Impatto delle emissioni antropiche sul trasferimento della radiazione in atmosfera. Federico Porcù Università di Ferrara Dipartimento di Fisica

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1 Impatto delle emissioni antropiche sul trasferimento della radiazione in atmosfera Federico Porcù Università di Ferrara Dipartimento di Fisica

2 definizione del problema il ruolo CO 2 ed altri gas nel sistema climatico terrestre il ruolo dell aerosol osservazione delle tendenze

3 definizione del problema I il sitema climatico terrestre è un sistema non lineare: diverse componenti (atmosfera, idrosfera, criosfera, biosfera, litosfera + attività umane + input solare); componenti e loro interazioni poco conosciute; diverse scale temporali (e spaziali); non riducibile (meccanismi di retroazione); non predicibile; problemi osservativi.

4 definizione del problema II stime della temperatura media dell emisfero nord Mann, Bradley, Huges 1999

5 definizione del problema III radiazione di corpo nero T = 2898 µ m max o K B ( T ) = 2hc 5 2 exp hc kt 1 1 F = = 0 B ( T ) d σ T = 4

6 definizione del problema IV radiazione in atmosfera

7 definizione del problema V interazione della radiazione con la materia assobanza α ( Ω ˆ, T ) = a L ˆ ( Ω, T ) L ( Ω ˆ ) trasmittanza τ ( Ω ˆ, Ωˆ ) = L L t ( Ωˆ ) ( Ω ˆ )cosθ dω riflettanza ρ ( Ω ˆ, Ωˆ ) = L L r ( Ωˆ ) ( Ω ˆ )cosθ dω conservazione dell energia α ( Ω ˆ, T ) + τ ( Ω ˆ,2π ) + ρ ( Ω ˆ,2π ) = 1

8 definizione del problema VI costituenti atmosferici Trasmittanza Riflettanza Assobanza Emittanza Peixoto and Oort (1998)

9 definizione del problema VII spettri di assorbimento dei gas atmosferici (Valley, 1965)

10 definizione del problema IX bilancio energetico terrestre: flussi globali medi annui (Wm -2 ) Kiehl and Trenberth (1997)

11 definizione del problema X il forcing sul sistema radiative forcing: misura l influenza di un dato meccanismo nell alterare il bilancio di flussi energetici entranti ed uscenti dal sistema alla tropopausa (TOA) in Wm -2 : F in F out = F = T è la sensibilità climatica [m 2 K W -1 ] esprime la variazione della temperatura in seguito ad un forcing di 1 Wm -2 al TOA.

12 definizione del problema XI radiative forcing & LOSU (IPCC FAR, 2007)

13 GHG I Global Warming Potential GWP( X ) = TH 0 TH 0 a a CO x 2 X ( t) dt CO 2 ( t) dt ove: a x è l efficienza radiativa della specie x [W m -2 kg -1 ] TH è il Time Horizon sul quale è fatta la stima X(t) è il profilo di decadimento temporale della specie x

14 GHG II GWP per alcuni gas (IPCC FAR, 2007)

15 GHG III ciclo veloce del carbonio flussi naturali (GtC/anno) flussi antropici (GtC/anno) riserve (GtC) NASA - ESE

16 GHG IV stima di contenuti, flussi, sorgenti e meccanismi di rimozione 3 approcci: top-down bottom-up dalle misure di concentrazione atmosferica si evincono i flussi e le loro variazioni; si considerno le attività che producono GHG, moltiplicando per fattori di emissione (UNFCCC) ; process-based analisi dei processi di emissione, feed-back e correlazioni

17 GHG V misure di contenuto di CO 2

18 GHG VI The Global Atmosphere Watch (GAW) programme of WMO WDCGG (1990)

19 GHG VII misure di contenuto di CO 2 WDCGG

20 GHG VIII meccanismi di produzione e distruzione di altri GHG ri: coltivazione del riso; ru: ruminanti; ng: gas naturali; c: miniere ro: run-off; ag: agricoltura (Montzka et al, 2011)

21 GHG IX record storici (ice cores) IPCC, 2007

22 GHG X misure dallo spazio - Greenhouse gases Observing SATellite - GOSAT (JAXA) CO 2, CH 4 -ENVISAT (ESA) O 3, H 2 O, CH 4, N 2 O, HNO 3, O 2, NO 2, NO 3 -AURA (NASA) NO 2, HNO 3, CFCs, ClO, HCl, OH, HO 2, BrO, O 3, CO -Orbiting Carbon Observatory-OCO (NASA) (OCO-1) failed (OCO-2)? -CO 2

23 aerosol I definizioni Con aerosol si intende il particolato atmosferico: piccole particelle solide o liquide sospese in aria. dimensioni (r): da a 10 µm numero di Reynolds: da ad 10-3 velocità terminale: da 10-6 ad 1 cm s -1 vita media: da 1 a 400 giorni

24 aerosol II effetti diretti sul clima l aerosol diffonde ed assorbe la radiazione solare incidente, variando il bilancio radiativo del sistema. L importanza relativa di questi meccanismi dipende dalle caratteristiche radiative del particolato (materiale, forma, fase), dalla concentrazione in atmosfera, dalla quota e dallo stato del suolo.

25 aerosol III effetti diretti: dipendenza dall indice di rifrazione complesso n = n r + in i Andrew Lacis' Database of Aerosol Spectral Refractive Indices (GACP-GISS NASA)

26 aerosol IV effetti indiretti Radiative Forcing of Climate Change: Expanding the Concept and Addressing Uncertainties Committee on Radiative Forcing Effects on Climate, Climate Research Committee, National Research Council National Academy of Sciences (2005)

27 aerosol V emissioni, contenuto - satellite AOT( ) AOT( ) Mishchenko and Geogdzhayev (2008)

28 aerosol VI misura Campionamenti al suolo o da aereo Sensori su satellite: attivo (CALIPSO) passivo (MODIS, SCIAMACHY, OMI ) Fotometri solari (AERONET) Lidar (EARLINET-ASOS)

29 osservazione delle tendenze I hockey stick Mann, Bradley, Huges 1999

30 osservazione delle tendenze II ultimi anni

31 osservazione delle tendenze III relazione GHG/ T (Petit et al, 1999

32 osservazione delle tendenze IV relazione GHG/ T le variazioni di contenuto di CO 2 seguono di circa 800 anni le variazioni della temperatura Mudelsee, 2001

33 osservazione delle tendenze V eventi estremi: cicloni tropicali Deo et al., 2011 Maue, 2011

34 osservazione delle tendenze VI impatto sui sistemi fisici e biologici

35 conclusioni si sta verificando un cambiamento climatico significativo? in che misura è dovuto alle attività umane? che contromisure ha senso adottare?

36 alcuni contributi della ricerca italiana Vulnerabilità delle coste e degli ecosistemi marini italiani ai cambiamenti climatici e loro ruolo nei cicli del carbonio mediterraneo Modello integrato per l evoluzione degli ecosistemi naturali e agricoli in relazione ai cambiamenti climatici nell area mediterranea Studio degli effetti diretti ed indiretti di aerosol e nubi sul clima rete nazionale di misura dei sink forestali ed agricoli e sviluppo di un sistema di stima e previsione dell assorbimento di gas ad effetto serra

37 osservazione delle tendenze V scioglimento dei ghiacci world glacier monitoring service

38 Giorgi, 2006

39 definizione del problema VIII profili verticali dei rapporti di mescolamento volumetrico

40 W. Immerzeel et al, Science 2010

41 W. Immerzeel et al, Science 2010 La dimensione delle torte indica l importanza relativa dei flussi dall altopiano I colori dei bacini mostrano la stima della popolazione che potrebbe risentire di problemi di sicurezza alimentare entro il 2065 per effetto dei cambiamenti climatici

42

43 RTE trasferimento radiativo in atmosfera V ( ) ( ) σ σ L L L T B ds dl s a + = ) ( ϕ ϑ ϑ ψ ϕ ϑ π π π = d d p L L sin ) ( ), (

44 trasferimento radiativo in atmosfera VI Caso no-scattering (σ s trascurabile) σ dl ds = B ( T ) L equazione di Schwartzchild spessore ottico δ b ( a, b) = σ (, s) a a ds L TOA = L 0 e δ (0, TOA) + TOA 0 B ( T ) e δ d δ

45 GHG IX Net Primary Productivity

46 aerosol II forma e composizione

47 = 2 2 ) ( m W dadt E d r S r = 2 3 ˆ), ( m m W dadtd E d n r F µ r Ω = Ω 2 4 cos ) ˆ, ( m m sr W d dadtd E d r L µ θ r definizione del problema IV alcune variabili

48 aerosol IX emissioni Solfati da SO2 da combustibili fossili 72% + biomass burning 2% naturali 19% fitoplancton + 7% vulcani diminuzione da 1980 al 2000 in Europa 18 a 4 Tg/y USA da 12 a 8 Tg/y aumento in Asia e altri paesi in totale diminuzione da 73 a 54 Tg/y organic carbon (C=C), centiania di composti differenti fossil fuel (25%) and biofuel (75%) burning 5-17 Tg/y Black carbon: combustione incompleta di combustibili fossili (origine antropogenica quasi totale)

49 definizione del problema V interazione della radiazione con la materia assobanza emittanza α ε ( Ω ˆ, T ) = ( Ωˆ, T ) = a L ˆ ( Ω, T ) L ( Ω ˆ ) e L B ( Ωˆ ) ( T ) legge di Kirchhoff α ( 2π, T ) ε (2π, T ) trasmittanza τ ( Ω ˆ, Ωˆ ) = L L t ( Ωˆ ) ( Ω ˆ )cosθ dω riflettanza ρ ( Ω ˆ, Ωˆ ) = L L r ( Ωˆ ) ( Ω ˆ )cosθ dω conservazione dell energia α ( Ω ˆ, T ) + τ ( Ω ˆ,2π ) + τ ( Ω ˆ,2π ) = 1