Effetto serra - Dipartimento di Chimica

EFFETTO SERRA
Bilancio termico della Terra
• Insolazione 19,2 Kcal/m2 min
• 50% riflessa e assorbita dall’atmosfera
• 50% trasmessa (99% diffusione, 1%
conduzione e convezione)
Gas serra e spettro IR
• H2O assorbe 7-8,5 µm e 11-14 µm
• CO2 assorbe nel range 12-16,3 µm
• Finestra di fuga nel range 8,5-11 µm
L’anidride carbonica: la causa principale dell’effetto serra accelerato (dovuto
alle attività umane) è l’anidride carbonica (CO2), responsabile per oltre il 60% di
questo effetto accelerato. Nei paesi industrializzati, il CO2 costituisce oltre l’80%
delle emissioni di gas ad effetto serra.
La quantità di carbonio sulla terra non è illimitata e, come l’acqua, il carbonio ha
un suo ciclo – il ciclo del carbonio. Si tratta di un sistema complesso nel quale il
carbonio passa attraverso l’atmosfera, la biosfera terrestre e gli oceani. Le piante
assorbono CO2 dall’atmosfera durante la fotosintesi, utilizzano il carbonio per
sviluppare i loro tessuti, e lo restituiscono all’atmosfera quando muoiono e si
decompongono. Anche il corpo degli animali (e degli uomini) contiene carbonio
proveniente dai vegetali – e dagli animali – di cui si nutrono. Questo carbonio
viene rilasciato sotto forma di CO2 durante la respirazione e, dopo la morte,
durante la decomposizione.
I carburanti fossili si formano in presenza di determinate condizioni dai resti di
piante e animali fossilizzati nel corso di milioni di anni e appunto per questo sono
così ricchi di carbonio. In generale, il carbone è quanto resta delle foreste
seppellite mentre il petrolio deriva dalla conversione della vita sottomarina. (Gli
oceani assorbono CO2 che, in forma disciolta, è utilizzato nella fotosintesi delle
forme di vita acquatiche.)
Ogni anno vengono scambiati naturalmente molti miliardi di tonnellate di carbonio
fra l’atmosfera, gli oceani e la vegetazione terrestre. I livelli di anidride carbonica
sembrano avere subito variazioni massime del 10% durante i 10.000
Vapore acqueo: processi di retroazione
II vapore acqueo: il principale gas a effetto serra è il vapore acqueo
responsabile per circa due terzi dell’effetto serra naturale. Nell’atmosfera, le molecole
di acqua catturano il calore irradiato dalla terra diramandolo in tutte le
direzioni, riscaldando così la superficie della terra prima di essere irradiato
nuovamente nello spazio.
Il vapore acqueo atmosferico è parte del ciclo idrologico, un sistema chiuso di
circolazione dell’acqua – una risorsa non infinita – dagli oceani e dai continenti verso
l’atmosfera in un ciclo continuo di evaporazione, traspirazione,condensazione e
precipitazione.
L’aumento della concentrazione di vapore acqueo prodotto dal riscaldamento globale
a opera di CO2 produce un ulteriore innalzamento del riscaldamento globale per
effetto dell’ H2O. Questo effetto è una retroazione positiva: verificarsi di un
risultato che di per sé rinforza ulteriormente il risultato del fenomeno stesso
Gas serra - Metano
•
CH4 assorbe 7,7 µm
•
Rilasciato nell’atmosfera, il metano intrappola il calore con un’efficienza 23 volte superiore
a quella del CO2, anche se il suo ciclo è più breve, fra i 10 e i 15 anni.
•
Il metano è originato principalmente dai batteri che si nutrono di materie organiche in
condizioni di mancanza di ossigeno e viene rilasciato da varie fonti di origine sia naturale
sia – prevalentemente – umana. Fra le fonti naturali si annoverano le zone umide e
paludose, le termiti e gli oceani. Le fonti di origine umana sono costituite dall’attività
mineraria e dallo sfruttamenti dei combustibili fossili, dall’allevamento di bestiame (gli
animali si nutrono di piante che fermentando nel loro stomaco esalano metano, contenuto
anche nel letame), dalla coltivazione del riso (le risaie producono metano in quanto le
materie organiche al suolo si decompongono in mancanza di ossigeno sufficiente) e dalle
discariche (anche in questo caso, le materie organiche si decompongono in mancanza di
ossigeno sufficiente).
Gas serra – Ossido nitroso
L’ossido nitroso (N2O) è emesso naturalmente dagli oceani (3.8 Tg), dai
terremoti (6,6 Tg)dalle foreste pluviali e dai batteri presenti nel suolo.
Le fonti ascrivibili alle attività umane comprendono i fertilizzanti a base di
nitrati, la combustione di combustibili fossili e la produzione di prodotti
chimico-industriali con uso di azoto, per esempio nel trattamento dei liquami.
Nei paesi industrializzati, l'N2O è responsabile del 6% circa delle emissioni ad
effetto serra. Come il CO2 e il metano, l’ossido nitroso è un gas le cui molecole
assorbono il calore che cerca di sfuggire nello spazio, e ha una capacità di
assorbimento del calore 206 volte più elevata del CO2. Dall’inizio della
rivoluzione industriale, le concentrazioni di ossido nitroso nell’atmosfera sono
aumentate del 16% circa, contribuendo per un 4 - 6% all’accelerazione
dell’effetto serra (da 275ppb a 323 ppb)
Gas serra – CFC
Sono gli unici gas ad effetto serra che non esistono in natura ma sono stati
sviluppati dall'uomo a fini industriali.
Contribuiscono all’1,5% delle emissioni dei paesi industrializzati, ma sono
estremamente potenti: sono in grado di intrappolare fino a 22.000 più calore del
CO2
– e rimangono nell’atmosfera per migliaia di anni.
I gas fluorurati ad effetto serra includono gli idrofluorocarburi (HFC) utilizzati a
fini di raffreddamento e refrigerazione, inclusa l’aria condizionata; l’esafluoro di
zolfo (SF6), utilizzato tra l’altro nell’industria elettronica; e i perfluorocarburi
(PFC), emessi durante la manifattura dell’alluminio e utilizzati anch’essi
nell’industria elettronica. Probabilmente i più famosi di questi gas sono i
clorofluorocarburi (CFC), che sono inoltre responsabili dell’impoverimento dello
strato di ozono.
Gli aereosol provocano effetti che
modificano il clima
•Le particelle atmosferiche riflettono e/o assorbano la luce
solare
• Alcune particelle hanno un significativo valore di albedo;
riflettendo la luce solare c’è un raffreddamento della massa
d’aria (aereosol di solfato)
•Alcune particelle assorbono invece la luce solare e quindi
condividono calore (assorbito come energia) con le molecole
circostanti e di conseguenza favoriscono aumento di calore
(nerofumo).
Aereosol di nerofumo
•Vita media particelle di nerofumo: qualche settimana.
Tuttavia il nerofumo continua ad esercitare la sua azione
quando si deposita sulla neve.
• Paesi in via di sviluppo immettono grandi quantità di
nerofumo
•A livello globale contribuisce al riscaldamento. Al livello
locale potrebbe portare un raffreddamento perché impedisce
alla luce solare di giungere a terra.
•Il clima locale: siccità o inondazioni
Aereosol di solfato
• Gli aereosol di solfato puri non assorbono la luce solare
(UV,vis, IR)
• Se incorporano fuliggine hanno un assorbimento
significativo
• Gli aereosol troposferici riflettono la luce solare nello
spazio, aumentando l’albedo.
• Effetto indiretto: le particelle di solfato agiscono come
nuclei per la formazione di piccole goccioline d’acqua le
quali sono più efficaci nel retroddifondere la luce di una
uguale massa di particelle più grandi; le goccioline più
difficilmente coalescono in gocce di pioggia, pertanto le
nubi hanno vita lunga e quindi riflettono per periodi
maggiori.
Aereosol e riscaldamento globale
L’effetto di raffreddamento da aereosol di solfato di verifica
solo nell’emisfero Nord perché più industrializzato.
Esempio: Eruzione del vulcano Pinatubo nelle Filippine nel
1991
Inizialmente le particelle di cenere vulcanica contribuiscono
ad un riscaldamento. Ma l’aria al livello del suolo subì un
forte raffreddamento perché si formò aereosol di solfato
dall’ossidazione di SO2.
Diminuzione di temperatura di 0.2°C nel 1992-1993 dovuta al
raffreddamento vulcanico.
Estati fredde in America Settentrionale
Aereosol e riscaldamento globale
L’effettodi raffreddamento da aereosol di solfato di verifica
solo nell’emisfero Nord perché più industrializzato.
La vita media di un aereosol di solfato ne preclude la
diffusione nell’emisfero sud (0.4 um diametro). Dato il
diametro si pensa che possano trovarsi per diversi anni in
atmosfera ma vengono facilmente eliminate dalla pioggia.
Il riscaldamento globale: geografia
•
Le temperature al di sopra della terraferma si sono innalzate più di quelle al di
sopra dei mari
•
La regione Antartide si è riscaldata più di tutte, il ghiaccio marino sta
scomparendo.
•
Lo scioglimento del ghiaccio marino produce un effetto di retroazione positiva: il
ghiaccio riflette la luce solare più dell’acqua liquida.
Retroazione negativa: evaporazione acqua ha creato formazione di nuvole
Causa aumento: Antartide potrebbe dunque essere legato
• Diminuzione di aereosol di solfato (Europa e Nord America)
• Aumento di nerofumo che riscalda aria (Asia)
Modelli di circolazione globale
Le nubi possono raffreddare o riscaldare l’atmosfera
Nubi a bassa quota: sono calde quindi emettono in tutte le direzioni
l’energia assorbita invece di trasformarla in calore. Poiché una parte
della radiazione IR viene riemessa verso il suolo, la superficie viene
comunque riscaldata (notti in cui è nuvolo fa più caldo) Tuttavia, il fatto
che la radiazione IR viene riemessa fa si che le nubi non provochino un
riscaldamento netto della terra. Motivo per il quale dopo un giorno di
copertura nuvolosa la Tessa si raffredda
Nubi ad alta quota: sono fredde e assorbono la radiazione IR emessa
dalla terra senza riemetterne una quantità significativa; tutta l’energia
assorbita genera quindi calore
L’effetto serrà quale nubi produrrà? Quale sarà la retroazione?
CONSEGUENZE DEL RISCALDAMENTO DEL
PIANETA
La siccità è uno dei problemi più seri che potrebbe derivare dai cambiamenti
climatici dovuti al riscaldamento per effetto serra che porterebbe ad una
diminuzione della piovosità e ad una maggiore evaporazione
Lo scioglimento dei ghiacci potrebbe avere delle conseguenze devastanti sia
per quanto riguarda le alterazioni ambientali delle zone artiche sia per quanto
riguarda l’innalzamento del livello dei mari
Molti altri problemi si potrebbero avere con gli infestanti di piante ed animali
come insetti, erbacce, malattie e roditori che probabilmente prospererebbero
in condizioni di riscaldamento
Infine è interessante notare come l’SO2 che causa le piogge acide possa essere
benevolo per l’effetto serra. Le nubi contenenti tale gas infatti riflettono
maggiormente la luce solare diminuendo la quantità di luce che arriva sulla
terra e quindi anche quella riemessa da questa
Interventi di geoingegneria per
combattere il riscaldamento globale
•
Il primo metodo consiste nel riflettere nello spazio una piccola frazione della luce
solare diretta verso la Terra
•
Il secondo metodo consiste nel rimuovere il biossido di carbonio dall’aria e
immagazinarlo
• Solar radiation management (SRM)
SRM basato su superfici metalliche riflettenti nello spazio (particelle
microscopiche o oggetti macroscopici)
• Rimozione ed immagazinamento di
CO2
SRM basato sull’uso di superficie metalliche
riflettenti
Uso di milioni di dischi di silicio del diametro di 60 cm. Ogni disco sarebbe controllato via
radio dalla terra con delle pinne a specchio alimentate ad energia.
Ogni disco sarebbe inoltre costituito da una serie di fori attraverso i quali e del diametro
tale che la radiazione visibile che li attraversa venga dispersa. Nel loro insieme
getterebbero una piccola ombra sulla Terra, diminuendo leggermente la luce che
raggiunge l’atmosfera e la superficie terrestre.
Costi di gestione altissimi, tempi di sviluppo notevoli.
SRM basato sull’aumento di aereosol di solfato
in stratosfera
La proposta di bioingegneria sarebbe quella di
aumentare in misura notevole e in modo artificiale
la concentrazione di queste particelle di aereosol
di solfato (o analoghe particelle riflettenti) nella
regione inferiore della stratosfera al fine di
riflettere una frazione significativa ulteriore di luce
solare incidente, impedendole di raggiungere la
troposfera e la superficie terrestre
Impatti negativi della geoingegneria
Influenza su clima: seppur riducendo le temperature
influenzerebbero il clima in altro modo
• diminuzione di precipitazione a causa della riduzione
artificiale della luce solare
• Diminuzione dello strato di ozono stratosferico
Metodo
Efficacia
Accessibilità
Velocità di implementazione
Sicurezza
Alta
Da bassa a
molto bassa
Molto bassa
Media
Alta
Alta
Alta
Media
Media
Media-alta
Bassa
(problemi
legati alla
pioggia)
Bassa
(quadri
climatici)
Molto alta
Alta
Molto bassa
Dischi nello
spazio
Aereosol
nella
stratosfera
Sbiancamen Bassa-media
to delle nubi
Imbiancame Molto bassa Molto bassa
nto di tetti e
strade
Riflettori nei Da bassa a Molto bassa
deserti
media
Sequestro di CO2
• Cattura reversibile
• Ossicombustione
• Conversione di combustibile
fossile in idrogeno gassoso
Immagazinamento di CO2
• Scarico nelle profondità oceaniche
o nel sottosuolo
• Eliminazione del CO2 neutralizzato
Nuove tecnologie per la cattura di CO2
Tecnologia
Vantaggi/Svantaggi
Cattura tramite ammine
Molta energia, decomposizione
causata da SO2
Cattura tramite carbonato
Meno energia (120°C)
Ricircolo del carbonato
Decomposizione del carbonato è
altamente endotermico e
richiede alte T. CaO si disattiva
rapidamente, aggiunto sempre di
fresco.
Composti del litio (Li4SiO4)
Assorbe a T basse, desorbe a T
più alte
Estrazione con solventi
Meno calore dell’assorbimento
chimico. Utilizzo di liquidi ionici
Separazione tramite membrane
Processo buono per purificazione
di gas naturale. Costoso
Stati fisici della CO2
• A condizioni standard è un gas
• CO2 è un liquido a T basse (± 12°C)
• CO2 è un fluido supercritico ad alte
T (> 31°C) e alte P (> 73 atm)
Scarico di CO2 nelle profondità oceaniche
• A profondità 200-400 mt CO2 si diluisce in acqua e torna
in superficie (10 anni)
• Più siamo in profondità e maggiore è il tempo di
permanenza del gas (a 500mt circa 100 anni).
• A profondita >2700m la CO2 è tanto compressa da essere
più densa dell’ H2O
Ad oggi….
• La soluzione migliore sembra quella di intrappolarlo
come Ca(HCO3)2.
• Stoccaggio nei sedimenti