Sistema Terra 1
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Università dell’Insubria Corso di laurea Scienze Ambientali FISICA GENERALE Modulo su “Elementi di tematiche ambientali globali e dei processi fisici connessi” Il Sistema Terra in collaborazione con Landau Network Centro Volta Como Note a cura di M. Martellini e M. Zeni Queste note sono state in parte preparate con immagini tratte da alcuni testi e da Internet. Queste note sono da intendersi per uso interno del corso di Fisica Generale per gli studenti del Corso di Laurea in Scienze Ambientali, A.A. 2003/04 Il metodo della Fisica: dal dato al modello Un modello complesso Æ Il SISTEMA TERRA Obiettivi di queste lezioni: ¾ Descrizione delle caratteristiche principali del modello ¾ Descrizione della natura interdisciplinare delle competenze richieste ¾ Evidenziare i fenomeni e le quantità fisiche rilevanti nella descrizione del modello Lo schema del modulo Una rassegna delle componenti e problematiche principali del SISTEMA TERRA Atmosfera e riscaldamento globale Produzione di energia e fonti energetiche Radioattività, energia dal nucleo e scorie Il Sistema Terra Le componenti principali: L’Ambiente L’Uomo - Atmosfera e clima - Biosfera - foreste - biodiversità - ecosistemi - Acqua ed oceani - Benessere, salute, prosperità e consumi - Agricoltura e alimentazione - Economia e sviluppo - Risorse prime ed energetiche - Risorse idriche - Inquinamento Le componenti del sistema terra sono tutte legate ed interagenti. Æ La comprensione dei fenomeni e l’efficacia di ogni intervento debbono mantenere una visione d’insieme del sistema. Ogni decisione deve nascere da un’unione di considerazioni scientifiche, economiche, politiche ed umanitarie Æ È solo in tempi relativamente recenti che la necessità di una visione olistica delle tematiche ambientali è emersa con chiarezza Le competenze scientifiche: Processi fisici Processi biologici Processi chimici Modelli, simulazioni e calcolo Æ una reale arena interdisciplinare: - Atmosfera e clima ed il riscaldamento globale - La circolazione delle acque - I sistemi chimici e biologici - Uso delle risorse ed impatto ambientale (fonti energetiche, materie prime, …) Uno schema del Sistema Terra L’atmosfera terrestre È il principale dei “connettivi” che rendono interdipendenti i processi fisici, chimici e biologici e che rendono globale anche il singolo evento locale È governata da una fluidodinamica complessa Scambi di calore Circolazione atmosferica dell’acqua Composizione e scambi chimici – inquinanti In particolare, la circolazione di CO2 Æ Clima terrestre Interazione tra atmosfera e biosfera La sfera biologica ha un’interazione diretta con le proprietà dell’atmosfera. Un esempio: le oscillazioni annuali (estate-inverno) nella concentrazione di CO2 Il Clima Inteso principalmente come bilancio degli scambi termici ed energetici e delle precipitazioni tra atmosfera e biosfera Gli agenti: Radiazione solare Nubi Strato di ozono Il ciclo dell’anidride carbonica Inquinamento e polveri sottili Æ Effetto Serra e Riscaldamento globale Effetto Serra Insieme dei processi che regolano la dissipazione del calore assorbito dalla radiazione solare. È un processo naturale positivo senza il quale la Terra sarebbe mediamente più fredda di 33°C L’intervento sui processi che sono alla base dell’effetto serra, prevalentemente le emissioni di CO2, produce un riscaldamento globale dell’atmosfera È indubbio l’innalzamento medio della temperatura globale nella seconda metà del secolo scorso (in media circa ~ 0,5 °C nel XX° secolo) È controversa l’interpretazione delle cause e quindi anche la stima delle proiezioni future Alternanza naturale tra cicli di glaciazione Il ruolo dell’azione dell’uomo (uso di combustibili fossili, deforestazione, gas serra) I cicli di attività della corona solare “Elasticità” del Sistema Terra: se e come vengono prodotte azioni di “richiamo” rispetto alle oscillazioni termiche La controversia sulle interpretazioni e sulla formulazione dei modelli si riflette nelle proiezioni future Le stime sulle emissioni di CO2 dipendono da diverse ipotesi di scenari economici, politici ed industriali Una “forbice” da 1°C a 3,5°C; altre stime prevedono 1,5°C - 4,5°C Il riscaldamento dell’atmosfera Æ cambiamenti climatici Conseguenze: Desertificazione e degrado del terreno Riduzione habitat e biodiversità Innalzamento oceani e perdita di zone costiere Problemi sanitari (diffusione della malaria, infestanti in agricoltura,…) Altri fenomeni mutuamente concorrenti: deforestazione, inquinamento e particolato, la riduzione dell’ozono stratosferico, … Interrelazione tra mutamenti climatici e problematiche ambientali Interrelazione tra mutamenti climatici, agricoltura e produzione alimentare La proiezione sulle perdite di aree costiere L’innalzamento del livello degli oceani a causa del riscaldamento globale implica perdite di aree costiere n.b. osserva la forbice tra le due previsioni Innalzamento degli oceani ¾È dovuto al riscaldamento globale, principalmente a causa della dilatazione termica ¾Minore contributo dovuto allo scioglimento parziale di ghiacciai in montagna e a porzioni della copertura ghiacciata della Groenlandia ¾Ai poli invece, in particolare in Antartide, è previsto un aumento delle precipitazioni nevose Innalzamento stimato: 31-110 cm Contributi: Espansione termica oceani 28-66 cm Scioglimento ghiacciai montani 8-20 cm Scioglimenti ghiaccio in Groenlandia 3-23 cm Accumulo neve in Antartide - 7-0 cm Deforestazione Fenomeno avvenuto massicciamente in Europa negli scorsi secoli, per produrre energia e liberare aree agricole Æ Europa ha perso 50-70% foresta originale Complessivamente, si è persa il 20% della foresta originale Attualmente: Foreste delle aree temperate: sono in espansione Foreste pluviali : in riduzione di circa 0,46% all’anno Motivi: - cattiva gestione, per ex per liberare aree coltivabili - sfruttamento del legname pregiato - produzione di legna da ardere (nelle economie di questi paesi il 25% dell’energia in media viene prodotto da legname) N.B. L’abbondanza di varietà vegetali è maggiore nelle Foreste pluvialiÆmaggior rischio di perdita di biodiversità Cambiamenti climatici, attività umane e biodiversità Fattori di riduzione biodiversità ¾ La riduzione a macchia di leopardo della forestazione e occupazione aree umane ¾ Inquinamento ¾ Cambiamenti climatici I cambiamenti climatici influenzano direttamente la composizione varietale della vegetazione Influenzano la produzione agricola Diffusione anche degli infestanti agricoli L’aumento di temperatura e di CO2 atmosferico stimola la fotosintesi e modifica i cicli e gli equilibri biologici e la competizione naturale tra le diverse specie. In agricolture può portare mediamente ad un aumento del raccolto, ma prevalentemente nelle zone temperate. Nelle zone molto calde potrebbe esserci una diminuzione del raccolto Modifiche alla composizione varietale, una simulazione Æ Schema degli effetti su vegetazione dell’aumento di temperatura Schema degli effetti su vegetazione dell’aumento di concentrazione di CO2 Riduzione dello strato di ozono L’ozono stratosferico (15-50 Km) assorbe la radiazione ultravioletta più energetica (UV-B) 1985 nasce il problema del buco nell’ozono sull’Antartide La causa del buco è interamente riconducibile all’azione dell’uomo: Clorofluorocarburi (CFCs) – reagiscono chimicamente con l’ozono Riduzione strato di ozono Æ maggiore flusso di UV-B Æ tumori della pelle, cataratte, … Buco dell’ozono È un felice caso di cooperazione internazionale 1987 Protocollo di Montreal, 1990 Londra, 1992 Copenhagen, 1995 Vienna, 1997 Montreal, 1999 Beijing Un problema in parte sovrastimato?! Partiamo dai dati: Antarctic Hole L’incremento di radiazione UV-B dovuto alla riduzione dello strato di ozono è equivalente ad uno spostamento in latitudine verso l’equatore di 200 Km! Un capitolo a parte: la produzione energetica. Civiltà costruita sull’energia, in particolare sull’uso di combustibili fossili Quali risorse energetiche per il futuro? In particolare: Quali fonti di energia? Quali tecnologie? Quali e quante riserve? Le scelte hanno un riflesso diretto con le varie tematiche globali Inquinamento È legato alle attività e allo sviluppo umano Dipende dalle tecnologie e dalle scelte politiche adottate Influisce sui cambiamenti climatici I principali inquinanti: ¾ Particolati ¾ SO2 ¾ O3 ¾ Piombo ¾ Ossidi di azoto (NO e NO2) ¾ CO Particolati: Sono particelle solide di dimensioni variabili presenti nell’atmosfera Particelle di dimensioni colloidali sono chiamati aerosol: si distinguono aerosol per dispersione e aerosol per condensazione, questi ultimi in genere costituiti da particelle più piccole. Tanto inferiori sono le dimensioni delle particelle, tanto più potenzialmente dannose esse sono (maggiore facilità ad essere inalate nei polmoni). Gran parte del particolato in un aria inquinata è dovuta ad ossidi prodotti nella combustione di combustibili con alto contenuto di ceneri. È solo nell’ultimo decennio che si è compresa la pericolosità dei particolati Comparazione tra i diversi inquinanti, espressa in costi per persona Tutti gli inquinanti sono in diminuzione. N.B. il predominante ruolo dei PM10 Evidenze di una diminuzione generalizzata degli inquinanti, a fronte di uno sviluppo industriale e tecnologico incalzante PM10 e Piombo SO2 ed Ozono CO2 e NO2 Un esempio. L’inquinamento di Londra. Æ l’aria oggi è confrontabile con quella di inizio 1500!
