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!
