Effetto serra

Effetto serra
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Bilancio energetico della Terra
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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
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nero!
Distribuzione delle lunghezze d’onda delle radiazioni
emesse dal SOLE e dalla superficie e troposfera della TERRA
LUCE VISIBILE 400-750 nm
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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.
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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
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LaluceIRèemessaconintensitàdifferentesiadalla
superficieterrestrechedall’atmosfera.
Piùuncorpoècaldo,piùenergiaemettealsecondo
Velocitàdirilasciodienergia=kT4
Desertoforteescursionetermicagiorno/notte
Nottinuvolosesonopiùcalde
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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.
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Effetto serra:
Raffreddamento
Stratosfera!
Flussidienergiasu
mediaglobalee
stagionalein
entrataeinuscita
dallaTerra,in
W/m2
EquilibrioIn– Outè
raggiuntoseanche
inuscitasihanno
235W/m2 ciò
comportaperòuna
emissionedalla
superficieterrestre
diben390W/m2
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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
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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
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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
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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
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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
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Intensità di radiazione IR che dovrebbe rilasciare la Terra in assenza
di effetto serra
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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
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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
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Altra fonte dovuta ad
deforestazione mediante
emissioni annue di CO2)
attività
incendi
antropiche è la
(circa 1/4 delle
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Carbonio emesso come CO2 (contenuto annuo) proveniente
dalla combustione di combustibili fossili. (Tg = 1012 g)
Attuale Tasso di crescita 1% annuo
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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
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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
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Flusso annuale di CO2 nella e dall’atmosfera in gigatonnellate di carbonio
PERIODO 2000-2009
1 Gt = 109 t
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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’)
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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-
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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
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GAS SERRA
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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
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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.
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Variazione della concentrazione atmosferica di metano
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Da 275 ppb nell’epoca
preindustriale a 323 ppb
nel 2010 ( + 17%)
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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
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ambiente anaerobio
La nitrificazione è più
importante della
denitrificazione come
fonte globale di N2O
ambiente aerobio
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CFC
Hanno grande persistenza
Assorbono fortemente le radiazioni di lunghezze d’onda della
regione finestra
Regione finestra
dell’atmosfera
(8-13 µm)
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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
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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
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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
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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
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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)
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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!
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1991: Emissione di 30 milioni di tonnellate di SO2!
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Quantità di luce solare riflessa nello spazio da aerosol di origine umana
attraverso il meccanismo diretto, espressa in watt per m2 di superficie
terrestre.
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Contributi al riscaldamento e al raffreddamento globale
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Periodo 2001-2005 rispetto alla media del periodo 1951-1980
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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)
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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.
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Temperature globali dell’aria superficiale osservate (curva nera) e simulate
(curve grigie) mediante differenti modelli
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Il livello del mare negli ultimi 50 anni si è innalzato di circa 6 cm
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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.
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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.
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•
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
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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
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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
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