Biosfera e attività umane

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1 Biosfera e attività umane Riscaldamento globale ed effetto serra La temperatura globale della terra è il risultato di un complesso equilibrio dei flussi di energia in entrata ed in uscita. L immagine sottostante 1 (vedi figura 1)mostra un riassunto di questo equilibrio. Si noti come la fonte in entrata è l irradiazione solare, mentre i meccanismi che fanno uscire l energia sono sostanzialmente due: la riflessione della radiazione incidente e l irraggiamento ad onde lunghe. 107 (+4) Radiazione solare riflessa 107 W/m² riflessa dalle nubi e dalla atmosfera: 77 (-5) riflessa dalla superficie 30 (-1) 77 (-5) 168 (-13) assorbita dalla superficie 342 (-1) dati da (-3) 24 convezione assorbita dalla atmosfera 67 (+9) Radiazione solare incidente 342 W/m² calore latente 78 (-5) evapotraspirazione emessa dall'atmosfera radiazione dalla superficie (-3) Radiazione ad onde lunghe uscente 235 W/m² 40 finestra atmosferica 324 radiazione rientrante (+4) 324(+5) radiazione riassorbita gas serra Figura 1. Schema dell effetto serra L effetto serra naturale, creato dai gas dell atmosfera, è essenziale per il mantenimento della vita sul pianeta perché permette alla temperatura media di stabilizzarsi su valori favorevoli. Molti sono i gas naturali che contribuiscono a questo effetto serra: il vapore acqueo, l anidride carbonica, il metano (prodotto dalla fermentazione anaerobica), le anidridi solforose (prodotte dall attività vulcanica), ecc. a questi si aggiungono alcuni gas inquinanti di origine umana, come i gas appartenenti alla classe dei composti 1. Se non altrimenti indicato le immagini sono prelevate da Wikipedia e sotto tutela Creative Commons. 1

2 CFC (clorofluorocarbonio). Nell immagine successiva 2 (figura 2) si vede l accrescimento (!) della concentrazione dei gas serra nell atmosfera registrata negli ultimi anni; chiaramente già a partire dal 1800 le attività umane hanno iniziato ad incidere in sempre maggiore misura sulla composizione dell atmosfera. Figura 2. Aumento delle emissioni di gas serra Si osservi anche la ricostruzione storica della evoluzioni delle temperature medie nella figura 3 3. Figura 3. Evoluzione della temperatura media globale 2. Growth_rates_of_greenhouse_gases_figure1m.jpg 3. Instrumental_Temperature_Record.png 2

3 L uomo e il riscaldamento globale L anidride carbonica Ogni reazione di combustione che coinvolge fra i reagenti molecole contenenti carbonio, produce anidride carbonica. Ne sono esempi, la combustione di legna, carta, carbone vegetale, carbone, idrocarburi (benzine, gasolio, diesel, metano, propano, butano). L elenco non è esaustivo, ma rappresenta una buona parte dei principali combustibili utilizzati dall uomo per soddisfare il suo fabbisogno di energia. Vedremo più in là che esistono anche altre possibilità per produrre energia elettrica che hanno vantaggi e svantaggi in rapporto alle fonti combustibili sopra indicate. Utilizzando queste fonti combustibili si produce anidride carbonica (CO 2 ) la cui concentrazione nell atmosfera aumenta. Ciò aumenta lo strato di gas che ha la capacità di assorbire e trattenere i raggi IR provenienti dal suolo rispedendoli a terra. Di conseguenza si ottiene appunto un fenomeno chiamato riscaldamento globale. Gli effetti di un aumento della temperatura media del pianeta sono legati a mutamenti climatici. Gli eventi estremi (alluvioni, inondazioni, tornado, uragani) tenderanno ad aumentare in frequenza e intensità. Ci saranno modifiche del paesaggio con lo spostamento di piante tropicali a nord nel nostro emisfero e a sud nell emisfero australe. I deserti avanzeranno aumentando la loro estensione. La superficie di terre coltivabili diminuirà rendendo più difficile la produzione di una quantità sufficiente di cibo per tutti gli esseri umani. Gli oceani aumenteranno il loro livello sommergendo atolli e territori abitati situati a livello del mare. Questo porterà alla nascita di una nuova tipologia di migranti, quelli ambientali. I rimedi passano dalla presa di coscienza dell umanità intera del problema e dei pericoli ad esso connessi, presa di posizione che non vi è ancora stata, perlomeno nei fatti. Lo scetticismo prevale e rende più difficile intervenire in maniera sensata. Gran parte di questo scetticismo è chiaramente strumentale agli interessi del sistema economico globale. Tuttavia un altra parte ha anche ragioni scientifiche in quanto non è ancora totalmente chiaro il ruolo delle oscillazioni dell attività solare sulla temperatura globale e sull innalzamento di queste negli ultimi anni. Un cambio di rotta nella produzione energetica in ogni caso è necessario. Occorre partire dall utilizzo di nuove fonti di produzione energetica che non producono gas a effetto serra. Gli altri gas serra e l uomo Oltre all anidride carbonica, come già anticipato all inizio del capitolo, ci sono altri gas sostanzialmente di origine antropica che contribuiscono all effetto serra. Il primo è il metano (CH 4 ) che viene prodotto dalla fermentazione anaerobica dei vegetali; una delle fonti principali di emissione di metano è la fermentazione che avviene negli stomaci dei ruminanti (gli allevamenti di bestiame intensivi contribuiscono alle emissioni di questo gas che ha un effetto serra oltre 10 volte più forte dell anidride carbonica. Da menzionare poi c è anche l anidride solforosa, presente in natura a causa dell attività 3

4 vulcanica; le sue emissioni sono aumentate drammaticamente a causa dell uso dei combustibili fossili in quanto carbone e petrolio contengono quantità sostanziali di zolfo. Infine i CFC, ora ormai quasi integralmente vietati a livello internazionale, che sono stati emessi in passato da molte apparecchiature industriali e anche domestiche (per esempio i CFC erano utilizzati nei circuiti di raffreddamento dei frigoriferi, oppure come propellente nelle bombolette spray), risultano non solamente dannosi per l ozono stratosferico (famoso è il buco dell ozono ) ma anche fortissimi gas serra. Sono composti molto inerti e ci vorranno centinaia di anni affinché vengano smaltiti dall atmosfera. Piogge acide Le combustioni producono anche altre sostanze che possono causare diversi problemi. Uno di questi è il fenomeno delle piogge acide. Quando brucio del gasolio o del carbone, al loro interno può trovarsi dello zolfo che reagendo con l ossigeno durante la combustione produce biossido di zolfo (SO 2 ). Il biossido di zolfo emesso con i gas di scarico della combustione finisce nell aria e reagisce nuovamente con l ossigeno secondo la seguente reazione: 2SO 2 +O 2 2SO 3 Si ottiene il triossido di zolfo che reagisce rapidamente con acqua secondo la seguente reazione: SO 3 +H 2 O H 2 SO 4 Il composto finale è un acido (acido solforico) e può precipitare in forma umida (unito alla pioggia) acidificando i terreni e le acque. Essendo molto diluito, non ha effetti diretti sull uomo e sui grossi animali. Ha effetti molto più pesanti su piante (vedi figura 4 4 ), piccoli animali (insetti, ragni, ecc.) che si trovano nel terreno e sulla riproduzione degli animali acquatici (pesci, rane, rospi). Agisce, nei terreni già acidi, mobilizzando ioni metallici tossici, quali alluminio e rame, normalmente racchiusi nelle rocce. Questi metalli vengono assorbiti dalle radici e compromettono il sistema immunitario delle piante che non riescono più a contrastare l attacco dei parassiti. Agisce sullo sviluppo delle uova dei pesci e delle larve di rane e rospi. Gli stessi effetti sono ottenuti da un altro acido, l acido nitrico (HNO 3 ) che si produce nell aria a partire dagli ossidi di azoto, comunemente denominati NO x. In effetti esistono vari ossidi di azoto che hanno in comune il fatto che si formano durante le combustioni. Infatti l azoto N 2 contenuto nell aria ad alta temperatura reagisce con l ossigeno. La composizione esatta della miscela di ossidi di azoto dipende dalle condizioni (temperatura, tipo di carburante e tipo di miscelazione tra carburante e aria). Tuttavia tramite complesse

5 reazioni fotochimiche che avvengono negli strati bassi dell atmosfera tutti questi ossidi convergono verso la formazione di NO 2 che a sua volta poi reagendo con l acqua si trasforma in acido nitrico. Queste emissioni di acidi acidificano l ambiente danneggiandolo fortemente. Figura 4. Foresta acidificata Nota 1. L emissione di ossidi di azoto, attraverso complicate reazioni fotochimiche che avvengono soprattutto d estate in presenza di una notevole radiazione ultravioletta, porta anche alla formazione dell ozono negli strati bassi dell atmosfera (troposfera) che è particolarmente dannoso per le vie respiratorie. 5

6 Eutrofizzazione Per migliorare la produzione agricola si usano fertilizzanti (vedi figura 5 5 ) che arricchiscono il terreno in azoto e fosforo, due elementi molto importanti per la costruzione delle biomolecole utili alla pianta. L utilizzo di questi composti chimici in terreni che vengono bagnati porta al dilavamento dei medesimi verso le acque di scolo. Queste acque raggiungono i fiumi e poi i laghi. Nei laghi si accumulano questi nutrienti che causano una enorme proliferazione di alghe nello strato superficiale del lago. Le alghe coprono lo strato e non permettono il passaggio di luce verso il basso. Quando muoiono cadono sul fondo dove fermentano consumando l ossigeno. Abbiamo quindi un lago eutrofizzato con molta vita in superficie e morto in profondità. I rimedi passano dall utilizzo di metodi di coltivazione meno dipendenti da fertilizzanti chimici e dal bando dei detersivi a base di fosfati. NPK Figura 5. Schema dell eutrofizzazione Esercizio 1. Prova a dare una definizione delle fasi numerate dell eutrofizzazione visibili nella figura

7 Questionario di lettura Question 2. Spiega quali sono i fenomeni che contribuiscono alla temperatura globale della terra Question 3. Elenca i gas serra segnalando quanto le attività umane incidano sulle emissioni di ciascuno di essi. Question 4. L utilizzo della legna da ardere come fonte di energia contribuisce all aumento dell effetto serra causato dall anidride carbonica? Motiva la risposta. Question 5. Prova a immaginare uno scenario di surriscaldamento globale. Quali effetti si verificherebbero nella biosfera? Question 6. Quali sono le sostanze ed i processi che causano le piogge acide? Question 7. Quali sono gli effetti delle piogge acide su vegetali e animali? Question 8. Spiega il fenomeno dell eutrofizzazione dei laghi e dei fiumi. Question 9. Domanda di approfondimento. Esiste un ozono buono (stratosferico) e uno cattivo (troposferico) nell atmosfera. Spiega come si formano e i rispettivi effetti. 7