Effetto serra
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Effetto serra
Effetto serra 1 Bilancio energetico della Terra 2 In fisica un corpo nero è un oggetto (ideale) che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente. Non riflettendo il corpo nero assorbe dunque tutta l'energia incidente e, per la conservazione dell'energia, re-irradia tutta la quantità di energia assorbita (coefficiente di emissività uguale a quello di assorbività e pari ad uno). La lunghezza d'onda alla quale l'intensità della radiazione emessa dal corpo nero è massima è data dalla legge di Wien max= 2897 / T Sole: T circa 5800 K max= 0,50 m Superficie terrestre: T circa 300 K max= 10 m L’emissione della Terra ha un picco a circa 13 m, prossimo a quello calcolato nel caso la Terra agisse come un corpo 3 nero! Distribuzione delle lunghezze d’onda delle radiazioni emesse dal SOLE e dalla superficie e troposfera della TERRA LUCE VISIBILE 400-750 nm 4 Cambiamenti della temperatura media alla superficie della terra 1870: Rivoluzione industriale Da quando sono iniziate le misurazione strumentali (1850) il periodo 2000-2010 è stato il più caldo. 5 6 Eventi che determinano l’EFFETTO SERRA nella troposfera Grazie al fenomeno dell’effetto serra la temperatura terrestre è circa 15°C invece di –18°C H2O 2/3 CO2 1/4 7 LaluceIRèemessaconintensitàdifferentesiadalla superficieterrestrechedall’atmosfera. Piùuncorpoècaldo,piùenergiaemettealsecondo Velocitàdirilasciodienergia=kT4 Desertoforteescursionetermicagiorno/notte Nottinuvolosesonopiùcalde 8 AUMENTO DELL’EFFETTO SERRA Il fenomeno che preoccupa è l’aumento dei gas in tracce presenti in atmosfera che potrebbe determinare un aumento della temperatura media della superficie terrestre. 9 Effetto serra: Raffreddamento Stratosfera! Flussidienergiasu mediaglobalee stagionalein entrataeinuscita dallaTerra,in W/m2 EquilibrioIn– Outè raggiuntoseanche inuscitasihanno 235W/m2 ciò comportaperòuna emissionedalla superficieterrestre diben390W/m2 10 I due tipi di moti vibrazionali delle molecole La luce viene assorbita più facilmente quando la sua frequenza è uguale a quella di un moto interno alle molecole 11 La frequenza per secondo di tali oscillazioni è circa 1013 cicli al secondo! Vibrazioni di stiramento (stretching) simmetrico simmetrico antisimmetrico antisimmetrico Vibrazioni di piegamento (bending) Le frequenze di vibrazione da flessione di alcune molecole cadono nella regione dell’infrarosso termico 12 Solo quelle vibrazioni che producono un momento dipolare possono interagire con il campo elettrico della radiazione elettromagnetica e sono quindi osservabili all’infrarosso Una molecola di n atomi ha 3n gradi di libertà per molecole non lineari: 3 gradi di libertà sono rotazionali 3 gradi di libertà sono traslazionali (3n –6) sono i gradi di libertà vibrazionali per molecole lineari: 2 gradi di libertà sono rotazionali 3 gradi di libertà sono traslazionali (3n –5) sono i gradi di libertà vibrazionali 13 La CO2 è lineare, triatomica e ha quattro vibrazioni fondamentali (3n – 5 = 4) simmetrico stretching Asimmetrico 4.26 µm bending 15 µm L’energia rotazionale di una molecola può risultare leggermente aumentata o diminuita in seguito all’aumento dell’energia vibrazionale causato dall’assorbimento di una radiazione IR 14 SPETTRO Tale frequenza è uguale a quella della vibrazione di stiramento antisimmetrica di OCO DI ASSORBIMENTO DELLA CO2 Tale frequenza è uguale a quella della vibrazione di bending di OCO 15 Intensità di radiazione IR che dovrebbe rilasciare la Terra in assenza di effetto serra 16 VARIAZIONE NEL TEMPO DELLA CONCENTRAZIONE ATMOSFERICA DI CO2 2010: 390 ppm Fluttuazioni stagionali Carote ghiacciai perenni CO2 + H2O luce solare O2 + CH2O polimerico CARBONIO FISSATO 17 Gran parte dell’aumento esponenziale della concentrazione di CO2 da emissioni antropogeniche viene dalla combustione di combustibili fossili (circa 3/4 delle emissioni annue di CO2) emissioni dirette emissioni indirette gas di scarico dei motori impianti di riscaldamento produzione e trasporto delle merci 18 Altra fonte dovuta ad deforestazione mediante emissioni annue di CO2) attività incendi antropiche è la (circa 1/4 delle 19 Carbonio emesso come CO2 (contenuto annuo) proveniente dalla combustione di combustibili fossili. (Tg = 1012 g) Attuale Tasso di crescita 1% annuo 20 E’ complesso determinare la vita media di una molecola di CO2 in quanto a differenza di altri gas … Non è decomposta chimicamente Non è decomposta fotochimicamente Pozzi temporanei L’assorbimento da parte degli oceani varia di 1 o 2 Gt/anno in funzione della T delle acque superficiali Fertilizzazione da CO2 21 Un pozzo per la CO2 è la sua dissoluzione nell’acqua di mare Il processo che porta alla formazione del CaCO3 insolubile è molto lento Una molecola di CO2 rimane nell’atmosfera per oltre un secolo Fossa delle Marianne Es. di progetto scientifico per individuare pozzi sconosciuti della CO2 22 Flusso annuale di CO2 nella e dall’atmosfera in gigatonnellate di carbonio PERIODO 2000-2009 1 Gt = 109 t 23 Tasso annuo di aumento della CO2 Emissione di gas dalla combustione Negli anni 90’ le emissioni sono incrementate 5.4 Gt (anni 80’) 6.3 Gt (anni 90’) 24 25 BIOSSIDO DI CARBONIO In buona approssimazione, la quantità di calore emesso dalla combustione di una sostanza a base di carbonio è direttamente proporzionale alla quantità di ossigeno consumata C + O2 CH2 + 1,5 O2 CH4 + 2O2 Oceani CO2 CO2 + H2O CO2 + 2H2O CO2(g) + H2O(aq) + CaCO3(s) carbone petrolio metano Ca2+ + 2HCO3- 26 L’acqua è il principale gas serra! Le tre vibrazioni fondamentali della molecola di H2O triatomica non lineare (3n – 6 = 3) simmetrico 2.74 m Per singola molecola meno efficiente della CO2 FEEDBACK POSITIVO 5.5-7.5 µm stretching bending asimmetrico 2.66 m angolo HOH 6.27 m L’assorbimento della luce che porta ad aumenti dell’energia rotazionale delle molecole di acqua senza cambiamenti dell’energia vibrazionale elimina la radiazione IR termica di lunghezza d’onda superiore a 18 m 27 GAS SERRA 28 METANO Le vibrazioni di piegamento del legame H-C-H assorbono ad una lunghezza d’onda di 7.7 µm, una frazione di fotoni maggiore della CO2 (che però è presente nell’atmosfera a concentrazioni maggiori). FONTI DI METANO ATMOSFERICO (ORDINE DECRESCENTE): luoghi umidi, combustibili fossili, le discariche dei rifiuti, i ruminanti, le risaie e le combustioni di biomassa, produzione energia idroelettrica Gas di palude 2(CH2O polimerico) CH4 + CO2 29 Reazioni del CH4 nella troposfera CH4 + OH• CH3• + H2O nella stratosfera O* + CH4 OH• + CH3• OH• + CH4 CO2 CH3• + H2O Il vapor acqueo presente nella stratosfera agisce come gas serra contribuendo al riscaldamento complessivo dell’atmosfera. 30 Variazione della concentrazione atmosferica di metano 31 VARIAZIONE DEL METANO NELL’ULTIMO MILLENNIO 0.75 ppm 1.77 ppm (2002) FLUTTUAZIONE DEL TASSO DI AUMENTO NEGLI ULTIMI DECENNI VARIAZIONE DEL METANO NEGLI ULTIMI DECENNI Stabilizzazione delle emissioni dalle risaie in Cina e diminuzione delle emissioni dai gasdotti 32 Temperature più elevate potrebbero accelerare il decadimento anaerobio della biomassa retroazione positiva! La velocità di decomposizione della biomassa dipende dall’umidità del terreno e quindi dall’entità delle precipitazione ??? Metano nel permafrost 33 Nei fondali oceanici e nelle piattaforme continentali: idrati di metano CH4 • 6H2O clatrato Tfusione = + 18 °C Scenario peggiore prevedibile: fuga dall’effetto serra deviazione delle correnti oceaniche 34 Datazioni col metodo del 14C La collisione della radiazione cosmica con l’atmosfera produce neutroni ad alta energia I neutroni urtando nuclei di azoto formano piccole quantità di carbonio 14C n+14N p+14C 14C e ossigeno si combinano in 14CO2 radioattivo Tutte le piante della nostra terra assimilano CO2 normale e accanto ad essa CO2 radioattivo L’animale mangia L’uomo mangia le piante che gli animali e le contengono 14C piante che contengono 14C Dopo la morte dell’uomo, dell’animale e della pianta il 14C decade con tempo di dimezzamento di 5730 anni. Il rapporto tra 14C e 12C permette di trarre conclusioni circa l’età della materia organica 35 Datazione attraverso il 14C Nel CH4 atmosferico, la frazione media di 14C ha un valore inferiore a quello che si riscontra nei tessuti viventi Il metano “vecchio” deriva come sottoprodotto dell’estrazione dei combustibili fossili. Inoltre deriva dalla perdita dei gasdotti e dallo scioglimento del permafrost 36 Protossido di azoto N2O Vibrazioni da piegamento IR 8.6 µm (NNO) stiramento IR 7.8 µm Non esistono pozzi nella troposfera….206 volte + efficace del CO2 Nella stratosfera avviene la decomposizione fotochimica a N2 e O 37 Da 275 ppb nell’epoca preindustriale a 323 ppb nel 2010 ( + 17%) 38 Produzione di protossido di azoto (ciclo biogeochimico) liberazione dagli oceani (naturale) fertilizzanti a base di nitrati e di ammonio combustione di combustibili fossili marmitte catalitiche procedimento di sintesi dell’acido adipico nylon 39 ambiente anaerobio La nitrificazione è più importante della denitrificazione come fonte globale di N2O ambiente aerobio 40 CFC Hanno grande persistenza Assorbono fortemente le radiazioni di lunghezze d’onda della regione finestra Regione finestra dell’atmosfera (8-13 µm) 41 CFC Vibrazione di stiramento del legame C—F 9 µm Gli HCFC e gli HFC assorbono meno efficientemente nel centro della regione finestra ed inoltre hanno una inferiore vita media nell’atmosfera Perdite dell’HFC-134a dai condizionatori delle auto ha un impatto sul riscaldamento globale pari al 4-5% di quello prodotto dalla CO2 emessa dalle auto stesse 42 Il riscaldamento prodotto dai CFC è annullato da un altro effetto da essi indotto nella stratosfera per la distruzione dell’ozono. O3 + UV O + O2 reazione esotermica Distruzione O3 comporta che una quantità maggiore di radiazione UV può raggiungere la superficie terrestre. Utilizzo dei CFC nella produzione di pannelli isolanti ha ridotto le emissioni di CO2 43 ESAFLUORURO DI ZOLFO SF6 Efficienza 23900 volte superiore a quella del CO2 ai fini del riscaldamento globale Persistenza nell’atmosfera di 3200 anni! Nel 2010 la sua concentrazione atmosferica era di 7,0 ppt Utilizzato come gas isolante in apparecchiature elettriche ed alcune industrie produttrici di semiconduttori 44 OZONO Vibrazione da stiramento del legame O—O simmetrico 9-10 µm (regione finestra) antisimmetrico 5.7 µm (minima la quantità IR in uscita) Vibrazione da piegamento 14.2 µm molto vicina a quella della CO2 Fonti: centrali termoelettriche, veicoli a motore NO2• O + O2 NO• + O O3 Circa il 10% dell’aumento potenziale di riscaldamento dell’atmosfera è dovuto all’incremento dell’ozono troposferico 45 Aerosol particelle solide o liquide sospese in aria e con un diametro inferiore a 1 micron (µm) Gli aerosol ricchi di solfato della troposfera riflettono la luce solare nello spazio più efficientemente di quanto la assorbano (albedo) 46 Aerosol Raffreddano l’aria sottostante riducendo l’effetto serra Effetto indiretto AEROSOL SOLFATO FONTI: ossidazione del dimetilsolfuro (CH3)2S (fitoplancton marino) ad SO2, acido solforico o ad acido metansolfonico CH3SO3H Interazione della luce con le particelle sospese in atmosfera Maggiore riflessione da parte di minuscole goccioline di acqua Nerofumo calore Retroazione negativa! 47 1991: Emissione di 30 milioni di tonnellate di SO2! 48 Quantità di luce solare riflessa nello spazio da aerosol di origine umana attraverso il meccanismo diretto, espressa in watt per m2 di superficie terrestre. 49 Contributi al riscaldamento e al raffreddamento globale 50 Periodo 2001-2005 rispetto alla media del periodo 1951-1980 51 La regione dell’Artide ha registrato un riscaldamento maggiore Il ghiaccio marino sta scomparendo Effetto di retroazione positivo (il ghiaccio riflette la luce solare in modo più efficiente dell’acqua) 52 Tendenza delle precipitazioni globali medie annuali dal 1901 al 1998. Si prevede un aumento complessivo delle precipitazioni globali a causa del riscaldamento dell’acqua che rende più rapida l’evaporazione. 53 Temperature globali dell’aria superficiale osservate (curva nera) e simulate (curve grigie) mediante differenti modelli 54 55 Il livello del mare negli ultimi 50 anni si è innalzato di circa 6 cm 56 Segni del riscaldamento globale Gli inverni si sono accorciati di circa 11 giorni; La copertura di ghiaccio della Terra si sta riducendo; Il riscaldamento dell’acqua sta uccidendo gran parte dei coralli delle barriere coralline oceaniche; Le malattie infettive trasmesse dalle zanzare hanno raggiunto latitudini più elevate; Aumento del livello del mare di circa 10 cm dal 1940; Aumento delle precipitazioni in alcune aree; Aumento delle manifestazioni climatiche estreme. 57 Sequestro della CO2 in fondali marini Dissoluzione del CO2 gassoso direttamente nell’acqua del mare: CO2 + H2O = H2CO3 H2CO2 = H+ + CO3- Il pH dell’acqua dell’oceano potrebbe scendere di alcuni decimi di unità. Iniezioni del gas a moderate profondità, 200-400 m, produrrebbero un buon risultato a patto che il fondale marino presenti una inclinazione sufficiente a permettere alla densa acqua ricca di CO2 di essere trasportata per effetto della gravità a profondità maggiori. 58 • Pompaggio della CO2 sotto terra in rocce porose (Hawaii, Norvegia in arenarie a 1000 m di profondità nel mare del Nord; • Pompaggio in giacimenti svuotati di petrolio e gas naturali • Pompaggio in acquiferi salini (rocce porose contenenti acqua salata) • Formazione di sfere giganti di CO2 solido (ghiaccio secco), T<79°C • Catturare e concentrare la CO2 facendo passare il gas attraverso un solvente consistente in una ammina R2NH 59 TEMPO DI PERMANENZA NELL’ATMOSFERA DI GAS IN TRACCE velocità di immissione = R Generalmente la velocità di eliminazione attraverso un pozzo è direttamente proporzionale alla concentrazione C della sostanza nell’ambiente: cinetica del primo ordine. velocità di eliminazione = kC Raggiunto lo stato stazionario dC/dt = 0 v di immissione = v di eliminazione kC = R Css = R / k 60 La velocità di eliminazione o perdita di una sostanza viene espressa in termini di periodo di emivita. Periodo di emivita t0,5 è il tempo necessario perché metà della sostanza decada: t0,5=0,693 / k Css = R / k Css = R t0,5 / 0,693 Ogni gas dell’atmosfera allo stato stazionario possiede un proprio caratteristico tempo di residenza o tempo di permanenza, tmed, corrispondente al tempo per cui le sue molecole esistono nell’aria prima che il gas stesso sia rimosso. In condizioni di stato stazionario, il tempo medio di permanenza di un gas nell’atmosfera è: tmed = Css/R 61