Risorse fossili ed effetto serra
In questo articolo, tratto dalla tesi di laurea del dott. Leonardo Alberto Luciano, intitolata “Elementi critici in tecnologie per la produzione e l’accumulo di energia da fonti rinnovabili”, relatore Prof. Marco Minella, troverete una breve spiegazione del fenomeno noto come effetto serra, delle conseguenze legate all’aumento della concentrazione di alcuni componenti atmosferici su questo e della relazione tra l’utilizzo di combustibili fossili e l’acuirsi dell’intensità di questo processo.
Cos’è l’effetto Serra
L’atmosfera e la superficie terrestre vengono riscaldate quasi esclusivamente dall’energia solare, sotto forma di radiazione elettromagnetica di varie tipologie. La Terra, come qualsiasi corpo caldo, emette energia e, affinché la sua temperatura rimanga costante, le quantità di energia assorbita ed emessa dal pianeta devono essere uguali. Il comportamento emissivo del nostro pianeta è comparabile a quello di un corpo nero alla temperatura di circa 300 K. È quindi possibile calcolare la lunghezza d’onda di massima emissione applicando la legge di Wien:
dove b è la costante dello spostamento di Wien (2,898×10-3 m×K) e T è la temperatura del corpo emettente in Kelvin.
Nel caso del pianeta Terra la lunghezza d’onda di massima emissione è:
lunghezza d’onda che cade nella regione nota come infrarosso termico, poiché la sua energia si manifesta sotto forma di calore.
Alcuni gas presenti nell’atmosfera, come il disossido di carbonio (più noto come anidride carbonica, CO2), il vapore acqueo (H2O), l’ozono (O3), il metano (CH4) ed il protossido di azoto (N2O), sono capaci di assorbire la radiazione infrarossa a lunghezze d’onda caratteristiche; pertanto, non tutta la radiazione IR emessa dalla superficie terrestre sfugge nello spazio. Dopo essere stata assorbita da tali molecole, questa radiazione infrarossa viene riemessa o, alternativamente, dissipata sotto forma di calore attraverso collisioni tra le molecole di gas. A causa di ciò la temperatura dell’aria che circonda la molecola assorbente aumenta. Questo fenomeno è chiamato effetto serra ed è responsabile del fatto che la temperatura media sulla superficie terrestre è di +15°C, anziché i -18°C previsti dal solo bilancio energetico tra radiazione entrante ed uscente dal pianeta.
Grazie all’effetto serra, l’acqua sulla superficie terrestre si trova principalmente allo stato liquido, caratteristica che ha permesso lo sviluppo della vita sulla Terra. In tal senso pensare all’effetto serra con connotazioni negative è fortemente sbagliato, poiché in assenza di tale processo la Terra non sarebbe, con buona probabilità, un luogo adatto a forme sviluppate di vita.
Le conseguenze dell’aumento della concentrazione di gas serra nell’atmosfera
L’aumento della concentrazione di gas serra presenti nell’atmosfera e responsabili dell’assorbimento della radiazione IR causa un innalzamento della temperatura media della superficie terrestre superiore ai 15°C: questo fenomeno viene chiamato aumento dell’effetto serra o riscaldamento globale ed è attualmente uno dei problemi ambientali più importanti e discussi a livello internazionale. È interessante notare che le molecole gassose responsabili di tutto ciò non sono i principali costituenti dell’atmosfera terrestre, quali azoto e ossigeno molecolari e argon, ma alcuni suoi costituenti in traccia, tra cui i già citati anidride carbonica, vapore acqueo, ozono, metano, e protossido di azoto.
L’attuale concentrazione di CO2 in atmosfera risulta essere di 417 ppm (ovvero ci sono mediamente 417 molecole di CO2 per ogni milione di particelle di aria, se la si vuole vedere in termini percentuali la CO2 rappresenta mediamente soltanto lo 0,0417% dell’intera atmosfera terrestre). Misure effettuate sull’aria intrappolata nei ghiacci perenni dell’Antartide indicano che la concentrazione nel periodo preindustriale (prima del 1750 circa) era approssimativamente di 280 ppm. Nel corso degli ultimi due secoli e mezzo si è quindi riscontrato un aumento superiore al 40% di tale concentrazione.
La concentrazione di anidride carbonica in atmosfera nel corso degli anni
Nella figura qui sotto è possibile osservare l’andamento della concentrazione di anidride carbonica in atmosfera nel corso degli anni. Tale grafico viene anche chiamato curva di Keeling, in onore del chimico statunitense Charles David Keeling, il primo a confermare le ipotesi di uno dei padri della chimica moderna, Svante August Arrhenius, circa l’esistenza di un contributo antropico alla concentrazione atmosferica di anidride carbonica. Tale curva, costantemente aggiornata, si basa sui dati raccolti a partire dal 1958 nell’osservatorio di Mauna Loa, nelle isole Hawaii.
Andamento della concentrazione di CO2 atmosferica a partire dall’anno 0
La concentrazione è rimasta pressoché costante al di sotto dei 300 ppm per numerosi secoli, per poi subire una brusca impennata a causa dello sviluppo industriale che l’ha portata ai livelli attuali. Gran parte del considerevole contributo dell’uomo all’aumento esponenziale della concentrazione atmosferica di CO2 è dovuto all’uso dei combustibili fossili, quali carbone, petrolio e gas naturale, formatisi in ere geologiche passate.
La combustione di questa tipologia di materie prime comporta il rilascio in atmosfera di molecole di anidride carbonica che erano state precedentemente fissate dalle piante, generando quindi un’immissione aggiuntiva che la vegetazione attuale è in grado di bilanciare solo in parte attraverso il processo di fotosintesi clorofilliana e che non viene interamente assorbita dagli oceani, i quali fino ad ora hanno assorbito circa un terzo delle emissioni antropiche di CO2.
Parte significativa delle emissioni di CO2 è inoltre costituita dai processi di deforestazione mediante incendi utilizzati allo scopo di ottenere rapidamente nuovi terreni agricoli. Si stima che complessivamente la deforestazione sia responsabile di circa un quarto delle emissioni annue di CO2 antropica, mentre gli altri tre quarti provengono principalmente dall’utilizzo dei combustibili fossili.
L’innalzamento del livello di anidride carbonica e il conseguente riscaldamento globale stanno portando cambiamenti climatici, che potrebbero diventare insostenibili per la vita umana in un futuro nemmeno troppo lontano qualora l’andamento delle emissioni di CO2 non subisca un’inversione di rotta. Per mitigare l’effetto serra e diminuire le emissioni di anidride carbonica sono quindi state avanzate diverse proposte, soprattutto negli ultimi anni, come l’intrappolamento, l’immagazzinamento e la riduzione elettrochimica della CO2, con lo scopo di diminuire la concentrazione di CO2 trasformandola in composti utili o più semplicemente rimuovendola dall’atmosfera terrestre, o l’implementazione su larga scala di tecnologie per la produzione di energia da fonti rinnovabili.
Dr. Leonardo Alberto Luciano, Università di Torino
Prof. Marco Minella, Dipartimento di Chimica – Università di Torino
Bibliografia
- Istituto Nazionale di Astrofisica. Legge di Wien, https://edu.inaf.it/immagine_infinito/legge-di-wien/ (consultato il 02/05/2022).
- NASA. Carbon Dioxide, https://climate.nasa.gov/vital-signs/carbon-dioxide/ (consultato il 01/05/2022).
- Keeling C.D. The Concentration of Atmospheric Carbon Dioxide in Hawaii. Journal of Geophysical Research, 70 (24). American Geophysical Union: 1965, 6053–6076.
- Baird C., Cann M. L’effetto serra (Capitolo 5). In: Chimica Ambientale. Zanichelli: 2013.
- NASA. Climate Change: How Do We Know?, https://climate.nasa.gov/evidence/ (consultato il 01/05/2022).
- Agenzia Europea dell’Ambiente. Mitigazione dei cambiamenti climatici, https://www.eea.europa.eu/it/themes/climate/intro (consultato il 01/05/2022).
