\approx 180\ \text{ppm}$) nei periodi glaciali, più alte ($\approx 280\ \text{ppm}$) negli interglaciali. Oggi, con $\approx 420\ \text{ppm}$, siamo ben fuori dall'intervallo degli ultimi 800.000 anni.
Il ciclo del carbonio
Il carbonio si muove fra serbatoi (atmosfera, oceani, biosfera, litosfera) tramite flussi (fotosintesi, respirazione, scambi aria-mare, combustione, vulcanismo, sedimentazione).
L'oceano assorbe $\text{CO}_2$ e questo lo acidifica:
$$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$$ $$\text{HCO}_3^- \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$$Gli ioni $\text{H}^+$ in più abbassano il pH. Inoltre gli ioni $\text{H}^+$ reagiscono con $\text{CO}_3^{2-}$ formando $\text{HCO}_3^-$, quindi gli ioni carbonato disponibili diminuiscono. Ma i gusci di coralli, molluschi e plancton si formano da
$$\text{Ca}^{2+} + \text{CO}_3^{2-} \rightleftharpoons \text{CaCO}_3$$Con meno $\text{CO}_3^{2-}$ la calcificazione è più difficile e i gusci esistenti possono addirittura sciogliersi.
Su scale di milioni di anni il clima è regolato da un termostato geologico. L'alterazione dei silicati (per esempio $\text{CaSiO}_3 + 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca}^{2+} + 2\,\text{HCO}_3^- + \text{H}_4\text{SiO}_4$) consuma $\text{CO}_2$; i fiumi portano $\text{Ca}^{2+}$ e $\text{HCO}_3^-$ al mare, dove si formano carbonati che sedimentano e diventano rocce carbonatiche (calcari: pensa alle Dolomiti). Il vulcanismo e il metamorfismo restituiscono $\text{CO}_2$ all'atmosfera. Se fa più caldo, l'alterazione accelera e sottrae più $\text{CO}_2$: una retroazione negativa che stabilizza il clima.
Le carote di ghiaccio antartiche (come quelle del sito di Dome C, cui partecipano ricercatori italiani) conservano bolle d'aria antica. a) Spiega come si ricavano dalle…
Le carote di ghiaccio antartiche (come quelle del sito di Dome C, cui partecipano ricercatori italiani) conservano bolle d'aria antica.
- a) Spiega come si ricavano dalle carote le concentrazioni passate di $\text{CO}_2$.
- b) Spiega come si ricavano le temperature del passato dal rapporto isotopico $^{18}\text{O}/^{16}\text{O}$.
- c) Quale correlazione è stata osservata nei cicli glaciali-interglaciali fra $\text{CO}_2$ e temperatura?
Il ciclo del carbonio comprende serbatoi (atmosfera, oceani, biosfera, litosfera) e flussi tra di essi. a) Spiega come l'oceano assorbe $\text{CO}2$ e perché ciò causa…
Il ciclo del carbonio comprende serbatoi (atmosfera, oceani, biosfera, litosfera) e flussi tra di essi.
- a) Spiega come l'oceano assorbe $\text{CO}_2$ e perché ciò causa acidificazione, scrivendo le reazioni chimiche rilevanti.
- b) Spiega l'effetto sulla formazione dei gusci di carbonato di calcio degli organismi marini.
- c) Discuti il ruolo delle rocce carbonatiche e dell'alterazione dei silicati come regolatori del clima su scale di milioni di anni.
Cause naturali e cause antropiche
Il clima è sempre cambiato. Quali fattori naturali lo influenzano?
Cicli di Milanković (variazioni dell'orbita terrestre, periodi di decine di migliaia di anni):
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eccentricità: la forma dell'orbita varia da quasi circolare a più ellittica (periodo $\approx 100.000$ anni);
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obliquità: l'inclinazione dell'asse varia fra circa $22{,}1^\circ$ e $24{,}5^\circ$ (periodo $\approx 41.000$ anni), modificando il contrasto fra le stagioni;
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precessione: l'asse ruota come una trottola (periodo $\approx 23.000$ anni), cambiando in quale punto dell'orbita cade l'estate.
Queste variazioni non cambiano di molto l'energia totale, ma la sua distribuzione nelle stagioni e alle alte latitudini. Se le estati boreali sono fredde, la neve non si scioglie del tutto e si accumulano calotte glaciali: iniziano le glaciazioni, poi amplificate dalle retroazioni (ghiaccio-albedo, $\text{CO}_2$).
Eruzioni vulcaniche: quelle esplosive, come il Pinatubo (1991), immettono in stratosfera $\text{SO}_2$ che forma aerosol di acido solforico. Gli aerosol riflettono la luce solare e raffreddano la superficie di circa $0{,}5\,^\circ\mathrm{C}$ per 1-2 anni, un effetto a breve termine, perché gli aerosol cadono rapidamente.
Perché non basta la natura? Il riscaldamento recente ($\approx 1{,}1\,^\circ\mathrm{C}$ dall'epoca preindustriale) avviene in pochi decenni, molto più in fretta dei cicli naturali. Gli argomenti principali:
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i cicli di Milanković sono troppo lenti e, nell'ultimo periodo, tenderebbero a un lieve raffreddamento;
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l'attività solare non mostra un aumento che segua il riscaldamento;
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i vulcani causano raffreddamenti temporanei, ed emettono molta meno $\text{CO}_2$ delle attività umane;
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la $\text{CO}_2$ aggiunta ha una «firma» isotopica ($^{13}\text{C}/^{12}\text{C}$ ridotto) tipica del carbonio fossile;
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la troposfera si scalda mentre la stratosfera si raffredda, come previsto dall'aumento dei gas serra e non da un aumento della radiazione solare.
Il clima è influenzato da fattori naturali ed antropici. a) Descrivi i cicli di Milanković (eccentricità, obliquità, precessione) e il loro effetto sulle glaciazioni. b)…
Il clima è influenzato da fattori naturali ed antropici.
- a) Descrivi i cicli di Milanković (eccentricità, obliquità, precessione) e il loro effetto sulle glaciazioni.
- b) Spiega l'effetto delle grandi eruzioni vulcaniche (come quella del Pinatubo, 1991) sul clima a breve termine.
- c) Argomenta perché il riscaldamento globale recente non può essere spiegato solo dalle cause naturali.
Vuoi tornare all'Adamello? Il suo arretramento non dipende da una sola estate calda: è parte di una tendenza di decenni (clima), amplificata dalla retroazione ghiaccio-albedo e coerente con il riscaldamento globale di origine antropica.