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Effetto serra e Gaia
L’effetto serra
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è un fenomeno naturale dato dalla capacità dell’atmosfera di trattenere e trasformare in calore una parte dell’energia proveniente dal Sole.
Questo fenomeno, come aveva intuito Fourier, è dovuto alla presenza nell’atmosfera di alcuni gas, denominati “gas serra”
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che intrappolano la radiazione solare diretta sulla superficie della Terra.
In pratica questo fenomeno è simile a quello che avviene in una serra: l’atmosfera è trasparente alla radiazione solare proveniente dal Sole ed è parzialmente opaca alla radiazione termica emessa dalla Terra.
Attualmente la temperatura media della Terra è attorno ai 15° C; in assenza dei “gas serra” si avrebbe una temperatura di -19°C.
L’atmosfera
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è un involucro gassoso che circonda la Terra. Essa è costituita da una miscela di gas con le seguenti percentuali: azoto 76%, ossigeno 22%, argon 1,3%, anidride carbonica 0,03%, vapore acqueo con tasso variabile ma sempre inferiore allo 0,3%.
La presenza di questi gas ha consentito l’ origine e lo sviluppo delle forme di vita . La temperatura dell’atmosfera si mantiene a valori che consentono l’ evoluzione della vita grazie proprio all’effetto serra. Da ciò ne consegue che l’effetto serra è un fenomeno che favorisce l’esistenza delle forme di vita sul pianeta Terra
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Vediamo di analizzare nel dettaglio il funzionamento dell’effetto serra partendo dalla radiazione solare diretta dal Sole verso la superficie della Terra. Se attribuiamo a questa radiazione il valore 100 possiamo calcolare le frazioni in cui questa radiazione si divide una volta che viene a contatto con l’atmosfera e con la superficie della Terra. Il 45% della radiazione viene assorbito dalla superficie della Terra, il 25% viene riflesso dall’atmosfera, il 5% viene riflesso dalla superficie della Terra, il restante 25% viene assorbito dall’atmosfera e trasformato in calore. I contributi all’effetto serra sono anche altri; alla frazione di radiazione solare assorbita dall’atmosfera bisogna aggiungere il calore trasferito all’atmosfera dalla superficie terrestre per evaporazione e la percentuale, nella misura dell’88%, della radiazione infrarossa emessa dalla superficie della Terra.
I gas responsabili dell’effetto serra, che come abbiamo già accennato sono denominati “gas serra” sono l’anidride carbonica CO2, il metano CH4, il protossido d’azoto NO2, oltre al vapor acqueo. Quest’ultimo è il principale gas serra naturale. Concentriamo ora l’attenzione sull’anidride carbonica.
L’anidride carbonica interviene in molti processi biologici, come la fotosintesi clorofilliana, in cui viene utilizzata come alimento dalle piante. Quindi essa è una sostanza fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali, oltre, come abbiamo visto, ad essere il principale un gas serra presente nell'atmosfera terrestre.
La quantità ottimale di anidride carbonica è garantita proprio dalla presenza delle piante verdi e dagli oceani che assorbono anidride carbonica. Infatti da una parte gli organismi vegetali utilizzano l’anidride carbonica atmosferica producendo materia organica, dall’altra l’anidride carbonica entra negli oceani per diffusione dove viene convertita in forme diverse.
Abbiamo appena detto che le foreste e gli oceani assorbono anidride carbonica, ma allora chi la produce? L’anidride carbonica è prodotta dalla combustione di un composto organico nel momento in cui grazie alla presenza di una quantità sufficiente di ossigeno si completa l’ossidazione. Inoltre è prodotta dalla fermentazione dei batteri ed è uno dei sottoprodotti della respirazione.
La concentrazione esatta di CO2 rilevata nel 2004 è di 379 ppm.
A causa della maggiore estensione delle terre emerse e di conseguenza della maggiore presenza sulla superficie da parte della vegetazione, nell'emisfero nord della Terra si osserva una fluttuazione della concentrazione di anidride carbonica di circa 5 ppm nell'arco dell'anno con un massimo nel mese di maggio ed un minimo nel mese di ottobre. Tale fluttuazione è stata analizzata da Charles David Keeling in zone in cui la presenza degli organismi viventi risultasse non direttamente influente. Tale analisi ha dato alla luce il “respiro della terra” ossia la fluttuazione della concentrazione di anidride carbonica nel corso delle stagioni.
Le prime fonti di anidride carbonica, nella storia del pianeta Terra, sono stati i vulcani. Sulla Terra neonata, grazie proprio alla presenza di questo gas, si è potuto creare un clima favorevole allo sviluppo della vita. Quindi l’anidride carbonica è un gas indispensabile per l’esistenza della vita.
Oggi i vulcani continuano a rilasciare nell’atmosfera anidride carbonica, ma se confrontiamo l’entità di tale rilascio con quello delle attività umane otteniamo solo l’1%. L’anidride carbonica rilasciata dai vulcani è l’1% di quella prodotta dalle attività umane.
La concentrazione atmosferica di CO2 è aumentata nel corso degli, ovviamente questo aumento è iniziato dal tempo della rivoluzione industriale, quindi verso la fine del 1700. Si stima che la concentrazione di anidride carbonica sia aumentata del 35% dai tempi della rivoluzione industriale e del 20% dal 1958, anno in cui Keeling diede inizio alle sue misurazioni a Mauna Loa, nelle Hawaii. Infatti Keeling nel 1958 rilevò una concentrazione di 313 ppm, mentre nel 2004 è stata misurata una concentrazione di 380 ppm, quindi con un aumento di oltre il 20%.
Quali sono le cause dell’aumento della concentrazione dell’anidride carbonica nell’atmosfera?
La principale causa è la combustione di combustibili fossili, quali il petrolio, il carbone ed il gas naturale, una causa secondaria, ma di enorme importanza per Gaia, è la deforestazione.
Prima di approfondire il discorso dell’equilibrio energetico del pianeta Terra, cioè di Gaia, dal punto di vista della concentrazione di gas serra nell’atmosfera e del surriscaldamento terrestre, approfondiamo lo studio degli altri gas serra.
Il metano CH4 si produce dalla degradazione di materiale organico in assenza di ossigeno, fenomeno denominato anossia. Il metano prodotto viene utilizzato dall’uomo come combustibile. Le attività umane emettono quantità di metano direttamente nell’atmosfera nel momento in cui avvengono perdite di gas naturale durante l’estrazione, il trasporto ed il consumo. Inoltre si hanno delle emissioni di metano nelle discariche dei rifiuti dove si ha, a causa dello stoccaggio dei rifiuti, produzione di “biogas”.
Il protossido di azoto è un gas serra caratterizzato da un tempo di permanenza nell’atmosfera molto elevato, di circa 120 anni. La sua produzione avviene in alcuni settori dell’agricoltura e dell’industria.
Altri gas serra sono i clorofluorocarburi CFC, ossia dei composti chimici costituiti da cloro, fluoro e carbonio, contenuti nelle bombolette spray e nei vecchi modelli di frigorifero. Essi sono responsabili del buco nell’ozono.
I clorofluorocarburi CFC sono stati introdotti come fluidi frigorigeni, da utilizzare nelle macchine frigorifere, nel 1930 con il nome commerciale di Freon. In precedenza si utilizzava, come fluido nelle macchine frigorifere a compressione di vapore, l’ammoniaca NH3. L’uso dell’ammoniaca è stato presto abbandonato e sostituito dal Freon in quanto l’ammoniaca, pur garantendo ottime caratteristiche di funzionamento per le macchine, presenta una certa tossicità per l’uomo; inoltre l’ammoniaca comporta il rischio di esplosione se mescolato con l’aria in determinate proporzioni.
Quindi dal 1930 i clorofluorocarburi sono i fluidi frigorigeni più usati. Essi sono derivati dal metano CH4 e dall’etano C2H6 per sostituzione degli atomi di idrogeno con atomi di cloro e di fluoro. I diversi tipi di Freon si sono affermati in breve tempo in quanto sono poco aggressivi chimicamente e non tossici per l’uomo. Ovviamente queste sostanze sono caratterizzate da ottime proprietà termodinamiche.
A partire dal 1974, con conferme sperimentali ottenute nel 1985, è stato scoperto l’effetto distruttivo dei clorofluorocarburi sull’ozono atmosferico.
Che cos’è l’ozono?
L’ozono è un gas normalmente presente nell’atmosfera, sia in prossimità del suolo che per altitudini elevate. Esso è presente nella troposfera, cioè al livello del suolo, e nella stratosfera, cioè fino a 60 chilometri di altitudine.
Nella troposfera l’ozono si forma a causa delle radiazioni solari che colpiscono le molecole di ossigeno, mentre nella stratosfera si forma a causa delle radiazioni ultraviolette che colpiscono le molecole di ossigeno. Quindi nella stratosfera l’ozono forma uno strato gassoso che agisce come schermo per le radiazioni ultraviolette provenienti dal sole.
Le attività umane modificano le condizioni di equilibrio in quanto a causa delle emissioni inquinanti si produce un aumento dell’ozono troposferico ed un danneggiamento dell’ozono stratosferico.
Il danneggiamento dell’ozono stratosferico è causato dagli ossidi di azoto e dai clorofluorocarburi. Questi gas provocano un assottigliamento dello strato protettivo formato dall’ozono; di conseguenza i raggi ultravioletti possono arrivare sulla superficie della Terra ed arrecare danno agli organismi umani, alle colture, ed agli ecosistemi acquatici. Il famoso “buco dell’ozono”, scoperto prima nel continente antartico e successivamente anche nell’emisfero settentrionale è dovuto alla presenza dei Freon scaricati nell’atmosfera per accidentali rotture, o alla fine della vita utile degli impianti frigoriferi, quando questi vengono distrutti.
La capacità di distruggere l’ozono da parte di un Freon è definita dall’indice ODP (Ozone Depletion Potential).
Tra i fluidi frigorigeni alternativi ai clorofluorocarburi CFC vi sono gli idroclorofluorocarburi HCFC. Inoltre vi è un altro tipo di fluidi frigorigeni, gli idrofluorocarburi, che non contengono cloro e che hanno un ODP nullo.
Si guarda con interesse, come fluidi alternativi ai CFC, all’impiego di fluidi naturali già esistenti nell’atmosfera, come l’aria, l’acqua o l’anidride carbonica, il cui impiego non modifica la composizione dell’atmosfera stessa.
Oltre alla distruzione dell’ozono, i fluidi frigorigeni contribuiscono all’effetto serra.
L’effetto serra, in questo caso, può essere valutato per mezzo dell’indice GWP (Greenhouse Warming Potential), il quale è funzione della durata della vita atmosferica del fluido e della sua capacità di assorbimento della radiazione infrarossa.
La presenza di gas serra nell’atmosfera è il fattore maggiormente responsabile dell’aumento della temperatura superficiale della Terra. Lo studio di alcuni scienziati ha permesso di ricostruire, mediante l’analisi delle bolle d’aria presenti nei ghiacciai dell’Antartide e della Groenlandia, l’andamento del clima e della composizione dell’atmosfera nel corso degli ultimi 100 secoli di vita del nostro pianeta.
Dalla fine dell’era glaciale la concentrazione di anidride carbonica si è mantenuta costante fino al 1700 con un tasso di 260 ppm. Lo stesso si può affermare per il metano, la cui concentrazione è rimasta costante dalla fine dell’era glaciale fino al 1700 con un tasso di 0,7 ppm.
E’ stato, però, nel corso del 1900 che le concentrazioni di questi gas hanno iniziato a crescere con velocità sempre maggiore.
Per concludere la parte di questo elaborato sull’effetto serra è opportuno spiegare che cos’è l’effetto serra antropogenico e quali possono essere gli effetti che tale fenomeno produrrà sul pianeta Terra.
L’uomo causa l’immissione nell’atmosfera di grandi quantità di gas serra; in tal modo l’uomo genera un effetto serra aggiuntivo a quello naturale e dovuto esclusivamente alla presenza delle attività umane. Questo effetto serra è detto antropogenico in quanto prodotto dall’uomo per soddisfare i propri bisogni primari e secondari utilizzando le risorse messe a disposizione dalla natura. In questo modo l’uomo tende a modificare gli equilibri del sistema climatico e quindi gli equilibri su cui si basa l’ipotesi di Gaia.
Le emissioni di gas serra prodotte dall’uomo derivano principalmente dalla combustione di combustibili fossili. Un effetto aggiuntivo, sempre determinato dall’uomo, nel causare l’aumento della concentrazione di tali gas, è la deforestazione. Infatti la riduzione e la distruzione di superfici con foreste causa una diminuzione dell’assorbimento di anidride carbonica.
I gas serra immessi per effetto antropogenica, quindi a causa delle attività umane, nell’atmosfera possono essere suddivisi nelle seguenti percentuali: anidride carbonica CO2 82%, metano CH4 12%, protossido di azoto NO2 4%, clorofluorocarburi CFC 2%.
Per valutare il reale contributo che questi gas danno all’effetto serra è necessario considerare tre parametri: la loro concentrazione, la loro capacità di intrappolare energia sotto forma di calore ed tempo medio in cui questi gas rimangono nell’atmosfera.
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