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IL MUTAMENTO CLIMATICO: PROCESSI NATURALI E INTERVENTO UMANO
17 - 18 maggio 2012
Accademia delle Scienze di Torino
Modifiche ambientali nell’età industriale
A. Zecchina
Scuola di Studi Superiori dell’Università degli Studi di Torino
SSST
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Scuola di Studi Superiori dell’Università degli Studi di Torino
SSST
Appunti presi dal corso
“Energia, clima e sostenibilità”
Popolazione e industrializzazione
Sviluppo della Popolazione nei millenni : uno sguardo
Sviluppo
industriale
Malthus
Considerato l’enorme sviluppo della popolazione avvenuta nel secolo XX queste
considerazioni hanno sollevato molti interrogativi e alimentato previsioni pessimiste.
Sviluppo
industriale
Lo sviluppo delle conoscenze “scientifiche” nei millenni
Cu
Malachite
Azzurrite
Turchese
Solfato di
rame
Popolazione mondiale :circa 35 milioni
Greco- latino
Periodo egizio
Ematite
Ocra gialla
C
fuoco
Sn
cassiterite
Pb
galena
biacca
litargirio
minio
Au sale
As
realgar
orpimento
Fe
ematite
Calce
s Sb
magnetite
Carbonato
Solfato di
di calcio
ferro
Na2CO3
Solfato di
(natron)
calcio Ag
Hg
cinabro
ossido Bi
Zn
Blenda
Zn solfato
Ac acetico
Alcool etilico
lapislazuli
0
←Fermentazione →
1000
Vetro,ceramiche
Cu→
→
Impero Romano: 40 milioni
Roma: 1 milione
← Malachite
← Azzurrite
← Turchese
← Solfato di rame
Alchimia
………..
Ematite →
Ocra gialla→
c
fuoco
← cassiterite
← galena
biacca→
litargirio→
minio →
……
Au
As→
←realgar
orpimento
Sn→
→
Pb→
→
sale
Fe
Sb
Ag
Calce
Carbonato di calcio
Solfato di calcio
←Fermentazione →
Solfato di rame
Solfato di ferro
H2SO4
HCl
HNO3
Acqua regia
Ac acetico
Alcool etilico
s
Na2CO3
(natron)
lapislazuli
Bi
Zn
Blenda
Zn solfato
Acido acetico
Alcol etilico
vetro
HgS
Cl
Dall’alchimia alla scienza chimica
Mn
Popolazione mondiale 1900: 2 miliardi
Parigi: 2.7 milioni
Londra:6.5 mil
Mosca:1 mil
Vienna:1mil
Berlino: 2mil
New York:3.5 mil
Stahl:
flogisto
Popolazione mondiale 1750: 700milioni
Parigi
500000
Londra
700000
Mosca
250000
Vienna
250000
Berlino
120000
New York 100000
Torino
60000
Co
CO2
SO2
CH3OH
1000
Gassendi
Giordano Bruno
Alchimia
O
Ar
Kr
Y Ne
Sc Xe
F
Ge
He La
Cs
Ru
Rb
Ce Si
Os Al
Ir
Rh
Na
Ca
La nascita
della
Chimica
come
scienza
Pt
Paracelso
Avicenna
Ba
Mo
W
Sr
Ti
U
Cr
V
Pd
N
1500
Ni
P H
Acetone
Ac.formico
I
Li
Cd
Mendeleev
Meyer
Berzelius
Priestley
Cannizzaro
BoyleVolta Avogadro
Newton Dalton
2000
Cavendish,Hooke
Chimica
Proust , Lavoisier
Fisica, Termodinamica
e Ingegneria
Carnot
Kelvin
Joule.
Newcomen
Watt
Trevithick
1000
1500
Sviluppo della
Fisica, della
Termodinamica
e delle macchine
a vapore.
Con queste inizia
lo sfruttamento
intensivo del
carbone
2000
Il novecento:
un secolo di impetuoso
sviluppo della chimica
… e della Fisica:
(Relatività
Meccanica quantistica
Astrofisica
… )
(Milioni di nuove molecole organiche
I grandi processi industriali
(NH3,H2SO4,HNO3…)
Petrolchimica, catalisi
I polimeri, plastiche, fibre tessili
Biochimica
Chimica farmaceutica
Incontro con la meccanica quantistica
Spettroscopia molecolare
Chimica computazionale)
………
1000
1500
e delle scienze biologiche
e della medicina
etc etc
1750
2000
Fritz Haber: premio Nobel 1918 (consegnato
nel 1919)
Motivazione:
The synthesis of ammonia from its
elements
3H2 + N2 → 2NH3
La sintesi dell’ammoniaca fu ottenuta con catalizzatori a base di
particelle di rodio supportate su allumina.
Il catalizzatore a base di rodio fu poi sostituito da un catalizzatore a
base di ferro ( ancora utilizzato).
Studi successivi hanno provato che catalizzatori a base di rutenio sono
ancora più efficienti ( anche se non in uso per ragioni economiche )
Popolazione e risorse
Sviluppo della Popolazione nei millenni : uno sguardo
Sviluppo
industriale
Malthus
Considerato l’enorme sviluppo della popolazione avvenuta nel secolo XX queste
considerazioni hanno sollevato molti interrogativi e alimentato previsioni pessimiste.
Thomas Malthus
Nel 1798 Thomas Malthus, in seguito ai suoi studi sul
depauperamento delle risorse del pianeta dovute alle attivita’
produttive , ha concludeva che:
“ se la popolazione continua ad aumentare con una progressione
geometrica e le risorse in modo lineare esistera’ un punto di
incontro fra le due curve al disopra del quale le risorse non
risulteranno sufficienti per alimentare la popolazione e quindi
l’umanità andrà incontro ad una grave carestia”.
Club di Roma
(1968)
Nell’aprile del 1968 un gruppo di persone impegnate in attivita’
professionali qualificate si e’ incontrato a Roma, dietro invito
dell’industriale Augusto Peccei e dello scienziato scozzese
Alexander King.
Lo scopo era di riesaminare e eventualmente rinverdire il
messaggio malthusiano sul depauperamento delle risorse del
pianeta.
In tale ambito il gruppo, battezzato Club di Roma,
commissiono’ nel 1971 ad un gruppo di ricercatori del MIT
guidato da Jay W. Forrester, esperto di dinamica dei sistemi,
una simulazione sul futuro del nostro pianeta .
I risultati sono stati pubblicati in un rapporto intitolato
“The limits to growth”
il quale esordiva affermando che restavano dieci anni per
impegnarsi in un programma per il risanamento dell’ambiente .
Popolazione e consumo di energia
Andamento del consumo
mondiale
di energia tra
il 1850 e il 2000.
Incremento della polazione
nello stesso periodo
E’ evidente che il
consumo di energia
cresce molto
più velocemente
della popolazione!
Energia: la situazione attuale
About 85% comes from oil, gas and coal
CO2 è il rifiuto principale dell’uso dei combustibili fossili
che forniscono circa 80% dell’energia
consumata sulla terra.
C+ O2 → CO2
CnH 2n+2 + O2 → nCO2 +( n+1)H2O
n=1 metano
n=2 etano
n=3 propano
…….
L’anidride carbonica
La concentrazione di anidride carbonica
+2.54
negli ultimi 50 anni
+2.08
+2.87
+2.00
+2.55
+1.17
+0.67
Source: National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory (CMDL), Carbon Cycle Greenhouse Gases
La concentrazione di anidride carbonica
Carbon dioxide levels over the last 60,000 years
negli ultimi 60000 anni:un dettaglio
L’aumento senza precedenti della
CO2 negli ultimi cento anni è evidente
Nulla di simile è mai avvenuto nel passato.
379ppm
379ppm
(2004)
(2004)
Source University of Berne and National Oceanic and Atmospheric Administration
Popolazione
Anidride carbonica
E’ evidente che
aumento della
popolazione ,
industrializzazione
e aumento della
CO2
sono correlati
strettamente
Siamo nel cosiddetto Antropocene
(Paul Crutzen premio Nobel per la Chimica 1995)
Epoca storica iniziata con l’uso dei combustibili
fossili, caratterizzata da profonde
“impronte”lasciate dall’uomo sulla Terra.
Energia radiazione solare (100%)
Energia radiazione riflessa ( albedo) (30%)
N2, O2 ,CO2,CH4
Energia radiazione
emessa (70%)
o
N.B. La radiazione emessa ha il suo
massimo nell’infrarosso
Le vibrazioni dell’anidride carbonica
SOLO QUESTE DUE VIBRAZIONI
SONO ECCITATE DALL LUCE
INFRAROSSA
Circa 15 µ
( La loro eccitazione comporta
un assorbimento della luce di
lunghezza d’onda appropriata a circa 15
e4µ)
bending
Questa energia assorbita
dà origine ad un aumento della
temperatura della fase gassosa
( atmosfera) che circonda le
molecole assorbitrici (che quindi
funzionano da antenna).
Circa 4µ
stretching
simmetrico
Circa 2µ:
stretching
antisimmetrico
La temperatura negli ultimi mille anni
Tra Scilla e Cariddi
Diminuzione delle riserve e aumento della CO2: due
fenomeni simulatanei!
Necessaria una trasformazione in tempi abbastanza brevi.
Questa trasformazione richiede però tecnologie che non
sono ancora commercializzate, cosi’ come il
coordinamento degli investimenti, lo sviluppo delle
tecnologie, il dispiegamento delle infrastrutture. Pertanto
sarebbero richiesti profondi cambiamenti, per alcuni aspetti
incerti, con risvolti economici non indifferenti .
È su queste considerazioni che si basa la strada ormai
tracciata dalle direttive della Unione Europea:
“entro il 2020, i paesi membri della UE dovranno ridurre
le emissioni di anidride carbonica (-20%), ridurre il
consumo d'energia (-20%) e aumentare la quantità di
energia prodotta da fonti rinnovabili (+20%), per poi
raggiungere il più ambizioso obiettivo di ottenere l'80%
dell'energia da fonti rinnovabili entro il 2050”.
La risorsa petrolio
King Hubbert
(1957)
King Hubbert, un geologo americano , nel 1957 formula
una teoria per prevedere, fruendo della storia estrattiva di
un pozzo, la data della sua produzione massima.
La quantita’ di petrolio estratta ogni anno da un pozzo
segue, in funzione del tempo, una curva a campana il
cui massimo cade in corrispondenza di una quantità
rimanente nel sottosuolo pari al 50% di quella presente
nel momento in cui sono iniziate le estrazioni. Chiamata
URR (Ultimate Recoverable Resources).
Questo approccio gli ha permesso di
prevedere
correttamente il valore dell’ URR dei pozzi statunitensi.
Il picco di Hubbert
Estendendo il metodo di Hubbert alla valutazione aggregata
delle risorse mondiali di petrolio e’ risultato che l’anno del
picco avrebbe dovuto cadere prima della fine del secolo
scorso.
Previsione errata!
Tuttavia le valutazioni di Hubbert erano basate su dati
approssimati. Sulla base delle informazioni via via acquisite
il picco si è spostato gradualmente. Le previsioni piu’ recenti si
stanno orientando intorno al 2020.
Non si tratta tuttavia di una situazione soddisfacente
poiché le incertezze sono molto elevate.
Uso dei combustibili fossili: un breve episodio
nella storia dell’uomo.
Domanda:
C’è il pericolo concreto che riusciamo ad avvelenare il pianeta prima che
gli idrocarburi finiscano?
Non sarebbe meglio conservare questa ricchezza per altri scopi?
Le difficoltà nel prevedere il futuro
Nell’immediato dopoguerra venivano formulate le
seguenti previsioni sull’avvenire dell’energia:
-Entro qualche decina di anni sarebbe avvenuto l’avvicendamento
delle fonti fossili con la fissione nucleare
-Prima della fine del 20-simo secolo avrebbe avuto inizio
l’avvicendamento della fissione nucleare con la fusione nucleare.
Tutto sbagliato!
Nature 481, 433–435
(26 January 2012)
Climate policy: Oil's tipping point has
passed
by
James Murray and David King
Affiliations
James Murray is in the School of Oceanography, University of
Washington, Seattle, Washington 98195, USA. He was founding
director of the University of Washington's Program on Climate
Change.
David King is director of the Smith School of Enterprise and the
Environment, University of Oxford, Oxford OX1 2BQ, UK, and senior
science adviser to the bank UBS. He served as chief scientific
adviser to the UK government in 2000–07.
Le infrastrutture
Combustibili fossili: un immenso sistema di infrastrutture
La crisi mondiale : il problema dell’ energia
e dello sviluppo
In qualsiasi scenario l’energia dovra’ essere:
- abbondante
- basata sull’impiego di tecnologie innovative
- fruire , almeno transitoriamente, delle esistenti
infrastrutture
Una grande sfida!
In questo scenario si deve anche parlare della
sostenibilità dell’attuale tipo di sviluppo.
Sul futuro del pianeta ci sono ottimisti e
pessimisti.
Su questo problema c’è un antico proverbio che
ben si adatta.
“La sola differenza fra un ottimista ed un
pessimista è che il secondo è meglio informato”
Io non credo che si debba essere pessimisti.
Tuttavia penso che si debba essere ben
informati.
Questo è stato il criterio informativo delle lezioni
sella scuola superiore SSST.
… e il fotovoltaico?
Nella classifica della potenza fotovoltaica installata a fine 2011,
l'Italia (12,5 GW) è al secondo posto preceduta dalla Germania
(23,8 GW), ma davanti a Giappone (4,7 GW), Stati Uniti (4,2 GW),
Spagna (4,2 GW) e Cina (2,9 G W).
Il fotovoltaico installato in Italia durante il 2011 è in grado di
generare, su base annua, 12 miliardi kWh, pari all'energia che
avrebbe prodotto una delle quattro centrali nucleari da 1.600 MW
che il precedente governo intendeva costruire
Dobbiamo riacquistare, come ci dice T. Prince in The
Logic of Sufficiency (MIT Press), il senso del limite:
passare dal vizio del “di più” alla logica della
sufficienza; vivere, cioè, secondo l’etica della
sobrietà, della solidarietà e della responsabilità nei
confronti della Terra e di tutti i suoi abitanti, presenti
e futuri.
Il livello medio del mare misurato negli ultimi anni
40
∆MSL (mm)
30
20
10
0
-10
-20
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
Anni
L’aumento osservato è di circa 3 mm all’anno. Si tratta di tenere d’occhio
attentamente ogni segno di accelerazione
Aumento della siccità nelle zone del Sahel
All energy generation processes
are associated with waste
formation
Energy sources(oil, gas,coal, etc)
Industry,transports, food… :
CnH 2n+2 + O2 → nCO2 +( n+1)H2O;
Waste (CO2 etc )
Modelli di crescita della popolazione
realistico