Università dell Insubria. Corso di laurea Scienze Ambientali FISICA GENERALE
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- Agnella Corradini
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1 Università dell Insubria Corso di laurea Scienze Ambientali FISICA GENERALE Modulo su Elementi di tematiche ambientali globali e dei processi fisici connessi Atmosfera e riscaldamento globale in collaborazione con Landau Network Centro Volta Como Note a cura di M. Martellini e M. Zeni
2 Queste note sono state in parte preparate con immagini tratte da alcuni testi e da Internet. Queste note sono da intendersi per uso interno del corso di Fisica Generale per gli studenti del Corso di Laurea in Scienze Ambientali, A.A. 2003/04
3 Atmosfera La composizione attuale La composizione attuale è molto differente da quella primitiva, che era simile a quella dei gas vulcanici, quindi principalmente H 2 0 e CO 2. Successivamente l acqua si è condensata a formare gli oceani, la CO 2 si è disciolta nell acqua sotto forma di carbonati, e analogamente per altri gas, come SO 2. Solo l azoto, in quanto inerte, si è accumulato nell atmosfera. L ossigeno è stato prodotto dagli organismi anaerobi primitivi, attraverso processi di fotosintesi strato di ozono sviluppo di vita fuori dall acqua sviluppo respirazione ossidativa stretto legame tra le trasformazioni dell atmosfera e lo sviluppo della vita
4 Atmosfera Gli strati dell atmosfera: sono classificati in base all andamento della temperatura, rappresentata dalla linea rossa Il motivo di queste variazioni di temperatura sta nel bilancio energetico nei vari strati dovuto a: (1) assorbimento variabile della radiazione ultravioletta solare, (2) della radiazione infrarossa emessa dalla crosta terrestre, (3) reazioni fotochimiche.
5 Reazioni fotochimiche: produzione dell ozono stratosferico
6 Scambi energetici
7 Main Problem: il riscaldamento globale È un dato di fatto: nell ultimo secolo si hanno due periodi di rapida crescita della temperatura
8 Le misure di temperatura Misure sistematiche solo negli ultimi 150 anni (solo in Inghilterra si hanno misure che risalgono fino al 1659) Misure indirette: Carotaggi dei ghiacci polari. Analisi concentrazioni chimiche di acidi e sali e delle bolle di aria intrappolata Studio degli anelli di accrescimento dei tronchi Studio degli anelli di accrescimento dei coralli Studio dei sedimenti lacustri od oceanici N.B. Le misure indirette danno spesso informazioni solo su regioni di terraferma delimitate. Quindi non descrivono la temperatura del 70% di superficie terrestre coperta dagli oceani.
9 Quali sono le cause? Il principale accusato è CO 2, il cui ciclo è determinato dall interazione tra atmosfera, biosfera ed attività umane Effetto Serra: rafforzamento dell Effetto Serra naturale diversi tipi di gas presenti nell atmosfera possono riflettere o trattenere calore. Influenzano direttamente lo scambio di calore tra Terra e Sole, trattenendo parte del calore che la Terra a sua volta disperderebbe nello spazio per irraggiamento. In assenza di effetto serra naturale - 33 C nella temperatura media I Gas Serra: CO 2, metano (CH 4 ), N 2 O, CFC, Ozono
10 Il ruolo principale è dovuto al CO 2, che produce circa il 60% dell effetto serra anomalo Le differenze nelle percentuali tra i grafici rispecchiano le diverse rilevazioni temporali dei dati In questo grafico è accentuato il ruolo dei CFCs (anni 80)
11 Quali sono le cause? Altre possibili spiegazioni o concause: Il fenomeno di riscaldamento deve essere inserito nel ciclo geologico di oscillazioni tra periodi di glaciazione. 8 grandi glaciazioni nell ultimo milione di anni Olocene: è il periodo interglaciale attuale (iniziato anni fa), di gran lunga più stabile in temperatura dei periodi precedenti ma con evidenze comunque di fluttuazioni di qualche grado N.B. il periodo caldo medioevale e la mini glaciazione dal 1400 al 1900: evidenza di ricorrenze regolari di oscillazioni di questo tipo (con periodo di 1500 anni) negli ultimi anni L influsso dell attività della corona solare e la circolazione delle nubi
12 Correlazione tra CO 2 e Temperatura La correlazione è evidente Si osserva anche come la temperatura abbia già fluttuato notevolmente in passato I dati provengono principalmente da carotaggi del ghiaccio antartico
13 L aumento di CO 2 atmosferico Inizia a partire dalla rivoluzione industriale, in particolare con la diffusione del carbone come fonte energetica Osserva il fitting tra le due serie di misure, quelle dirette e quelle indirette da carotaggi
14 L aumento di CO 2 atmosferico dovuto al consumo di combustibili fossili L incremento è marcato in particolare a partire dagli anni 40, e l inizio coincide con il boom economico del secondo dopoguerra
15 La proporzione tra gli incrementi nelle emissioni dovuti alle attività umane e l incremento nella concentrazione globale di CO 2 La slope della concentrazione globale è molto più graduale di quella dell aumento delle emissioni
16 Biosfera e CO 2 La CO 2 viene assunta o ceduta negli scambi tra biosfera e atmosfera. In particolare interazioni con vegetazione e oceani N.B. è solo dal 1960 che l emissione di CO 2 dovuta all uso di combustibili fossili diventa rilevante. In precedenza il ruolo principale era della deforestazione e dei cambiamenti culturali Le proporzioni: 120 Gtons dovute a cambiamenti culturali vs 200 Gtons dovute a combustibili fossili per un totale di 320 Gtons rilasciate in atmosfera Fotosintesi: fissa il CO 2 atmosferico Respirazione: rilascio CO 2 Cambio culturale: per ossidazione dei terreni rilascio CO 2 + recupero parziale a seconda della cultura Deforestazione: rapido rilascio CO 2 Riforestazione: recupera il CO 2 rilasciato Deforestazione cultura: parziale recupero del CO 2 rilasciato Erosione dei terreni : ossidazione terreni rilascio CO 2
17 La circolazione del carbonio negli oceani Interazione CO 2 e masse oceaniche: fotosintesi e respirazione del fitoplancton diluizione CO 2 in acqua La fotosintesi fissa circa 40 Gtons e ne rilascia per respirazione 36 Diluizione CO 2 favorita in acque fredde La circolazione oceanica l inabissamento delle correnti oceaniche ai poli (grazie al comportamento anomalo dell acqua) storage di CO 2 negli oceani Le correnti oceaniche non risalgono in superficie prima di anni
18 Comportamento anomalo dell acqua e circolazione oceanica L acqua, da 0 C a 4 C, aumenta la propria densità al crescere della temperatura, invece di mantenere l usuale coefficiente lineare di dilatazione dei liquidi La stratificazione oceanica, con le correnti calde in superficie e quelle fredde in profondità, si inverte nell artico, e le correnti di superficie, ricche di CO 2, si inabissano in una circolazione in profondità con periodo millenario N
19 Lo schema del bilancio globale di CO 2 Il bilancio totale è positivo: +3 Gtons all anno
20 N.B. I flussi di CO 2 della biosfera sono di oltre un ordine di grandezza superiori a quelli dovuti alle attività umane Ne segue una grande incertezza sul comportamento del Sistema Terra rispetto all accumulo di CO 2 in atmosfera Processi concorrenti: Aumento di concentrazione di CO 2 stimola la fotosintesi maggior accumulo nella biosfera Incremento di temperatura globale aumenta la respirazione di molti organismi maggior rilascio di CO 2 Open Questions: Come si bilanciano i processi appena descritti? In che misura gli oceani possono immagazzinare CO 2 prima di produrre dei rilasci in atmosfera? Esistono feedback climatici?
21 Effetto Serra e CO 2 Come avviene? Il processo fondamentale è l irradiazione solare Concetti principali: Luce = onde e.m. La lunghezza d onda distingue i diversi colori E = hν λ = c / ν Radiazione di Corpo Nero: il max dello spettro è legato a T
22 La radiazione ricevuta viene in parte assorbita dalla Terra ed in parte riflessa (albedo) Il sistema atmosfera-nubi trattiene parte della radiazione riflessa Il sistema atmosfera-nubi contribuisce anche alla riflessione I grafici evidenziano il ruolo della CO 2 nell assorbimento dell energia emessa per radianza dalla Terra Concetto di righe o bande di emissione e/o assorbimento Nota che la radiazione viene emessa nell infrarosso, a temperatura inferiore (283 K) di quella ricevuta (6000 K). Questo privilegia l assorbimento da parte del CO 2 e del vapor acqueo
23 L assorbimento nella regione infrarossa è condiviso dagli altri gas serra: metano (CH 4 ), N 2 O, CFC, Ozono, Sono presenti in concentrazioni molto minori ma sono più efficienti nell assorbimento del CO 2 CH 4, crescita legata alle attività umane: (Risaie, paludi, ambienti allagati, ambienti anaerobici in generale, estrazioni petrolifere ed attività minerarie) Ha un ciclo complesso: reagisce con il gruppo OH e forma CO 2, oppure viene metabolizzato dai batteri del suolo Bilancio: 530 Mtons prodotte all anno, 420 tons si trasformano in CO 2 e CO, 30 Mtons sono assorbite dai batteri, 30 Mtons in altre reazioni chimiche emissione netta di 50 Mtons
24 CFCs, sono molto potenti come gas serra ( volte più efficaci del CO 2 ) Sono legati al problema del buco nell ozono stratosferico la loro produzione è in diminuzione grazie ai protocolli internazionali Ruolo complesso nell effetto serra. Oltre ad assorbire direttamente IR, distruggono l ozono che a sua volta è un gas serra. I due fenomeni si bilanciano per l 80%. La loro sostituzione con gas non dannosi per l ozono aumento dell ozono effetto collaterale di aumentare effetto serra SO 2. È un gas serra, legato al fenomeno delle piogge acide. Il suo effetto complessivo è negativo perché origina nuclei di condensazioni per le nubi aumento dell albedo
25 Emissione totale di gas serra (espressi in quantità CO 2 -equivalenti) Nota la componente CFC, in diminuzione dopo il picco degli anni La potenza di irradiazione solare: 1355 W/m 2 all ingresso in atmosfera, 1000 W/m 2 al suolo Il forcing dovuto all effetto serra aggiunto: 2,5 W/m 2
26 Non sempre il contributo all Effetto Serra è positivo Particolati, aereosol, SO 2,, hanno un effetto molto diversificato sul riscaldamento globale: danno luogo sia a processi di riflessione (albedo) o di assorbimento di radiazione che alla formazione di nubi, fungendo da nuclei di condensazione. Aereosol di origine organica raffreddamento Particolati dai combustibili fossili riscaldamento Particolati minerali contributo incerto SO 2 Solfati condensazione significativo raffreddamento È indispensabile includere l effetto di SO 2 per avere un adeguato fit dei dati
27 Il bilancio complessivo al forcing energetico È indicata anche la barra di incertezza sui vari contributi
28 Vapore acqueo Il vapore acqueo è il principale amplificatore dell effetto di riscaldamento prodotto dalle emissioni di CO 2 Un raddoppio di CO 2 (intorno al 2070): + 1-1,2 C in assenza di vapore 1,5-4,5 C per il calore catturato dall ulteriore vapore acqueo prodotto per evaporazione (+ T maggiore pressione di vapor saturo) N.B. l evaporazione aumenta se aumenta la temperatura della troposfera, non della superficie terrestre. I dati mostrano una discrepanza notevole con le stime dei modelli sostanzialmente nessun incremento della temperatura della troposfera
29 Altre spiegazioni del fenomeno Nb. L incremento nella produzione di gas serra legato alle attività umane non spiega il rapido incremento della temperatura nella prima metà del secolo ( ) Le variazioni naturali del clima e i cicli di glaciazione Nubi, attività solare e radiazione cosmica
30 Le variazioni naturali del clima Alternanza di periodi di glaciazione Un prima causa sono le irregolarità nel movimento della Terra: cicli di Milankovic Precessione degli equinozi; periodo di anni Oscillazione di 3 gradi dell inclinazione dell asse terrestre; periodo di anni La forma dell orbita terrestre varia con periodo di anni Da sole non bastano a spiegare le glaciazioni. La correlazione della temperatura con la densità di CO 2 evidenzia un effetto di amplificazione del riscaldamento o del raffreddamento mediante effetto serra naturale La densità atmosferica di CO 2 : emissioni vulcaniche, oltre al ciclo già descritto
31 Nubi Coprono il 65% della Terra Costituiscono il principale elemento di incertezza nei modelli effetti sia positivi che negativi sul riscaldamento in base allo spessore, alla quota, al contenuto di vapore, di particelle di ghiaccio e di particolati Un fenomeno di rilievo (effetto iride): correlazione tra temperatura della superficie del mare e nuvolosità sovrastante Alta temperatura minore nuvolosità maggiore dispersione IR di energia raffreddamento
32 Correlazione temperatura ed attività solare Correlazione tra le fluttuazioni della temperatura media ed i cicli delle macchie solari. N.B. la correlazione rende conto dell innalzamento di T tra il Nella coda del secolo si vede il contributo dell effetto serra indotto dall uomo Quale relazione causale tra i due grafici? Radiazione cosmica
33 Correlazione nubi e radiazione cosmica Nelle nubi di bassa quota prevale il contributo all albedo su quello al riscaldamento È stata osservata una correlazione diretta tra la copertura di nubi di bassa quota e la radiazione cosmica. Radiazione cosmica produce ioni che costituiscono nuclei di condensazione per nuvole di bassa quota raffreddamento I cicli delle macchie solari sono correlati con una minore attività solare maggiore radiazione cosmica investe la Terra
34 La complessità del clima Simulazioni con Modelli di circolazione generale atmosferica ed oceanica (AOGCMs) - supercomputers Si adotta un modello di calcolo reticolare L intera atmosfera viene suddivisa in celle di 250Km di lato e di 1Km di altezza. L oceano viene modellato con una stratificazione più sottile. Vengono calcolati i flussi di calore, quantità di moto ed umidità in ogni cella atmosferica, e similarmente anche per le celle oceaniche. Le equazioni del modello vengono risolte ogni mezz ora del tempo del modello e vengono evolute per centinaia di anni del modello.
35 Limiti dei modelli Le simulazioni dipendono in modo critico da tutti quei processi che avvengono su scale inferiori alla cella reticolare si adottano opportune parametrizzazioni In particolare: nubi e loro caratteristiche e composizione Le stime sono estremamente sensibili alle assunzioni sul sistema di nubi maggior sorgente di incertezza Incertezza inoltre su: feedbacks ruolo di particolati risposta complessiva Sistema Terra
36 Proiezioni e scenari possibili Gli scenari dipendono da una serie di assunzioni, sia nei modelli utilizzati che nelle scelte economiche, energetiche, tecnologiche e politiche. Evidenziano una notevole divaricazione di previsioni In particolare, le emissioni di CO 2 sono legate principalmente alle scelte energetiche, nell uso di combustibili fossili o di altre risorse
37 Le proiezioni sulla Temperatura e sui livelli degli oceani
38 Sintesi possibili feedbacks al crescere di T Amplificazione Riduzione dell albedo dovuta alla parziale riduzione della copertura di neve e ghiaccio sulle montagne Rilascio del metano attualmente imprigionato nel permafrost artico Aumento dei tassi di decomposizione della materia organica nel suolo con aumento di rilascio di CO 2 Incremento del vapore acqueo in atmosfera incremento effetto serra Incremento nel tasso di respirazione degli organismi viventi Riduzione Incremento del vapore acqueo nubi maggior albedo Incremento del vapore acqueo maggiori precipitazioni polari maggiore albedo Incremento di CO 2 atmosferico stimolazione fotosintesi e fissaggio CO 2 nella biosfera
39 Sintesi dei concetti fisici Temperatura Calore, Energia, moti convettivi e irraggiamento Luce e spettri di assorbimento Corpo nero Comportamento anomalo di H 2 O
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