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I cambiamenti climatici - Luca Fiorani -

Introduzione

La vita umana sulla Terra è possibile grazie all’atmosfera. Essa, pur essendo spessa solo 32 km¹, ovvero essendo oltre 200 volte più sottile del raggio terrestre (6378 km), permette la respirazione degli esseri viventi e impedisce alle radiazioni solari nocive di raggiungere il suolo. L’atmosfera è costituita dall’aria, una miscela di gas, particelle e aerosol². I gas predominanti sono l’azoto (78% del volume) e l’ossigeno (21% del volume). Come vedremo, gli altri gas, detti “gas traccia”, insieme a particelle e aerosol, pur rappresentando solo l’1% del volume, sono molto importanti perché influenzano la capacità dell’atmosfera di riflettere o assorbire le radiazioni solari. In particolare, l’acqua gioca un ruolo determinante, presentandosi sia nella fase solida e liquida (nuvole), sia sotto forma di vapore (umidità).

Lo stato dell’atmosfera viene comunemente caratterizzato mediante i parametri elencati nella tabella 1. L’umidità può essere espressa in termini assoluti [g/Kg] o relativi [%]. A questo proposito, è importante notare che la capacità dell’aria di contenere vapore dipende dalla temperatura: ad esempio, un’umidità relativa del 100% corrisponde ad un’umidità assoluta di 6 g/Kg a 5 °C, di 16 g/Kg a 22 °C.

Il tempo meteorologico è lo stato dell’atmosfera in un dato luogo e in un dato momento. Il clima di una regione, invece, è la combinazione delle condizioni meteorologiche prevalenti per lunghi periodi (30 anni): in un certo senso, quindi, il clima è la media del tempo meteorologico. Per chiarire questo concetto, consideriamo due esempi: i climi tropicali desertico e della foresta pluviale.

Clima tropicale desertico
Il clima tropicale desertico è tra i più secchi e caldi (umidità relativa bassa e media annuale della temperatura maggiore di 18 °C). Il Sole splende quasi costantemente, interrotto raramente da piogge irregolari e difficilmente prevedibili. La temperatura di giorno è fra le più alte e l’escursione termica diurna è grande. Questo clima si trova in Africa del Nord, Arabia, Messico ecc.

Clima tropicale della foresta pluviale
Il clima tropicale della foresta pluviale è caratterizzato da forte copertura nuvolosa e alta umidità relativa. Le abbondanti precipitazioni sono distribuite uniformemente nel corso dell’anno. Le temperature sono alte e variano di poco e l’escursione termica diurna è fra le più piccole. Questo clima si trova in Amazzonia, Malesia, Filippine ecc.

Dinamica del clima

Sebbene i fenomeni che determinano la dinamica del clima siano molteplici e complessi, la loro causa prima è unica: l’energia solare³. L’assorbimento della radiazione proveniente dal Sole varia da un punto all’altro della Terra a seconda di molti fattori (periodo dell’anno, latitudine, costituzione della superficie ecc.), provocando differenze che tendono ad essere bilanciate dai movimenti delle masse d’aria e dalle correnti oceaniche. Il clima di una regione può essere quindi pensato come lo stato di equilibrio tra il flusso di energia in entrata e quello in uscita. Consideriamo, ad esempio, la potenza per unità di superficie ricevuta dal Sole alle varie latitudini: siccome l’angolo che i raggi solari formano con il suolo è piccolo ai poli e grande all’equatore, la potenza per unità di superficie ricevuta dal Sole è inferiore ai poli rispetto all’equatore. Inoltre, nelle regioni polari, al contrario di quelle equatoriali, la potenza per unità di superficie emessa dalla Terra⁴ è superiore a quella ricevuta dal Sole. Questo squilibrio energetico è in parte compensato dalla circolazione atmosferica: se non ci fosse la rotazione terrestre, l’aria si muoverebbe lungo una cella convettiva (l’aria calda e umida salirebbe all’equatore e raggiungerebbe i poli da dove, dopo essere scesa rilasciando calore ed umidità, tornerebbe all’equatore. In realtà, a causa della forza di Coriolis⁵ che deflette i venti verso destra nell’emisfero Nord e verso sinistra nell’emisfero Sud, si creano tre celle per ogni emisfero: la cella di Hadley (tra equatore e tropici), la cella di Ferrel (tra tropici e circoli polari) e la cella polare (tra circoli polari e poli).

Come abbiamo accennato precedentemente, anche le correnti oceaniche contribuiscono all’equilibrio energetico tra poli ed equatore. Similmente a quanto accede in atmosfera, esistono celle di circolazione termoalina⁶ che costituiscono il sistema oceanico per il trasporto di calore tra regioni equatoriali e polari, provocate dallo scambio di calore e umidità tra atmosfera e oceano. L’acqua densa che si forma in alcuni siti dell’Atlantico settentrionale si diffonde lentamente lungo i fondali e si sposta negli oceani Indiano e Pacifico, prima di risalire lentamente ed entrare in parti più superficiali delle celle di circolazione termoalina. L’acqua antartica profonda si forma in prossimità dell’Antartide e fluisce sia verso Nord, in celle di circolazione meno salate e calde al di sotto di acque più salate e calde nell’Atlantico e nel Pacifico meridionali, sia lungo l’Oceano Meridionale al di sotto della CORRENTE Circumpolare per entrare nell’Oceano Indiano meridionale. Le acque calde che fluiscono nell’Atlantico e nel Pacifico chiudono le grandi celle termoaline globali: il loro viaggio dura circa 1000 anni.

Evoluzione del clima

Su scala geologica
Si stima che il nostro pianeta abbia circa 5 miliardi di anni. È certo che, dall’inizio della sua storia ad oggi, si sono alternati periodi freddi e caldi, lunghi fino a centinaia di milioni di anni. Nell’arco di tali lente variazioni, sono sempre state presenti oscillazioni più rapide, come le grandi glaciazioni, in cui spesso sono culminati i periodi freddi, e le piccole glaciazioni, che hanno talvolta interrotto i periodi caldi. Le ricerche paleoclimatiche, pur con i limiti intrinseci a esami geologici e paleontologici, hanno permesso di ricostruire approssimativamente l’evoluzione del clima a partire da 1 miliardo di anni fa. In particolare:

• 500 milioni di anni fa (Cambriano), il clima era caldo e privo di ghiacci;

• 300 milioni di anni fa (Permiano), la parte meridionale di Pangea era ricoperta da ghiacci;

• 150 milioni di anni fa (Giurassico), il clima era caldo e le calotte polari assenti (prevalenza delle foreste);

• 25 milioni di anni fa (Paleogene), la temperatura è calata repentinamente (prevalenza delle praterie).

I dati paleoclimatici sono più precisi durante l’ultimo milione e mezzo di anni (Quaternario). In questo periodo, si sono susseguite quattro glaciazioni maggiori, intervallate da tre fasi interglaciali. L’ultima glaciazione maggiore si è conclusa tra 18 e 20 mila anni fa e ha permesso la migrazione dell’uomo dall’Asia all’America grazie ai ghiacci che ricoprivano lo Stretto di Bering.

Su scala storica
Nei tempi recenti, le informazioni sul clima sono più accurate:

• 8000 a.C., termina l’ultimo breve episodio glaciale;

• 5500 a.C. – 2600 a.C., il clima è più fresco e umido (il Sahara è coperto da vegetazione e popolato da animali);

• 2600 a.C. – 1400 a.C., il clima è più caldo e arido (la civiltà sahariana si restringe alla Valle del Nilo);

• 1400 a.C. – 300 a.C., il clima è fresco e umido (comunque le temperature sono mediamente superiori di 1 °C rispetto a quelle attuali);

• 300 a.C. – 800 d.C., l’aridità spinge i nomadi dall’Asia all’Europa, le precipitazioni favoriscono l’agricoltura mediterranea;

• 800 d.C. – 1200 d.C., periodo caldo (in Inghilterra si coltiva la vite, i Vichinghi colonizzano la Groenlandia);

• 1200 d.C. – 1400 d.C., instabilità climatica tendente al freddo;

• 1400 d.C. – 1850 d.C., “piccola era glaciale” (i ghiacciai alpini avanzano, i Vichinghi abbandonano la Groenlandia);

• 1850 d.C. – oggi, la temperatura del pianeta tende ad aumentare.

Futuro del clima

Affinché l’umanità possa prendere oggi le decisioni che consentano uno SVILUPPO SOSTENIBILE del pianeta, è necessario comprendere quale potrebbe essere il clima domani. In questo caso, non possiamo avvalerci di misure, ma siamo costretti ad utilizzare modelli matematici. Purtroppo, questi strumenti predittivi non sono esenti da incertezze. I modelli matematici cercano di simulare il comportamento del clima tentando di capire i processi fisici, chimici e biologici che lo governano. In tal maniera, ci permettono una migliore comprensione del “Sistema Terra” sia fornendo un’immagine più chiara dei climi passati mediante il confronto con i dati paleoclimatici, sia permettendo di predire il CAMBIAMENTO CLIMATICO.

I modelli matematici, possono essere usati per simulazioni in varie scale geografiche e differenti periodi temporali. Le leggi fondamentali e le relazioni fra gli elementi che caratterizzano il nostro pianeta sono espresse sotto forma di equazioni. Vista la complessità del “Sistema Terra”, tali equazioni sono risolte numericamente da computer molto potenti.

Tutte le previsioni di riscaldamento globale durante il 21° secolo si basano su modelli matematici: inserendo nel computer l’andamento previsto delle emissioni di INQUINAMENTO si può calcolare l’aumento di EFFETTO SERRA e, quindi, l’impatto di tale aumento su atmosfera, oceani e ghiacci.

Sebbene i modelli matematici possano aiutarci nel comprendere i processi che regolano il clima, non è ragionevole fidarsi ciecamente delle loro predizioni: tali modelli non possono che essere una semplificazione di un sistema più complesso. Per questo motivo, è necessario usarli con cura e interpretarne i risultati con cautela. In altre parole, occorre validarli mediante dati reali (paleoclimatici e recenti) e ricordare che le loro previsioni sono affette da incertezza.

Nondimeno, i “General Circulation Models” (GCMs)⁷ e, in particolare, i “coupled oceanatmosphere GCMs”⁸ che tengono conto dell’energia solare e degli aerosol antropici hanno ormai raggiunto una affidabilità sufficiente per poter concludere che dobbiamo aspettarci un ulteriore aumento di temperatura nel secolo che è appena iniziato. L’entità di tale aumento non è certa, anche perché dipende dallo stile di sviluppo che sceglierà l’umanità, essendo compresa tra 2 e 5 °C.

Questi dati scientifici hanno spinto i paesi ad adottare misure di contrasto ai cambiamenti climatici. Nel 1992 fu firmata a Rio de Janeiro la Convenzione Quadro delle Nazioni Unite sui Cambiamenti Climatici che invitava i governi a ridurre le concentrazioni atmosferiche dei GAS SERRA con l’obiettivo precauzionale di “prevenire interferenze antropogeniche pericolose con il sistema climatico terrestre”. Le nazioni firmatarie concordarono di riconoscere “responsabilità comuni ma differenziate”, invitando i paesi industrializzati a un impegno maggiore nella riduzione delle emissioni nel breve periodo. Dall’entrata in vigore della convenzione (1994), i rappresentanti delle nazioni si sono incontrati annualmente nella Conferenza delle Parti (COP), per analizzare i progressi nell’affrontare i cambiamenti climatici e per aggiornare gli impegni. La conferenza più importante (COP3) si svolse a Kyoto nel 1997 e adottò il PROTOCOLLO DI KYOTO che stabilì azioni legalmente vincolanti per i paesi sviluppati, tenuti a ridurre le loro emissioni del 5,2% (in media) rispetto ai valori del 1990 entro il 2012. Il contributo alle emissioni dei paesi emergenti, soprattutto Cina e India, è ormai molto importante. Nonostante questo, durante la COP15 di Copenhagen del dicembre 2009, non è stato trovato un trattato vincolante che mettesse d’accordo tutte le nazioni, più o meno sviluppate.

Cause naturali di evoluzione del clima

L’evoluzione del clima è il risultato della complessa relazione tra gli elementi che costituiscono il “Sistema Terra”. L’interazione tra atmosfera e idrosfera non è l’unica a influire sul clima: anche geosfera e biosfera giocano un ruolo determinante. Ad esempio, le eruzioni vulcaniche, immettendo nell’aria particelle e aerosol, provocano un aumento nella capacità dell’atmosfera di riflettere la radiazione solare e, quindi, un raffreddamento del pianeta. Anche gli esseri viventi possono modificare il clima: è ben noto che i vegetali terrestri e marini sottraggono CO2 all’aria, causando una diminuzione dell’EFFETTO SERRA.

Anche la relazione tra Terra e Sole influisce profondamente sul clima. Le ciclicità dell’emissione di energia solare (11 anni), della precessione degli equinozi (dell’ordine di 20 mila anni) e dell’inclinazione dell’asse terrestre (dell’ordine di 40 mila anni) sono correlate alla temperatura del pianeta. Anche le variazioni della distanza Terra – Sole e le fluttuazioni del vento solare sembrano influenzare il clima.

I fenomeni che dimostrano come il clima in un luogo sia il risultato della relazione tra elementi anche molto distanti del “Sistema Terra” sono numerosi: consideriamo, ad esempio il ciclo di “El Niño”. In condizioni normali, gli alisei⁹ soffiano verso Ovest attraverso il Pacifico tropicale da una zona di acqua ascendente al largo del Perù. L’acqua si scalda mentre è trasportata verso Ovest formando una grande massa di acqua calda sopra la termoclina¹⁰ nel Pacifico occidentale. L’acqua calda causa l’ascensione e il raffreddamento dell’aria marittima umida, portando abbondanti piogge in Indonesia. Durante un evento di “El Niño”, gli alisei si indeboliscono e la grande massa di acqua calda si sposta verso Est occupando il Pacifico centrale. L’aria discendente fredda e secca porta condizioni di siccità in Indonesia, mentre l’aria ascendente umida sopra la grande massa di acqua calda aumenta fortemente la pioggia nel Pacifico centrale. Le acque superficiali nel Pacifico orientale si scaldano e, discendendo, interrompono la fornitura di nutrienti dalle acque profonde, influenzando negativamente la pesca al largo del Perù.

Cause antropiche di evoluzione del clima

Negli ultimi anni, si è innescato un acceso dibattito, a livello scientifico, politico e pubblico, attorno alla domanda: l’uomo sta cambiando il clima? Questo interrogativo fondamentale può essere a sua volta scomposto in altri due: il clima sta evolvendo? Se sì, qual è il contributo delle attività umane a tale evoluzione? Per rispondere, occorre analizzare oggettivamente i dati scientifici. A tal fine, nel 1988 l’UNEP¹¹ e il WMO¹² hanno creato l’IPCC¹³, un comitato internazionale di esperti che ha effettuato un accurato lavoro di raccolta, sintesi e revisione delle informazioni disponibili in letteratura, pubblicando quattro rapporti (1990, 1995, 2001 e 2007).

Cerchiamo di riassumere in cinque punti le conclusioni più importanti raggiunte dall’IPCC e contenute nel rapporto del 2007:

1. “il riscaldamento del sistema climatico è inequivocabile, come è ora evidente dalle osservazioni di aumenti in temperatura media globale dell’aria e dell’oceano, dal diffuso scioglimento di neve e ghiaccio e dall’innalzamento del livello medio globale del mare”;

2. l’aumento della temperatura dell’aria negli ultimi 100 anni è di 0,74 ± 0,18 °C (livello di confidenza 90%)¹⁴; undici degli ultimi dodici anni (1995 – 2006) sono tra i più caldi dal 1850; l’aumento di temperatura è maggiore alle alte latitudini dell’emisfero Nord e nelle terre emerse;

3. l’innalzamento del livello del mare è in accordo con il riscaldamento del pianeta; in media, il livello del mare si è innalzato dal 1961 di 1,8 ± 0,5 mm/anno (livello di confidenza 90%) e dal 1993 di 3,1 ± 0,7 mm/anno (livello di confidenza 90%); non è chiaro se il recente aumento della velocità di innalzamento sia una tendenza a lungo termine;

4. anche la diminuzione dell’estensione di nevi e ghiacci è in accordo con il riscaldamento del pianeta; considerando la media annuale i ghiacci artici si sono ritirati mediamente del 2,7 ± 0,6 %/anno (livello di confidenza 90%); i ghiacciai montani e le coperture nevose si sono ridotti in entrambi gli emisferi;

5. dal 1900 al 2005 la quantità delle precipitazioni, da una parte è aumentata nelle Americhe orientali, nell’Europa settentrionale e nell’Asia settentrionale e centrale e, dall’altra, è diminuita nel Sahel, nel Mediterraneo, nell’Africa meridionale e in parte dell’Asia meridionale; probabilmente, le zone affette da siccità sono aumentate dal 1970.

Sulla base di questi dati scientifici, si impone una risposta affermativa al nostro primo interrogativo: il clima si sta evolvendo. Resta da chiarire quale sia il contributo delle attività umane a tale evoluzione.

Molti autorevoli scienziati hanno individuato nell’aumento dell’EFFETTO SERRA, legato alle attività antropiche, la causa della crescita della temperatura del pianeta e, quindi, delle altre modificazioni del clima. L’EFFETTO SERRA è un fenomeno naturale, determinato dalla capacità dell’atmosfera di trattenere parte dell’energia solare. Per capirne il funzionamento, analizziamo il BILANCIO ENERGETICO terrestre. Dell’energia proveniente dal Sole, prevalentemente sotto forma di radiazione visibile:

• 30% è riflesso (6% dall’atmosfera¹⁵, 20% dalle nuvole, 4% dalla superficie terrestre),

• 19% è assorbito da atmosfera e nuvole,

• 51% è assorbito da terre e oceani.

Le terre e gli oceani, a loro volta, emettono verso lo spazio raggi infrarossi. Continuando a riferire le percentuali all’energia proveniente dal Sole, il 51% assorbito da terre e oceani è in parte irradiato verso lo spazio (6%) e in parte trasferito ad atmosfera e nuvole con i seguenti meccanismi: conduzione e convezione (7%), evaporazione e condensazione con il conseguente rilascio del calore latente (23%) e assorbimento da parte dell’atmosfera (15%). Infine, atmosfera e nuvole irradiano verso lo spazio l’energia che hanno ricevuto da tutti i processi menzionati (64% dell’energia proveniente dal Sole). Osserviamo che l’atmosfera, al pari di una serra, è più trasparente allo spettro solare (78 parti su 100, ovvero 78%) che ai raggi infrarossi emessi dalla superficie terrestre (6 parti su 21, ovvero 29%): per questo motivo, alla capacità dell’atmosfera di trattenere parte dell’energia solare è stato dato il nome di EFFETTO SERRA. Tale effetto dipende dalla presenza di alcuni gas, detti GAS SERRA, che assorbono efficacemente i raggi infrarossi. Sebbene questo fenomeno sia di per sé positivo (senza l’EFFETTO SERRA la temperatura media del pianeta sarebbe -19 °C anziché 15 °C) un suo aumento porterebbe alla crescita della temperatura della Terra e, conseguentemente, alle modificazioni negative del clima. Alla luce di queste considerazioni, il nostro secondo interrogativo può essere riformulato come segue: l’uomo ha provocato un aumento dell’EFFETTO SERRA?

La risposta a questa domanda non è semplice: se da una parte è sicuro che, a partire dalla rivoluzione industriale, le attività antropiche, in generale, e l’utilizzo di combustibili fossili, in particolare, hanno portato ad un aumento dei GAS SERRA (tabella 2), dall’altra non è certo che tale aumento si sia ripercosso in una crescita della temperatura media del pianeta. Nondimeno, questo nesso causale appare molto probabile alla stragrande maggioranza degli scienziati: secondo l’IPCC, ad esempio, il riscaldamento osservato negli ultimi 50 anni è per lo più attribuibile alle attività umane.

a Dall’epoca preindustriale a oggi.
b Parti per milione (in volume).

Tabella 2 – Principali GAS SERRA.

Conclusioni

Il clima è un fenomeno dinamico, risultato del flusso di radiazione proveniente dal Sole e dagli scambi di energia tra litosfera, idrosfera, atmosfera e biosfera. Nel corso delle ere geologiche e dei tempi storici si è modificato in modo apprezzabile, come dimostrano i dati paleoclimatici e le registrazioni strumentali. Sebbene le informazioni raccolte con misure sperimentali e modelli teorici non siano esenti da incertezze, permettono di ricavare un’immagine sufficientemente accurata dei fattori naturali e antropici che hanno influenzato il clima. Nonostante il “Sistema Terra” continui a presentarsi ai nostri occhi come un complesso tessuto di fitte relazioni che non possiamo dire di comprendere appieno, la nostra conoscenza di alcuni suoi meccanismi fondamentali ci permette di affermare che alcuni suoi equilibri sono estremamente delicati. In altre parole, alterare un parametro atmosferico od oceanico in un punto del globo potrebbe implicare severi cambiamenti climatici in regioni lontanissime. Inoltre, risulta ormai evidente che le attività antropiche stanno provocando un aumento dei GAS SERRA e che la temperatura superficiale del pianeta è in crescita. Non tutti gli esperti concordano nel fatto che tra i due fenomeni vi sia un rapporto di causa-effetto, anche se una maggioranza autorevole lo ritiene molto probabile.

Anche se il margine di incertezza è stato ridotto nei decenni passati e potrà essere ulteriormente limitato negli anni futuri, grazie al concorso di misure sperimentali più accurate e modelli teorici più raffinati, forse la scienza non potrà mai fornire la certezza del nesso causale tra attività antropiche e riscaldamento globale. Il problema del CAMBIAMENTO CLIMATICO si sposta quindi dal piano scientifico a quello politico e potrebbe essere formulato sotto forma della seguente domanda: considerata l’elevata probabilità che l’uomo stia cambiando il clima, è il caso che l’umanità adotti un modello di sviluppo diverso da quello attuale?

Questa domanda implica complesse considerazioni di carattere diplomatico, economico e sociale che vanno al di là dello scopo di questo documento. Ricordiamo qui soltanto che l’etica ambientale ha formulato un elemento di risposta, ovvero il “principio di precauzione”, che potrebbe essere così enunciato: “in tutte le attività dell’uomo connesse con la natura e le generazioni future, è necessario usare le dovute precauzioni affinché non siano procurati danni, soprattutto se a lungo termine o irreversibili”.

Note:
1 Si considera il 99% della massa atmosferica.
2 Particelle e aerosol sono elementi materiali liquidi o solidi e si distinguono convenzionalmente dal diametro: superiore a 10 μm per le particelle, compreso tra 1 nm e 10 μm per gli aerosol.
3 Il contributo energetico dovuto ai processi nucleari terrestri è trascurabile.
4 La Terra, come qualsiasi oggetto, emette radiazione, in accordo con le leggi del “corpo nero”.
5 Forza apparente dovuta alla rotazione terrestre.
6 Circolazione delle acque oceaniche causata dalle diverse densità delle masse d’acqua, determinate a loro volta dai diversi gradienti di temperatura e salinità.
7 Complessi modelli atmosferici globali.
8 Complessi modelli che simulano atmosfera, oceani e loro relazioni.
9 Venti costanti della fascia tropicale.
10 Strato di transizione nelle acque oceaniche caratterizzato da un gradiente di temperatura più forte che nelle zone superiori e inferiori. La termoclina permanente si trova tra 100 e 1000 m di profondità e separa le acque superficiali calde e rimescolate dalle acque profonde fredde, rallentando fortemente lo scambio di acqua e ANIDRIDE CARBONICA tra queste due zone.
11 United Nations Environment Programme.
12 World Meteorological Organization.
13 Intergovernmental Panel on Climate Change. Nel 2007, l’IPCC e Al Gore sono stati insigniti del Premio Nobel per la pace.
14 Questa notazione significa che il valore più attendibile è 0,74 e che, con una probabilità del 90%, è compreso tra 0,56 e 0,92.
15 In questo contesto, il termine “atmosfera” indica l’atmosfera priva di nuvole.

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