Fusione del Permafrost: di cosa si tratta e conseguenze

Oggi, sabato 27 febbraio, è il Polar Bears International Day, una giornata dedicata agli orsi polari e alla sensibilizzazione dell’opinione pubblica relativamente alle attività dell’uomo che stanno mettendo a rischio l’habitat naturale di questi affascinanti mammiferi.

Abbiamo così deciso di ospitare due contributi del dott. Tommaso Orusa, borsista di ricerca presso Unito Green Office Energia e Cambiamenti climatici e dottorando al GEO4AGRI presso il Dipartimento di Scienze, Agrarie Forestali e Alimentari dell’Università degli studi di Torino, relativi al Permafrost e alle conseguenze legate alla sua fusione.

I contributi sono pubblicati nell’opera “Lessico e Nuvole: le parole del cambiamento climatico”, la seconda edizione della guida linguistica e scientifica per orientarsi nelle più urgenti questioni relative al riscaldamento globale, curata dalla Sezione Valorizzazione della Ricerca e Public Engagement – Agorà Scienza – e dal Green Office UniToGO dell’Università di Torino.

La versione gratuita di Lessico e Nuvole, sotto forma di file in formato .pdf, è scaricabile dalla piattaforma zenodo.org.

La versione cartacea è acquistabile online sulle seguenti piattaforme di distribuzione:

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Tutto il ricavato delle versioni a pagamento sarà utilizzato dall’Università di Torino per finanziare progetti di ricerca e di public engagement sui temi dei cambiamenti climatici e della sostenibilità.

Che cosa è il permafrost

Il permafrost è annoverato come tipologia di suolo in vari sistemi tassonomici (“Cryosol” per la USDA, “Gelisol” per la WRB). Il termine “permafrost”, introdotto nel 1943 dallo statunitense S. W. Muller, indica una tipologia particolare di suolo permanen­temente gelato a varie profondità che costituisce un “orizzonte” (strato di suolo – vedi anche la voce “Pedoclima”) o nel sotto­suolo di varie zone, specialmente ad alta latitudine e a elevata quota. Si tratta dunque di una particolare condizione termica del suolo o sottosuolo molto diffusa nei climi freddi che attualmente interessa circa il 25% della superficie terrestre.

A livello scientifico un suolo gelato si definisce permafrost quan­do, indipendentemente dal substrato (suolo, detrito, roccia, mo­rena, ecc.), rimane congelato per almeno 2 anni consecutivi e con temperature permanentemente minori o uguali a 0 °C. Al di sopra del permafrost si trova uno strato attivo superficiale de­finito come active layer con spessori variabili generalmente da 30÷50 cm fino a 1÷3 m. Al di sotto di questo strato si trova appunto il permafrost, che ha temperatu­re costantemente al di sotto dello zero.

Lo strato attivo è sensibile ai cambiamenti di temperatura stagionali, arrivando in talu­ni casi a fondersi, in tutto o in parte, du­rante il periodo estivo per poi ricongelare d’inverno.

In situazioni “ordinarie” solo in alcuni casi lo strato attivo è interessato da tale fenomeno; tuttavia a seguito dei cambiamenti climatici anche lo strato inattivo, ossia il permafrost propriamente detto, può andare incontro a questo feno­meno con profonde ripercussioni ambien­tali e sulla sicurezza in ambiente montano.

La maggior parte del permafrost è localiz­zato nelle regioni artiche e antartiche ma è presente anche nelle regioni montuose alle quote più elevate delle medie latitudi­ni come le Alpi, la catena dell’Himalaya, le Montagne rocciose e altri sistemi montuosi. Per il permafrost, l’aspetto determinante non è la temperatura dell’aria, ma la tem­peratura della superficie del suolo e il suo albedo.

La temperatura del suolo viene influenzata fortemente dall’irraggiamento solare nonché dallo spessore e dalla durata della copertura nevosa. Anche se il perma­frost non è visibile direttamente, esistono particolari forme di terreno che segnalano la sua presenza, come ad esempio i ghiac­ciai rocciosi (rock glaciers) ampiamente dif­fusi sulle Alpi.

L’organizzazione meteorologica mondiale (World Meteorological Organization – WMO) ha inserito la temperatura del permafrost e lo spessore dello strato attivo tra le Es­sential Climate Variables (ECV), ovvero le variabili essenziali per valutare gli impatti dei cambiamenti climatici a livello globale. Il permafrost è influenzato essenzialmente dal clima, ma le caratteristiche della super­ficie topografica e del substrato giocano un ruolo fondamentale nella risposta del permafrost alle modificazioni climatiche.

Per questa ragione il permafrost delle re­gioni montuose (permafrost montano) è caratterizzato da una elevata variabilità spaziale che rende il suo studio, in termi­ni di monitoraggio, mappatura e model­lizzazione, estremamente complesso più che alle elevate latitudini.

Nel contesto alpino le attività di monitoraggio rappre­sentano un aspetto fondamentale poiché forniscono un’evidenza diretta dello stato termico del permafrost e implementano una base dati essenziale per la calibrazio­ne e la validazione dei modelli numerici. Di per sé il permafrost non è un perico­lo naturale. Quando però il ghiaccio con­tenuto nel permafrost fonde a causa dei cambiamenti climatici, il suolo può desta­bilizzarsi e causare assestamenti, smotta­menti, reptazioni, colate detritiche o crolli di rocce o, come avviene in Siberia e Alaska e più in generale nelle zone polari e bore­ali, liberare metano (CH4) e altri gas serra intrappolati in sacche sotto il suolo gelato.

La fusione del permafost

La degradazione del permafrost avviene dunque come un diretto feedback al riscal­damento della superficie del suolo come conseguenza dell’aumento della tempe­ratura dell’aria: è un fenomeno che, negli ultimi 50 anni, si sta verificando in modo significativo in molti settori dell’Artico. La degradazione del permafrost si manife­sta con l’aumento dello spessore dello stra­to attivo, ossia quella parte del permafrost che per alcuni mesi dell’anno sale sopra gli 0 °C. Essa provoca diversi effetti sulla superfi­cie, come il suo cedimento (subsidenza) o la formazione di nuovi laghi, detti “termokarst”, nelle zone di pianura.

Nelle zone montane si rileva invece la for­mazione di frane e colate detritiche, men­tre lungo le coste dei mari artici si può ave­re l’erosione e l’arretramento del litorale. Tali fenomeni possono causare conseguen­ze catastrofiche sulle infrastrutture esistenti quali le strade, gli oleo­dotti, i gasdotti o anche gli aeroporti. Queste strutture infatti possono rompersi o diventare impraticabili a cau­sa dei cedimenti del terreno, spesso localizzati e di entità variabile.

Anche gli edifici, soprattutto se costruiti in modo improprio, per esem­pio se non sono sopraelevati in modo da consentire il passaggio dell’aria al di sotto del loro basamento, e con plinti e fondazioni particolarmente profonde possono subire danni irreparabili, sino al crollo de­gli stessi. In Russia, Alaska, le aree montane come le Alpi e in tutte quelle aree in cui il permafrost è presente, per garantire la sicurezza tecnica degli edifici vengono oggigiorno collaudati nuovi metodi di costruzione che richiedono l’applicazione di me­todologie in precedenza di rado adottate e spesso onerose, costringendo a un forzoso adattamento a fini di garantire la sicurezza delle opere realizzate.

Il rilascio di metano conseguente alla fusione del permafrost

Uno dei problemi più importanti dovuti all’aumento dello spessore dello strato attivo (come accennato in precedenza) è il rilascio di metano dal permafrost disciolto sul fondo dei laghi, a loro volta generati dalla degradazione del permafrost. Questo feno­meno si riscontra soprattutto nella Siberia orientale. Qui, grandi quantitativi di materiale organico non decomposto sono presenti nel permafrost e l’au­mento dello spessore dello strato attivo fa sì che parte di questa sostanza organica venga esposta all’aria (ad esempio per evaporazione dell’acqua o suo prelievo) e si decomponga, emettendo grandi quantità di metano e diossido di carbonio in at­mosfera contribuendo all’amplificazione dell’effet­to serra e, con un meccanismo di retroazione rin­forzante, alla degradazione di ulteriore permafrost, con profonde ripercussioni ambientali.

Perdita della calotta glaciale dell’Antartide occidentale

La calotta glaciale dell’Antartide occidentale (West antartic ice sheet – WAIS) è una delle tre regioni che compongono l’Antartide. Le altre due sono l’Antartide orientale e la penisola antartica, con la catena montuosa transantartica che divide l’est dall’ovest.

Sebbene molto più piccolo del suo vicino a est, il WAIS contiene ancora abbastanza ghiaccio per aumentare il livello globale del mare di circa 3,3 metri. Pertanto, anche una perdita parziale del suo ghiaccio sarebbe sufficiente per cambiare drasticamente le coste del mondo e avere effetti significativi sul clima e per tanto la sua dinamica è oggetto di un attento monitoraggio in quanto tipping point.

La stabilità a lungo termine del WAIS è oggetto di forte preoccupa­zione all’interno della comunità scientifica internazionale perché è una calotta glaciale “a base marina”. Come illustrato nell’ultimo rapporto speciale dell’IPCC del 2019 sull’oceano e la criosfera in un clima che cambia (Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate – SROCC), essa si trova «su un substrato roccioso che si trova in gran parte al di sotto del livello del mare ed è in contatto con il calore dell’oceano, e quindi tale da renderla vulnerabile alla rapida e irreversibile fusione del ghiaccio.»

La cartografia (si veda la figura qui sopra) riporta l’elevazione del substrato roccioso antartico; i verdi, i gialli e i rossi indicano le aree sopra il livello del mare, mentre i bianchi e i blu mostrano le aree che, senza ghiaccio, sarebbero ampiamente sotto il livello del mare e invase dall’acqua. La WAIS ha uno spessore di oltre 4 km in alcuni punti. Sotto la forza di gravità, il ghiaccio del WAIS scorre gradualmente dall’interno verso la costa riversandosi nell’Ocea­no Antartico. Le nevicate all’interno dell’ambiente antartico per­mettono normalmente di ricostituire il ghiaccio perduto: la neve permane al suolo trasformandosi in nevato e successivamente in ghiaccio. Se però la calotta glaciale perde più ghiaccio nell’oceano di quanto ne guadagni con la neve a seguito del riscaldamento globale, esso si aggiunge al mare contribuendo al suo innalza­mento globale.

La ricerca pubblicata su Nature da Shepherd et al. nel 2018 ha mostrato che il tasso di perdita di ghiaccio dal WAIS era triplicato da 53 miliardi di tonnellate all’anno (media nel periodo 1992-97) a 159 miliardi di tonnellate all’anno (media nel periodo 2012-2017).

Laddove il ghiaccio incontra l’oceano, si formano piattaforme di ghiaccio galleggianti. Queste piattaforme di ghiaccio hanno un effetto di “sostegno”, trattenendo i ghiacciai sulla terra che vi con­fluiscono. Adagiate sulla su­perficie dell’oceano, le piat­taforme di ghiaccio rischiano di sciogliersi rispettivamente dall’alto e dal basso a causa dell’aria calda e dell’acqua. Nel­la penisola antartica, ad esem­pio, la ricerca di Shepherd et al. ha dimostrato che il collas­so della piattaforma di ghiac­cio Larsen B nel 2002 è stata determinata principalmente dalle temperature e dalle mas­se d’aria più calda e atipiche per i poli. Mentre la piattafor­ma di ghiaccio Larsen C, che si sta assottigliando rapida­mente, si scioglie sia dall’alto e sia dal basso con variazioni in funzione dei trend stagionali.

Dato che le piattaforme di ghiaccio galleggiano sull’acqua il loro collasso non causa di­rettamente l’innalzamento del livello del mare; al contrario l’assottigliamento e/o il col­lasso delle piattaforme glaciali del WAIS potrebbero innesca­re un ciclo a feedback positivo (cioè auto-rinforzante) che vede la perdita rapida e irre­versibile di “ghiaccio terrestre” nell’oceano, che si aggiun­gerebbe al livello del mare. Questa teoria è chiamata “in­stabilità della calotta glaciale marina” (MISI).

Esiste probabilmente anche un meccanismo di “feedback loop” aggiuntivo che potreb­be ulteriormente mettere in pericolo il WAIS. Questo è chiamato Marine Ice Cliff Insta­bility (MICI), che vedrebbe im­ponenti scogliere di ghiaccio collassare nell’oceano sotto il loro stesso peso, anche se la teoria è ancora in fase di di­scussione.

In termini di raggiungimento del “punto critico” del­la MISI, la maggior parte della ricerca si è concentrata sul settore del mare di Amundsen del WAIS in cui si ri­versano sei ghiacciai. Già negli anni Ottanta del secolo scorso, questa regione è stata identificata come il “pun­to debole”. Qui, il ghiaccio fluisce direttamente nell’o­ceano senza alcuna barriera significativa a trattenerlo.

Il contributo dell’Antartide all’innalzamento del livel­lo del mare è attualmente, per la più parte, determina­to dalla perdita di ghiaccio da questo settore marino. Ad esempio, le sezioni dei ghiacciai di Thwaites e Pine Island si stanno assottigliando rispettivamente a veloci­tà di 49 e 45 cm all’anno (media nel periodo 1992-2017) e numerose sono le missioni satellitari e le spedizio­ni scientifiche atte a studiare e monitorare questa zona. La ricerca indica che i ghiacciai in questo settore contribu­iranno in modo significativo all’innalzamento del livello del mare nei decenni o nei secoli a venire. In uno studio del 2014 sulla rivista Science si è dimostrato come il processo di destabilizzazione della calotta glaciale marina è già in corso sul ghiacciaio Thwaites.

Lo SROCC dell’IPCC del 2019 è un po’ più prudenziale nelle sue conclusioni. In esso si apprende come la rapida perdi­ta di massa dovuta all’accelerazione del flusso del ghiacciaio in questa regio­ne potrebbe indicare l’inizio del MISI; tuttavia, rileva anche che «i dati osser­vativi non sono ancora sufficienti per determinare se questi cambiamenti se­gnino l’inizio di una ritirata irreversibile.» In diversi articoli pubblicati su Nature Cli­mate Change si legge come in condizioni di riscaldamento prolungato, una soglia chiave per la sopravvivenza delle piat­taforme di ghiaccio antartiche, e quindi la stabilità della calotta glaciale, sembra essere compresa tra 1,5 e 2 °C della temperatura media annuale dell’aria al di sopra dell’attuale. Questa soglia di tem­peratura si riferisce tuttavia al riscalda­mento regionale in Antartide, piuttosto che alla media globale.

dott. Tommaso Orusa, borsista di ricerca presso Unito Green Office Energia e Cambiamenti climatici e dottorando al GEO4AGRI presso il Dipartimento di Scienze, Agrarie Forestali e Alimentari dell’Università degli studi di Torino.

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