un esperimento controllato

Ambiente
Cambiamento
climatico:
un esperimento controllato
Gli scienziati stanno studiando sul campo le risposte di praterie e foreste a
cambiamenti di temperatura, precipitazioni e concentrazione di anidride
carbonica, in modo da fare previsioni sugli effetti del riscaldamento globale
in sintesi
■ I ricercatori
stanno
modificando i livelli di
temperatura, anidride
carbonica e precipitazioni su
porzioni di foreste, praterie
e aree coltivate per studiare
la risposta delle piante.
■ In
genere temperature
elevate e una maggiore
concentrazione di CO2
portano a una maggiore
crescita delle foglie o a una
migliore resa dei raccolti.
Questi fattori però possono
anche aumentare
l’infestazione da insetti
e indebolire la capacità
di difesa delle piante
da parassiti e malattie.
■ Futuri
esperimenti sul
campo, con cui manipolare
simultaneamente questi tre
parametri, permetteranno
di elaborare modelli migliori
riguardo le conseguenze
a lungo termine sugli
ecosistemi causate dal
cambiamento del clima.
84 LE SCIENZE
T
rent’anni fa Charles F. Baes Jr., chimico
dell’Oak Ridge National Laboratory, scrisse che la Terra era oggetto di un grande
«esperimento incontrollato». Secondo Baes, presto questo esperimento avrebbe mostrato le conseguenze globali del continuo aumento delle concentrazioni registrate per i gas serra. Oggi gli scienziati
sanno che deforestazione, uso del suolo e consumo
di combustibili fossili stanno riscaldando il pianeta. Però abbiamo meno certezze riguardo gli effetti che il cambiamento climatico produrrà su foreste
e praterie, oltre che sui beni e i servizi che questi
ecosistemi forniscono alla società.
Molte notizie relative al cambiamento climatico
riferite dai mezzi di comunicazione non sono frutto di esperimenti, ma di osservazioni. Gli scienziati
monitorano il ghiaccio artico, i ghiacciai ed eventi naturali come la comparsa primaverile delle foglie, e informano il pubblico quando i cambiamenti
superano la soglia delle normali aspettative. È importante registrare questo tipo di informazioni nel
tempo. Ma invece di aspettare e di osservare passivamente in che modo il lento cambiamento del clima altera la biosfera, alcuni biologi stanno conducendo esperimenti sul campo, spesso a vasta scala.
Grazie a questi esperimenti gli scienziati osserveranno la risposta degli ecosistemi a tassi di precipitazione più grandi o più piccoli, a concentrazioni
più elevate di anidride carbonica (CO2) e a temperature in aumento. I dati sperimentali sono cruciali per determinare se e come gli ecosistemi risponderanno al cambiamento climatico fra 10, 50 o 100
anni. E sono cruciali anche per capire come quelle risposte potranno a loro volta influire sul clima. I
risultati di questi esperimenti possono contribuire a
separare i fatti dalla fantasia nel dibattito sul clima,
caratterizzato da una forte carica emotiva.
Per anni i ricercatori si sono concentrati sulla risposta di singole piante – in genere coltivate per
mesi in celle a clima controllato – a condizioni variabili. Certo, è necessario conoscere i meccanismi a
questa scala, ma dobbiamo anche studiare le piante nel contesto più adatto: gli ecosistemi reali. Da
oltre dieci anni sono in corso diversi esperimenti
all’aperto, compresi quelli descritti nei box alle pagine seguenti, in cui vengono modificate precipitazioni e concentrazioni di CO2. E sono in corso anche esperimenti sulla temperatura. I dati ottenuti
fino a oggi hanno permesso di migliorare i modelli che prevedono i cambiamenti del clima e della
vegetazione, fornendo un quadro più accurato dei
cambiamenti che riguarderanno boschi, praterie e
terreni in un mondo sempre più caldo, soggetto ad
andamenti diversi delle precipitazioni e avvolto da
una maggiore quantità di CO2.
continua a p. 88
501 maggio 2010
Mondolithic Studios
di Stan D. Wullschleger e Maya Strahl
Precipitazioni: capire il momento giusto
CO2: alcune piante crescono di più
Risultati: Nella Konza Prairie, studiata dalla Kansas State University,
Tema: Temperatura e CO2 aumenteranno a livello globale, ma i modelli
alcuni tipi di erba hanno tollerato meglio di altri un andamento variabile
prevedono una grande variabilità per gli incrementi e le riduzioni delle
delle precipitazioni. In un mondo sempre più caldo, la competizione tra le
precipitazioni, in funzione delle diverse aree del pianeta.
piante per l’acqua potrebbe aumentare.
Esperimento: Gli scienziati hanno costruito diverse strutture per
Nelle foreste temperate, come quella studiata da Paul Hanson nel TDE
aumentare o ridurre la quantità d’acqua che raggiunge le piante nelle
nell’arco di 13 anni, gli alberi maturi
praterie, nelle foreste, nei terreni
con radici profonde hanno resistito a
coltivati e nella tundra priva d’alberi
notevoli riduzioni delle precipitazioni.
a latitudini settentrionali. Si usano
Ma molti alberi giovani e piante con
soprattutto tetti a cupola o grondaie,
radici poco profonde sono morti.
grazie a cui l’acqua è deviata
L’esperimento ha anche mostrato
all’esterno del sito o ridistribuita in
che intervalli molto secchi durante
un sito vicino per testare l’ipotesi di
determinate stagioni hanno procurato
precipitazioni più abbondanti. Alcune
danni maggiori; la riduzione delle
coperture si possono spostare o ritirare.
precipitazioni nel corso dell’espansione
Inoltre si usano barriere o fossati in
dei fusti a inizio primavera ha ritardato
modo che l’acqua in superficie penetri
la crescita in modo più grave rispetto
nei terreni studiati e per evitare che le
alla riduzione in altri periodi. Le siccità
radici delle piante possano accedere ad
dopo la fine della crescita non hanno
acqua esterna agli stessi terreni.
causato danni significativi, almeno
Progetti come il Throughfall
LE GRONDAIE del Throughfall Displacement Experiment simulano
fino a quando le riserve di acqua nel
Displacement Experiment (TDE) vicino
la siccità impedendo alla pioggia di raggiungere il terreno.
suolo sono state ristabilite prima della
a Oak Ridge, in Tennessee, usano
successiva stagione di crescita. Al
complessi sistemi di grondaie e canali
contrario, grandi alberi nelle foreste
di scolo nel sottobosco di una foresta
pluviali dell’Amazzonia brasiliana sono morti nel quarto anno di siccità
per creare condizioni di suolo secco e umido (foto e illustrazione). In aree
delle dimensioni di un campo da calcio si possono distribuire anche 1900 provocata dai ricercatori del Woods Hole Research Center. Gli alberi
giovani e quelli di piccolo diametro hanno sofferto meno. Il blocco del 60
grondaie. Queste strutture si possono collocare tra alberi molto distanti
per cento delle precipitazioni ha fatto seccare i suoli profondi, mentre
tra loro, come nei boschi di pino e ginepro del New Mexico, dove Nathan
quelli in superficie sono rimasti umidi, risultati opposti al TDE. Per modelli
McDowell del Los Alamos National Laboratory sta studiando il ruolo della
affidabili sugli effetti del riscaldamento c’è ancora molto da capire.
siccità e degli insetti nella mortalità degli alberi.
Tema: Gli scienziati stimano che oceani ed ecosistemi terrestri assorbano
almeno la metà della CO2 generata dal consumo dei combustibili fossili. Le
piante usano questo gas per sintetizzare carboidrati durante la fotosintesi.
Ma che cosa succederà con concentrazioni di CO2 più elevate? Zuccheri,
carboidrati e composti protettivi delle piante verranno alterati, favorendo
od ostacolando insetti e agenti patogeni?
Esperimento: Da oltre dieci anni, all’Oak Ridge National Laboratory è in
corso l’esperimento Free-Air CO2 Enrichment (FACE), diretto da Richard
Norby. Quattro aree oggetto di studio sono circondate da condotti di
ventilazione sostenuti da torri (foto e illustrazione). I condotti rilasciano
CO2 in modo che gli alberi ne ricevano una quantità stabilita. Esperimenti
analoghi sono in corso in almeno altri 35 ecosistemi naturali in tutto il
mondo, da aree di torbiere del diametro di un metro, fino ai 23 metri di
aree agricole e ai 30 metri di piantagioni forestali.
Risultati: I dati confermano che livelli più elevati di CO2 stimolano
la fotosintesi, che assorbe più carbonio nei tessuti vegetali. Inoltre
questa produzione primaria netta (PPN) è sostenuta durante più
stagioni di crescita. In esperimenti su foreste in Wisconsin, North
Carolina, Tennessee e Italia, la PPN è aumentata del 23 per cento in
un anno quando la CO2 è stata portata da 388 parti per milione (ppm),
la concentrazione atmosferica attuale, a 550 ppm, che potremmo
FREE-AIR CO2 ENRICHMENT
raggiungere tra 100 anni se non ridurremo le emissioni. Recenti risultati
dei modelli suggeriscono che le piante risponderanno positivamente a
livelli elevati di CO2. I vantaggi potrebbero però essere attenuati nel caso
in cui i suoli non contengano nutrienti a sufficienza.
Gli esperimenti FACE in tutto il mondo hanno registrato aumenti significativi
della PPN, che però indica solo la quantità di carbonio aggiunta a una
pianta, non ne riflette il destino a lungo termine. In North Carolina, in una
foresta di conifere (Pinus taeda), il carbonio aggiuntivo si è depositato
soprattutto in rami e fusti, dove può rimanere per decine di anni. Nella
foresta di ambra liquida (Liquidambar) del Tennessee il carbonio è invece
finito soprattutto in piccole, nuove radici. Queste radici sono vantaggiose,
ma vivono solo da poche settimane a un anno, e quando vengono
decomposte una gran quantità di carbonio ritorna in atmosfera. Gli
scienziati stanno cercando di capire che cosa spinga il carbonio verso una
determinata destinazione; ne sapremo di più nei prossimi mesi, quando in
diversi siti verranno tagliati gli alberi e scavati suoli.
Gli esperimenti FACE hanno già dato buoni frutti. James Randerson
dell’Università della California a Irvine, gli scienziati di Oak Ridge, il
National Center for Atmospheric Research a Boulder, in Colorado, hanno
usato i dati per migliorare il Community Climate System Model, che
simula i processi fisici, chimici e biologici del sistema climatico.
Torre di sostegno
(alta 20 metri)
5 L’anemometro rileva direzione e velocità del vento
●
Alberi
di ambra
liquida
Throughfall Displacement Experiment
Querce (alte 25 metri)
ANELLI DI CONDOTTI DI VENTILAZIONE nell’esperimento
Free-Air CO2 Enrichment simulano emissioni più elevate
1 Le grondaie intercettano l’acqua
●
piovana su un terzo del terreno
86 LE SCIENZE
TERRENO AMBIENTE (controllo)
2 Le grondaie riempiono
●
il canale di scolo
3 Il canale alimenta
●
la conduttura
TERRENO UMIDO
4 L’acqua scorre lungo
●
la conduttura inclinata
5 I fori forniscono
●
l’acqua in eccesso
501 maggio 2010
Cortesia Oak Ridge National Laboratory (fotografia); David Fierstein (illustrazione)
TERRENO SECCO (80 × 80 metri)
Cortesia Oak Ridge National Laboratory (fotografia); David Fierstein (illustrazione)
di anidride carbonica pompando il gas tra gli alberi.
6 Il tubo di aspirazione cattura
●
l’aria per il controllo
Serbatoio CO2
Pompa
1 L’edificio di controllo
●
rilascia e monitora la CO2
2 Le valvole regolano il flusso di
●
CO2 a intervalli di pochi secondi
www.lescienze.it
3 I condotti di ventilazione
●
sopravento sono aperti
4 CO2 trasportata
●
dal vento
LE SCIENZE 87
le reazioni dei
semi di soia
TEMPERATURA: alti e bassi
Tema: Il riscaldamento varierà in base alla posizione geografica. Entro il
paesi. Fino a oggi si è dimostrato che un aumento da 1 a 3 gradi favorisce
2100 il Nord America sarà da 3,8 a 5,9 gradi più caldo in inverno e da 2,8 a la copertura del terreno da parte di arbusti e graminacee rispetto a muschi
3,3 gradi più caldo in estate. I cambiamenti influenzeranno il metabolismo
e licheni. Questa risposta conforta l’ipotesi secondo cui il riscaldamento
delle piante, la loro competizione, la disponibilità di acqua e nutrienti, e la
ridurrebbe la biodiversità degli ecosistemi a latitudini elevate. Uno
voracità di erbivori, insetti e patogeni.
spostamento da una vegetazione erbacea
Esperimento: Per riscaldare piccoli
a una legnosa potrebbe inoltre aumentare
terreni sono state provate diverse
l’energia assorbita dalla Terra, innalzando
tecniche, tra cui lampade a infrarossi,
ancora di più la temperatura globale.
nastri riscaldanti elettrici e camere a
Esperimenti condotti ad altre latitudini
cielo aperto: strutture cilindriche avvolte
offrono indizi su estinzioni, migrazioni e
in plastica trasparente e provviste di
alterazione della composizione delle specie.
soffianti d’aria calda. Questi approcci
All’Oak Ridge National Laboratory, Carla
sono stati utili, pur presentando lati
Gunderson ha esposto quattro specie di
negativi. La maggior parte scalda una
alberi decidui a temperature superiori di
piccola area, e molti scaldano solo parti
quattro gradi alla temperatura ambiente
dell’ecosistema. I nastri creano punti
(foto e illustrazione). Spesso giovani alberi e
caldi non naturali. Le camere riscaldate
giovani piante hanno aumentato la crescita.
passivamente dipendono dall’ora e dalla
Gli alberi hanno prodotto le foglie da 6 a 14
LE CAMERE A CIELO APERTO dell’esperimento
stagione, e influenzano precipitazioni,
giorni in anticipo in primavera, e le hanno
Temperature Response and Adjustment riscaldano giovani
vento e luce del Sole, complicando
mantenute verdi fino ad autunno inoltrato,
alberi e alberi di piccole dimensioni per tutto l’anno.
l’interpretazione dei risultati.
prolungando la stagione della crescita fino
Risultati: Gli ecosistemi artici
a tre settimane. Sappiamo però che una
e le vicine regioni boreali sono
crescita primaverile precoce spesso espone
particolarmente vulnerabili alle variazioni di temperatura. L’International
le piante a dannose ondate tardive di gelo. Nonostante i risultati utili, è
Tundra Experiment, coordinato da Greg Henry dell’Università della British
difficile estrapolare dati da usare per gli ecosistemi reali. Occorrono nuovi
Columbia, usa camere passive per riscaldare piccoli terreni in diversi
metodi per riscaldare aree più estese.
Stan D. Wullschleger è biologo
del cambiamento climatico e
direttore del Plant Systems Biology
Group all’Oak Ridge National
Laboratory, in Tennessee. Ha
condotto esperimenti che studiano
gli effetti dell’arricchimento di
anidride carbonica, del
riscaldamento e della siccità su
foreste naturali, piantagioni e vecchi
campi. Attualmente sta progettando
e mettendo a punto una tecnologia
di riscaldamento per la tundra artica
e le foreste boreali.
Maya Strahl è biologa vegetale del
Cold Spring Harbor Laboratory di
New York e ha partecipato al
programma Higher Education
Research Experiences a Oak Ridge.
88 LE SCIENZE
Scoperte intorno al mondo
Esperimenti condotti in tutto il mondo mostrano che piante ed ecosistemi hanno una notevole
capacità di adattamento a nuove condizioni. Ma
gli scienziati si aspettano valori limite oltre i quali si verificheranno risposte significative e potenzialmente catastrofiche. Durante lo studio di queste zone di confine avremo sicuramente qualche
sorpresa, tuttavia possiamo già trarre alcune conclusioni fondate basandoci sui dati sperimentali:
n Concentrazioni più elevate di CO2 possono aumentare le rese di coltivazioni quali frumento, riso, orzo, semi di soia e cotone, ma il simultaneo
riscaldamento, e in alcune aree l’inquinamento
da ozono, potrebbero attenuare o annullare l’effetto «fertilizzante della CO2». Inoltre i cambiamenti del clima modificheranno le interazioni
tra raccolti, piante infestanti, patogeni e insetti,
creando condizioni favorevoli ai parassiti.
n Le foreste decidue degli Stati Uniti orientali, caratterizzate da caduta stagionale delle foglie, sono relativamente insensibili alla siccità. I suoli
profondi sono ricchi di acqua, e quindi possono
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di aria e suolo e l’umidità relativa
Camera a cielo aperto
(altezza 3 metri, diametro 2 metri)
l’arricchimento di CO2 in coltivazioni
di semi di soia, Università dell’Illinois
a Urbana-Champaign
incremento CO2: 550 ppm
incremento OZONO: 1,2 volte la
concentrazione ambientale
area: Anelli di 20 metri di diametro
scenario: Sono previsti livelli
più elevati di CO2 e di ozono entro
la metà del secolo
RISULTATI: Le piante di semi di soia
sono cresciute più del normale, ma
hanno anche subito più danni da
parte dei coleotteri giapponesi
(Popillia japonica, sotto).
Resistenza elettrica
Mix di specie
di giovani piante
Parete solida
Soffiante
Contenitore
perforato
1 L’aria calda scorre all’interno
●
del rivestimento perforato
Aria calda
’invasione di piante legnose nelle praterie di
L
tutto il mondo avvenuta negli ultimi 200 anni
è dovuta principalmente al sovrasfruttamento
del pascolo e al controllo degli incendi, ma forse l’aumento della concentrazione atmosferica di
CO2 sta contribuendo all’avanzare di alberi e cespugli negli Stati Uniti occidentali.
n Gli effetti delle future concentrazioni di CO2 sulle
piante potrebbero ricadere sulla salute pubblica,
con un aumento dei pollini, responsabili di allergie, e una maggiore crescita e tossicità dell’edera
velenosa e altre specie infestanti.
n
Questioni complesse
Cortesia Bridget O’Neill, Trinity College Dublin (coleotteri)
gli autori
sostenere la crescita di grandi alberi per la maggior parte dell’anno. Ma i suoli in superficie hanno poca acqua e si seccano rapidamente, causando alti tassi di mortalità nelle giovani piante e nei
piccoli alberi, vale a dire le foreste del futuro.
n In un’atmosfera arricchita di CO2, una maggiore
crescita delle radici potrebbe fornire più nutrienti,
aumentando la produttività delle foreste in fase
di sviluppo. Inoltre un maggiore radicamento in
profondità potrebbe portare vantaggi alle piante
in ecosistemi aridi e in terreni secchi, favorendo
l’accesso all’acqua che si trova nel sottosuolo.
n Il riscaldamento globale e l’aumento della CO2
potrebbero favorire l’invasività di piante infestanti, diminuendo le rese agricole o aumentando
l’uso di erbicidi. Inoltre le specie esotiche potrebbero creare problemi. Per esempio esperimenti
condotti nel deserto del Mojave da Stan Smith,
dell’Università del Nevada a Las Vegas, hanno
mostrato che in un anno con precipitazioni insolitamente elevate un’alta concentrazione di CO2
ha stimolato la diffusione di Bromus tectorum, il
forasacco dei tetti, che ha ridotto la diversità delle specie vegetali, alterato la catena alimentare e
aumentato il rischio di incendi.
SITO: Struttura all’aperto per
2 Gli strumenti rilevano la temperatura
●
Cortesia Oak Ridge National Laboratory (esperimento e fotografie degli autori);
David Fierstein (illustrazione)
segue da p. 84
TEMPERATURE RESPONSE AND ADJUSTMENT
I grandi esperimenti all’aperto stanno dando risultati promettenti, ma la maggior parte delle ricerche è stata condotta alle medie latitudini e
soprattutto negli Stati Uniti e in Europa. Per prevedere con chiarezza la risposta di piante ed ecosistemi boreali, tropicali e della tundra sono necessari nuovi esperimenti a diverse latitudini, la cui
preparazione richiederà anni perché probabilmente saranno complicati dal punto di vista scientifico e verranno organizzati in regioni remote. Questi
esperimenti richiederanno una progettazione comwww.lescienze.it
plessa per assicurare che l’alterazione delle condizioni sia uniforme e che l’infrastruttura sia realizzata in modo da durare diversi anni.
I biologi devono inoltre costruire installazioni
che non solo alterano le concentrazioni di CO2 o gli
andamenti della temperatura o quelli delle precipitazioni, ma anche questi tre fattori simultaneamente. Fino a oggi abbiamo solo scalfito la superficie.
Un nuovo esperimento nei pressi di Cheyenne, nel
Wyoming, sta valutando la risposta di una prateria
mista del nord ad alterazioni simultanee di concentrazione di CO2 e di temperatura. Durante il primo
anno dell’esperimento, denominato Prairie Heating
and CO2 Enrichment, Jack Morgan dell’Agricultural Research Service ha trovato indizi del fatto che
il riscaldamento, combinato con una concentrazione di CO2 più elevata, potrebbe favorire la diffusione delle graminacee macroterme nelle Great Plains
ai danni di quelle microterme.
Capire come manipolare nel modo migliore fattori multipli e includere le combinazioni e le loro
ripercussioni nei modelli è una questione complicata. Servono dati in tempi brevi, se vogliamo aiutare
la società ad anticipare e pianificare gli adattamenti a un clima che sta già cambiando rapidamente. n
➥ Letture
Next Generation of Elevated [CO2]
Experiments with Crops: A Critical
Investment for Feeding the Future
World. Ainsworth E.A. e altri, in «Plant,
Cell and Environment», Vol. 31,
pp.1317-1324, 2008.
Consequences of More Extreme
Precipitation Regimes for Terrestrial
Ecosystems. Knapp A.K. e altri,
in «BioScience», Vol. 58, n. 9, pp. 811821, ottobre 2008.
Rising CO2, Climate Change, and
Public Health: Exploring the Links to
Plant Biology. Ziska L.H. e altri,
in «Environmental Health Perspectives»,
Vol. 117, n. 2, pp. 155-158,
febbraio 2009.
LE SCIENZE 89