Lanciamo una nuova rubrica di divulgazione.

L'immagine di apertura è volutamente ironica: troppo spesso il dibattito pubblico sul clima, sulla transizione energetica, sulla sostenibilità si arena su affermazioni sbagliate, semplificate o strumentali, che trovano terreno fertile proprio dove la conoscenza scientifica fatica ad arrivare.

Articolo dopo articolo, affronteremo vari temi con un approccio rigoroso ma accessibile, fedele alla letteratura scientifica e al consenso dei principali organismi internazionali. Perché, per noi, la complessità non è un ostacolo alla comprensione.

Stay tuned!

L'effetto serra da CO₂: dalla fisica molecolare al segnale isotopico

Come può una concentrazione così bassa avere un effetto così grande?

La CO₂ è poca — ma è il driver

La CO₂ si trova attualmente in atmosfera a circa 422 ppm (parti per milione in volume), cioè lo 0,0422% dell'atmosfera. Il vapor d'acqua è molto più abbondante (fino al 4% in volume nelle zone tropicali), ed è spesso indicato come il principale gas serra — e in senso assoluto lo è.

Tuttavia, i due gas, vapore d'acqua e CO₂, svolgono ruoli qualitativamente diversi. Il punto chiave sta nel meccanismo di feedback del vapore acqueo contro la forzatura dovuta alla CO₂ (e degli altri gas ad effetto serra come il metano - CH4 ed il protossido d'azoto - N2O) . In termodinamica si dice che il vapore acqueo è una variabile di stato, mentre la CO₂ è una variabile di controllo.

L'aria calda è un serbatoio

La concentrazione di vapor d'acqua nell'atmosfera è governata dalla temperatura: se la temperatura sale, l'evaporazione aumenta, più vapore rimane in sospensione, più vapore si forma e l'effetto si amplifica — ma il vapore acqueo da solo non può iniziare il riscaldamento, perché la sua concentrazione è dipendente dalla temperatura stessa.

Questo rapporto è regolato da una legge fisica chiamata Equazione di Clausius-Clapeyron.

Senza entrare nel formalismo matematico dell'equazione e del calcolo differenziale, focalizziamoci sulla dinamica molecolare: nell'aria fredda le molecole dei gas che costituiscono l'aria stessa (azoto, ossigeno, l'H2O stessa, ecc...) sono vicine e hanno poca energia cinetica, le forze di attrazione intermolecolare (legami a idrogeno) hanno il sopravvento: le molecole "si incollano" tra loro e tornano allo stato liquido (condensazione). Per questo la concentrazione di vapore resta bassa e l'aria può "ospitare" pochissimo vapore. Nel caso dell'aria calda le molecole sono più distanti e veloci, le molecole hanno un'energia cinetica molto alta. Anche se si scontrano, le molecole si muovono troppo velocemente perché i legami possano "catturarle". Restano quindi allo stato gassoso molto più facilmente. Così l'aria può trattenere molta più umidità.

Fondamentalmente per ogni 1°C di riscaldamento, l'atmosfera può contenere circa il 7% in più di vapore acqueo. Qui la fisica diventa ancora più interessante (e preoccupante dal punto di vista climatico). Quando superiamo quel range e andiamo verso temperature più alte, la relazione esponenziale di Clausius-Clapeyron non si ferma, ma anzi "accelera" la quantità assoluta di acqua che l'atmosfera può caricare.

Il valore del 7% è un tasso di crescita relativo. Sebbene la percentuale rimanga circa la stessa per ogni grado aggiuntivo (fino a temperature molto elevate), la quantità assoluta di grammi di vapore per metro cubo d'aria aumenta molto più velocemente.

• a 15°C l'aria può contenere circa 13g di vapore acqueo per mc.

• a 25°C ne può contenere circa 23g.

• a 35°C ne può contenere quasi 40g.

Passare da 25°C a 26°C aggiunge molta più "materia prima" per l'effetto serra rispetto al passaggio da 0°C a 1°C. Più fa caldo, più il sistema diventa efficiente nell'estrarre acqua dagli oceani e caricarla in atmosfera.

Questo aumento a temperature superiori cambia radicalmente il meteo provocando piogge più violente (se l'atmosfera a 30°C contiene molta più acqua rispetto a una a 15°C, quando si verificano le condizioni per la condensazione (un fronte freddo), la quantità di pioggia che cade in un'ora è immensamente superiore. È il motivo per cui i temporali tropicali sono molto più violenti di quelli europei classici) e fornendo energia per i cicloni (il vapore acqueo non è solo gas serra; è carburante. Quando condensa in nuvola, rilascia il cosiddetto "calore latente". Più vapore c'è (grazie alle alte temperature), più energia viene rilasciata, alimentando uragani e tempeste sempre più forti).

Nelle scienze planetarie esiste un concetto limite. Se la temperatura salisse così tanto da far evaporare gran parte degli oceani, il vapore acqueo diventerebbe così denso da bloccare totalmente la radiazione in uscita, portando a un riscaldamento fuori controllo (effetto serra runaway). È quello che è successo su Venere.

Fortunatamente, sulla Terra siamo lontani da questo scenario estremo grazie al ciclo idrologico che riporta l'acqua a terra sotto forma di pioggia, ma il principio di Clausius-Clapeyron ci avverte: a temperature superiori, l'atmosfera diventa un serbatoio di energia e di calore sempre più capiente e difficile da gestire.

Il ciclo vizioso

Il vapore diventa una sorta di "moltiplicatore". Funziona come un sistema a circuito chiuso che auto-alimenta il riscaldamento:

1. l'innesco: un agente esterno (come la CO2 antropica, ma anche il metano o il protossido d'azoto) scalda leggermente l'aria.
2. l'evaporazione: l'aria più calda causa una maggiore evaporazione dagli oceani e dal suolo.
3. l'effetto serra: essendo il vapore acqueo un gas serra (le sue molecole vibrano assorbendo il calore che la Terra emette verso lo spazio), ed intrappola ulteriore calore.
4. il ciclo si ripete: più calore = più vapore = ancora più calore.

Nota Bene: Questo feedback raddoppia l'effetto del riscaldamento causato inizialmente dalla sola CO2.

Mentre il vapore acqueo come gas scalda sempre, quando condensa in nubi, il suo ruolo diventa più complesso e agisce in due modi opposti:

• Effetto Albedo (raffreddamento): le nuvole bianche e basse riflettono la luce solare nello spazio prima che tocchi terra.

• Effetto Serra (riscaldamento): le nuvole alte e sottili (cirri) lasciano passare la luce solare ma bloccano il calore in uscita.

Attualmente, la scienza concorda sul fatto che l'effetto di riscaldamento del vapore acqueo gassoso superi le variazioni legate alle nubi, rendendolo un netto acceleratore del cambiamento climatico.

La CO₂, al contrario, è un agente di forzatura radiativa esogeno: la sua concentrazione non dipende dalla temperatura ma dall'attività vulcanica, biologica e, oggi, antropica. Un aumento di CO₂ alza la temperatura → aumenta il vapore d'acqua → si amplifica il riscaldamento di  circa due volte. Mentre il vapore d'acqua rimane residente nell'atmosfera in media 9 giorni, prima di compiere il suo ciclo idrologico (ritrasformarsi in pioggia e precipitare), la CO2 permane da secoli a millenni. Quella emessa oggi si somma a quella già presente, e permane nell'atmosfera per periodi molto lunghi, manifestando il suo effetto di forzante per molto tempo. Ecco allora che l'immissione continuativa di CO2 legata alla combustione di prodotti di origine fossile si somma a quella naturalmente presente creando una "forzante" del sistema. Forzante che agisce sulla temperatura, che aumenta la produzione di vapore acqueo, che a sua volta aumenta ulteriormente la temperatura aumentando la produzione di vapore acqueo, in un ciclo vizioso. Parimenti anche il metano ha un tempo di permanenza in atmosfera di 12 anni, ed è circa 28 volte più efficiente della CO2 a trattenere il calore, mentre il protossido di azoto rimane nell'atmosfera addirittura 20 anni ed è 265 più efficiente della CO2 nel trattenere il calore.

La CO₂ è il driver (il conducente) perché ha il controllo a lungo termine della temperatura del pianeta. Il vapore acqueo è la risposta termodinamica del sistema, che a sua volta aumenta la temperatura per effetto serra amplificando l'input iniziale.

Senza l'immissione continuativa di CO₂, il vapore acqueo non potrebbe da solo decidere di aumentare e restare in atmosfera; avrebbe bisogno di una "scusa" (un aumento di calore) che solo una forzante esogena può fornire.

L'interazione tra l'aumento della temperatura e la capacità degli oceani di assorbire CO₂ è uno dei punti più critici del sistema climatico, perché crea un ulteriore feedback positivo (ovvero un circolo vizioso) che accelera il riscaldamento.

Gli oceani perdono il controllo

Attualmente, gli oceani sono i nostri migliori alleati: assorbono circa il 25-30% delle emissioni antropiche di CO₂ e oltre il 90% del calore in eccesso. Tuttavia, con l'aumento della temperatura, questo "servizio di pulizia" sta diventando meno efficiente per vari motivi:

1) la solubilità dei gas (legge di Henry) nei liquidi diminuisce all'aumentare della temperatura. È lo stesso principio per cui una bibita gassata diventa "sgasata" molto più velocemente se lasciata al sole rispetto a quando è in frigorifero. Man mano che gli oceani si scaldano, la loro capacità fisica di assorbire CO₂ diminuisce. Nell'acqua fredda le molecole sono più stabili e possono trattenere più gas disciolto. Nell'acqua calda le molecole d'acqua hanno più energia cinetica e tendono a "espellere" i gas nell'atmosfera.

2) la stratificazione delle acque dovuta al riscaldamento globale non scalda l'oceano in modo uniforme; scalda soprattutto la superficie. L'acqua calda è meno densa e tende a galleggiare sopra l'acqua fredda e profonda. Questo crea una "barriera" fisica che impedisce il rimescolamento (stratificazione). Se le acque superficiali non si mescolano con quelle profonde, si saturano rapidamente di CO₂. Una volta sature, non possono più assorbirne altra dall'atmosfera, lasciando che la CO₂ in eccesso rimanga in aria a potenziare l'effetto serra.

3) l'indebolimento della pompa biologica: Il fitoplancton assorbe CO₂ tramite la fotosintesi. Quando questi organismi muoiono, affondano portando il carbonio negli abissi (sequestro del carbonio). La stratificazione di cui parlavamo sopra impedisce ai nutrienti (che si trovano nelle acque profonde e fredde) di risalire in superficie. Senza nutrienti, la produttività del fitoplancton cala, indebolendo questa "pompa biologica" che rimuove il carbonio dall'atmosfera.

Tre meccanismi diversi, un risultato solo: il sistema perde i suoi ammortizzatori proprio quando ne avremmo più bisogno

to be continued....