La fortuna aiuta le menti preparate

a tutti i nati oggi, per il loro futuro
Premessa
Speranza e aspettativa sono due cose diverse. In altre occasioni su queste pagine (qui e qui, ma anche qui) si è messo in evidenza come il cambiamento climatico in atto porti, oltre ad una serie di interrogativi tuttora irrisolti, ad alcune conseguenze che possono essere definite certezze, nonostante il futuro possa presentarsi sotto forma di alternative tra scenari probabili, plausibili o possibili, con linee di confine ben poco nette. 
Uno dei paradossi più inquietanti e sgradevoli che emerge è che, considerando che le prime regioni a sperimentare già da ora il riscaldamento globale su base annua sono quelle tropicali ed equatoriali, esse includono le nazioni che meno hanno contribuito alle cause scatenanti: Nicaragua, Ghana, Kenya, Bangladesh, Zambia, Gambia, Madagascar, Etiopia, Mali, Cambogia, Ciad e India tra i tanti, tutti paesi da emissioni annuali zero virgola. E sono quelle meno in grado di attenuare gli effetti del riscaldamento globale.
Se vi sorprende l’aver inserito l’India date un’occhiata al grafico interattivo seguente. Indubbiamente è la Cina il paese ad emettere la maggior parte di quelle circa 36 miliardi di tonnellate l’anno di CO2, ma ha iniziato da pochissimo tempo, e quindi, dal punto di vista delle responsabilità, gli USA sono al primo posto come maggior responsabile  individuale, considerando il totale delle emissioni nel tempo. Spesso poi si sente parlare dell'India come paese tra i più preoccupanti ma delle due l'una: o ha appena iniziato o, nonostante sia popoloso quanto la Cina, ha ancora un substrato economico in maggioranza tutt'altro che industrializzato. 
Di conseguenza il suo contributo alle emissioni è scarso e pressoché nullo in confronto ai danni diretti che subirà dal cambiamento climatico.
Osservate per tutti la flessione del 2020: effetto COVID.

Nella mappa interattiva successiva ci sono invece le emissioni pro capite, con dati aggiornati al 2022. E’ cromaticamente evidente che i paesi individuati nella fascia equatoriale e tropicale, soprattutto l’Africa subsahariana, sono quelli che meno emettono in termini di CO₂ (e altri gas serra), ma che saranno quelli che più soffriranno: il cosiddetto mondo occidentale dovrà necessariamente prepararsi all’accoglienza. Nella stessa mappa lasciano piuttosto perplessi i tassi pro capite superiori alle 20 t annue di paesi come gli Emirati Arabi Uniti, il Kuwait o…il Brunei!

Può essere utile visualizzare anche il grafico (cliccare su chart) per avere la visione di come le emissioni pro capite siano cambiate nel tempo, paese per paese, con alcuni andamenti controtendenza. Dal menu a tendina in alto a destra è possibile selezionare e visualizzare i dati dei singoli continenti.

Località…globali
Così come speranza e aspettativa anche meteo e clima sono due cose completamente diverse, e lo si è ribadito spesso. Il famoso matematico e meteorologo Edward Lorenz diceva che “Il clima è ciò che ti aspetti, il meteo è ciò che ottieni”[1].

Gli eventi meteorologici sono localizzati nel tempo e nello spazio: una nevicata in giugno non significa che si sta andando verso un’era glaciale, né una giornata particolarmente calda a fine gennaio è prova di riscaldamento globale. In altre parole è come un’analisi sociologica in grado di mediare su grandi numeri di esseri umani pur sapendo che, presi singolarmente, potrebbero comportarsi imprevedibilmente.

Ma persino un qualche tipo di evento meteorologico, come la temperatura in una determinata ora del giorno, la quantità di millimetri di pioggia caduta o il valore della pressione atmosferica, se cumulati a formare una base di dati sufficientemente grande da poter applicare la cosiddetta legge dei grandi numeri, sono stati in grado di fornire un’evidenza statisticamente significativa del cambiamento climatico in atto, a partire da dati giornalieri.

La cosa più difficile da realizzare in questi casi, allo scopo di ottenere un segnale chiaro che dimostri una determinata tendenza, è isolare il rumore. Negli eventi meteo di una singola località, ad esempio, la temperatura può variare di decine di gradi rispetto alla media misurata in un intervallo temporale sufficientemente lungo.

La figura precedente (lo studio completo, del 2020, è disponibile su Nature) illustra in modo evidente quanto è venuto fuori da studi di questo tipo. Sono stati utilizzati due modelli e due metodi di analisi statistica basati su altrettanti archivi di dati diversi, ma è chiaro che sia il primo che il secondo abbiano fornito risultati sovrapponibili (gli istogrammi in a,b e in c,d rispettivamente).

Nella colonna di sinistra ci sono le registrazioni della variazione di temperatura giornaliera in una località e confrontata con la temperatura giornaliera media, mentre a destra ci sono i risultati dei dati raccolti per un intervallo di molti giorni, allo scopo di ottenere una buona statistica per la distribuzione media delle variazioni giornaliere della temperatura locale.

Il fatto che in entrambi i grafici, indipendentemente dal modello, ci siano distribuzioni tipicamente normali è atteso, a significare qualità dell’analisi e inoltre, come ci si aspetta, la distribuzione delle variazioni di temperatura media in un singolo giorno per una singola località è molto più ampia della distribuzione delle variazioni registrate nello stesso giorno ma mediate globalmente.

Insomma, il vecchio proverbio inglese che dice che la Gran Bretagna ha un tempo orribile ma un clima fantastico torna ancora.

I risultati sono evidenti. Le distribuzioni di temperatura media giornaliera dei periodi 1951-1980 e 2009-2018, confrontate con i dati del periodo 1979-2005, sono tali da dimostrare che un giorno medio nel periodo 1951-1980 è stato più freddo che non nel periodo 1979-2005, mentre tra il 2009 e il 2018 il giorno medio è stato più caldo del medesimo periodo di riferimento.

Ci sono studi analoghi per regioni della Terra e per periodi diversi, ma i risultati sono i medesimi. Da questo punto di vista assumono grande valore quelli condotti nelle regioni citate in precedenza, tropicali o equatoriali, che godono di un rapporto segnale/rumore molto alto, ovvero hanno variabilità molto contenute rispetto ad altre aree del pianeta: non a caso durante la stagione calda ai tropici le previsioni meteo sono sempre le stesse.

Ed ecco che torna il messaggio citato all’inizio: le prime regioni a sperimentare fin d’ora il riscaldamento globale su base annuale sono quelle equatoriali e tropicali: il rapporto segnale/rumore per il riscaldamento globale sembra essere, e lo è, in relazione inversa con il livello di sviluppo di un paese.

La situazione non può che peggiorare. Entro il secolo, per quanto in media farà complessivamente più caldo ovunque, in queste regioni, che stanno già oggi sperimentando gli effetti del cambiamento climatico, rispetto al resto del pianeta, la temperatura media estiva sarà più alta per quasi il 100% del tempo rispetto all’estate più calda mai registrata.

Ci stiamo riferendo alle regioni con la più alta percentuale di malnutrizione, dipendenti fortemente dall’agricoltura, e che subiranno gli effetti più devastanti.

Sarebbe, sarà. Potrebbe, potrà.

In numerosi post su queste pagine ho messo più o meno direttamente in evidenza come, nonostante le famose risposte non lineari, che possono terrorizzare l’analista numerico, una simulazione può essere ridotta a piccolissimi intervalli di tempo durante i quali le risposte sono generalmente lineari, tenendo quindi sotto controllo il famigerato effetto farfalla, come ebbe a dire appunto il già citato Lorenz. Ma alla Natura i modellisti interessano poco: esistono senza dubbio meccanismi di risposta che influenzano il clima e sono difficili da modellare a causa delle variazioni improvvise che possono apportare. La chiave per risolvere tutto questo è saper riconoscere le incertezze. Le affermazioni fisiche che contengono incertezze sono quelle più virtuose.

Le predizioni fondamentali della climatologia sono basate su principi fisici ben consolidati: ciò basti a convincere che questa scienza non è una specie di vudù né che per comprenderne i significati e le conseguenze occorrano supercomputer. Cause, effetti e rischi di tali predizioni sono alla portata di tutti, e a tutti deve essere chiaro che la causa primaria è l’attività umana.

Nel già citato post precedente abbiamo visto come esistano dei già ben conosciuti “punti di non ritorno”, a cui possiamo aggiungere gli effetti su ecosistemi su vasta scala, quali ad esempio quelli dovuti all'acidificazione degli oceani, la fusione del permafrost, la deforestazione e molto altro ancora. Per quanto alcuni possano portare a disastri sul breve termine, mentre altri, come il potenziale scioglimento dei ghiacci della Groenlandia, richiederebbero forse secoli se non millenni, è la loro interazione che ha conseguenze spesso incerte. Un esempio viene da alcuni studi che dimostrano come, nella metà dei casi, il raggiungimento di un punto di non ritorno in un’area del pianeta innescherebbe un aumento del rischio in un’altra.

Pur essendo questi relativi al futuro come potrebbe, derivanti da scenari non direttamente modellabili, non possiamo trascurare l’impatto sul breve termine e, ancora una volta, emerge la necessità di un’azione politica globale perché globale è il problema.

Azione di cui non c’è traccia evidente.

Strategia

La Natura non fa piani, ed è indifferente sia alla nostra esistenza che a quella dell’intero pianeta. Ma noi umani sappiamo pianificare strategie per il futuro, capacità unica tra tutte le forme di vita. E soprattutto sappiamo sviluppare strumenti scientifici in grado di predire l’esito delle nostre azioni, oltre che strumenti tecnologici che ci danno un controllo senza precedenti sull’ambiente. Anche se è a causa delle nostre azioni se ci troviamo a questo punto non è detto che si sia sull’orlo di un precipizio: crisi è anche opportunità.

Per una frazione significativa degli esseri umani l’impatto del cambiamento climatico sarà devastante, già a breve termine. Ma ciò non deve farci assumere inutili e controproducenti posizioni catastrofiste, spesso strumentalizzate ora dall’una ora dall’altra corrente politica, né deve indurci all’inazione. Lo abbiamo visto durante la recente pandemia globale, in cui l’interconnessione dell’umanità si è manifestata pienamente e l’importanza di agire con urgenza di fronte all’evidenza è stata chiarissima. Possiamo avere maggiore o minore fiducia nei politici ma le persone razionali non hanno mai perso la fiducia nei confronti dei medici e degli scienziati che furono e sono in grado di stilare linee di azione per metterci in sicurezza.

Sono certo che scienza e tecnologica forniranno le risposte e i mezzi opportuni per mitigare gli impatti a breve termine e soprattutto per favorire l’adattamento al cambiamento. Anche se il futuro ci sta arrivando addosso come un treno fuori controllo lo fa su binari da noi costruiti. Se non si inizia davvero non sapremo mai se siamo ancora in tempo. Sono certo che scienza e tecnologia forniranno le risposte e i mezzi opportuni per mitigare gli impatti a breve termine e soprattutto per favorire l’adattamento al cambiamento. Anche se il futuro ci sta arrivando addosso come un treno fuori controllo lo fa su binari da noi costruiti. Se non si inizia davvero non sapremo mai se siamo ancora in tempo. Gli australiani, preoccupati per il flusso migratorio di qualche barchetta ogni tanto in arrivo dall’Indonesia, dovrebbero prendere coscienza seriamente del flusso di milioni di potenziali rifugiati climatici che, con le navi da crociera o con i mercantili, arriverà sulle loro coste, e sbarcheranno, fuori controllo. Lo stesso si può dire per l’opulento nord America nei confronti dei centroamericani, o per Europa, Turchia o repubbliche caucasiche nei confronti dei magrebini e delle popolazioni subsahariane. Perché saranno le regioni più povere ad essere maggiormente colpite, soprattutto se prive di aiuti e di accesso ad eventuali nuove tecnologie.

Diceva Pasteur: «la fortuna aiuta le menti preparate» (in questo post c'è un approfondimento su questo tema) e ciò, pur non essendo una garanzia offre solo maggiori probabilità che si arrivi ad avere risposte ed azioni concrete.

Capire la scienza del cambiamento climatico e i suoi effetti, ancorché probabili, è il primo passo per ottenere questa preparazione

Note bibliografiche:
Lawrence M. Krauss - La fisica del cambiamento climatico
Susan Solomon - Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions
Our World in Data - CO₂ and Greenhouse Gas Emissions Data Explorer

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[1] E’ lo stesso Lorenz che coniò la storica citazione: “Può un battito d'ali di una farfalla in Brasile causare un tornado in Texas?”

Il futuro è già qui - Tipping Point

Premessa

«E’ difficile fare delle previsioni, soprattutto sul futuro». Questa ironica affermazione, quasi paradossale, che l’abbia o meno davvero pronunciata Niels Bohr, uno dei padri fondatori della moderna fisica atomica (pare sia apocrifa), apre comunque a degli scenari da non sottovalutare affatto, anche se forse sarebbe opportuno fare previsioni solo su quel che accadrà tra dozzine di miliardi di anni, quando il cosmo sarà buio e freddo, e soprattutto senza nessuno a controllare la qualità del predetto.

Ma ci sono delle previsioni che, con altissima probabilità di accadimento, sono come affermazioni scolpite nella pietra. E queste generano a loro volta degli assunti che gli anglosassoni chiamano tipping point. Punti di non ritorno. Eccone alcuni relativi ad uno dei tanti effetti collaterali inequivocabili del cambiamento climatico: la fusione dei ghiacci[1].

Il ghiaccio galleggiante della banchisa, o quello continentale dei ghiacciai, fonde a causa del cambiamento climatico. Ma questo espone le acque o le terre sottostanti, più scure, che quindi riflettono meno luce solare e ne assorbono di più, causando un ulteriore scioglimento del ghiaccio, e così via.
Sta succedendo nell'Artico.

Il ghiaccio delle calotte fonde e riduce l'altezza della calotta, ma la temperatura a quote più basse è più alta, dunque la sommità del ghiaccio scende di livello, si riscalda ancora di più e si scioglie più velocemente.
Sta succedendo in Groenlandia.

Le acque calde causano l'erosione delle piattaforme glaciali galleggianti e le frantumano, ma queste ultime facevano da contrafforte a enormi ghiacciai, che ora sono liberi di riversarsi in mare destabilizzando ulteriormente la calotta retrostante.
Sta succedendo in Antartide.

Quale futuro?

Nel conosciutissimo racconto “Canto di Natale” di Charles Dickens è il Natale Futuro lo scenario più inquietante di tutti, perché prospetta a Scrooge le possibili conseguenze future, chiedendogli di impegnarsi affinché non accadano, col Natale Presente che lo invita da immaginare a ciò che potrebbero portare le scelte di quel giorno. Il Natale Passato è intoccabile, ciò che è stato è stato e nulla potrà cambiarlo, né sarebbe possibile cambiare alcune delle attuali e future conseguenze delle azioni compiute in passato.

Per quanto riguarda il futuro del riscaldamento globale siamo divisi tra scenari probabili, plausibili o possibili, spesso con linee di confine ben poco nette: ma la differenza tra ciò che sarà e ciò che potrebbe essere, come disse Dickens, è abissale.

Cosa accadrebbe se smettessimo di emettere gas serra adesso? Indipendentemente dalle considerazioni fatte in altri post, soprattutto in questo, sappiamo che la temperatura superficiale è aumentata di un grado nel secolo scorso, a causa dell’emissione di circa 450 Gt di carbonio in atmosfera; anche qualora smettessimo immediatamente, la maggior parte di quanto emesso resterà in atmosfera per lo meno fino al 3000. Salvo inventare nuove tecnologie, o perfezionare e rendere efficienti le tecniche di cattura e stoccaggio tuttora pressoché sperimentali. C’è un enorme inerzia planetaria che è coinvolta nel ciclo, soprattutto per quanto riguarda l’assorbimento da parte degli oceani, con cicli che superano i 1000 anni.

Nel mio precedente post abbiamo visto, dalla curva di Keeling, un aumento nel tenore di CO₂ in atmosfera, di circa il 30 percento in 60 anni: lo 0,5% l’anno.

Certezze

Ma questo accadeva. Ci sono studi che dimostrano che, a partire dal 2008, i tassi annuali sono passati al 2% raggiungendo concentrazioni, tra il 2050 e il 2100 (praticamente domani…), tra le 450 e le 1200 ppm. Il grafico riassuntivo seguente è chiaro (in ascissa l’anno di riferimento): che ci si fermi subito (2050) a 450 ppm o si continui imperterriti fino a 1200 ppm (2100) si ha dapprima una rapida diminuzione di CO₂ del 20 percento in circa un secolo, dovuta all’assorbimento da parte della biosfera, e che la restituirà circa un altro secolo dopo, ma passato questo periodo iniziale avremo comunque, dopo circa altri 1000 anni, il valore iniziale di 280 ppm (livello preindustriale) maggiorato di circa un 40% in eccesso. Studi simili dimostrano scenari analoghi pur partendo da ipotesi diverse. Ed ecco che il Natale Passato si affaccia per lo meno sulle prime due curve in basso, con picchi a 450 e 550 ppm, di un futuro che, in pratica, sembra essere già qui.

Passare da questi dati di concentrazione di CO₂ pressoché certa, a scenari di aumenti di temperatura non è cosa semplice, ma assumere più che plausibile lo scenario riportato nel grafico seguente non è affatto sbagliato. Osservate le prime due curve, i soliti scenari a 450 e 550 ppm, con aumenti tra 1,5 e 2 °C (in ordinata le temperature sono espresse in gradi Kelvin, equivalenti ai centigradi). Vi ricorda qualcosa? E già, proprio quello, il famoso “Accordo di Parigi” della COP21 del 2015, accordo che, con il condizionale voluto, impegnerebbe a mantenere l’innalzamento della temperatura sotto i 2° e – se possibile – sotto 1,5° rispetto ai livelli preindustriali.

Il messaggio è chiaro: l’aumento di temperatura relativamente recente coincide con le emissioni continue di CO₂ degli ultimi 50 anni, ma si arresterà se queste cesseranno, prima possibile. Questo però non significa che la temperatura inizierà a diminuire in modo apprezzabile, anche qualora i livelli di biossido di carbonio dovessero diminuire lentamente nel corso del prossimo millennio. E questo perché gli oceani continueranno a scaldarsi impiegando molto tempo per rimescolare ed equilibrare il calore aggiuntivo accumulato dal pianeta. Per molte centinaia di anni dopo che il calore in eccesso sarà scomparso gli oceani continueranno a scaldarsi mentre le masse continentali si raffredderanno più rapidamente. Fatte le debite distinzioni, chi conosce il fenomeno dell’alternanza lungo le coste della brezza di mare alla brezza di Terra, avrà certamente compreso come il mare possa trattenere calore latente.

La figura illustra il fenomeno di questa sorta di inerzia planetaria, proprio e ancora una volta, a dimostrazione che la Terra non è soltanto un sasso al sole. Molto sarà dovuto alla distribuzione delle terre emerse rispetto agli oceani, e l’emisfero australe contiene molto più oceano e molta meno terra del boreale. Nella parte superiore della figura le variazioni relative di temperatura tra il 1850 e il 2105, da uno scenario di emissioni continue fino al 2100, mentre nella parte superiore tra il 2015 e il 2995. Inizialmente il riscaldamento avrà un impatto maggiore nell’emisfero boreale, molto più ricco in terre emerse, e soprattutto nell’Artico, dove un oceano poco profondo è circondato da terre emerse; ma centinaia di anni dopo (figura in basso) l’Artico avrà già iniziato a raffreddarsi mentre l’Antartide e l’oceano che lo circonda continueranno a scaldarsi ancora molto dopo che il biossido di carbonio avrà cessato di aumentare.

Nelle profondità oceaniche è trattenuto un enorme calore latente e si stima che se le emissioni non cesseranno prima del 2100 la temperatura media delle acque aumenterà fino a 3 °C.

E sale e salirà...

Ma c’è uno scenario certo. Quello in cui le emissioni cessavano nel 2010, col futuro che sarà, anzi peggio, visto che nel frattempo dal 2010 le emissioni sono proseguite. Un aumento di temperatura media degli oceani di 0,5 °C è scolpito nella roccia visto che questo calore è stato depositato nel corso dell’ultimo secolo.

Non amo essere plateale ma la differenza di temperatura misurata (ribadisco, mi-su-ra-ta) e confrontata tra il 2019 e la media 1981-2010, pari a 0,075 °C, corrisponde al calore prodotto da 3,6 miliardi di atomiche come quella di Hiroshima fatte esplodere nell’oceano: 5 esplosioni al secondo, 24 ore al giorno per 365 giorni negli ultimi 25 anni!

C’è un altro effetto scolpito nella roccia: l’espansione termica dell’acqua all’aumentare della temperatura.

Ogni volta che si parla aumento del livello medio dei mari a causa del cambiamento climatico si fa spesso riferimento solo alla fusione dei ghiacciai continentali, delle calotte polari e della Groenlandia. In realtà la causa principale dell’innalzamento del livello del mare in tempi recenti è dovuto all’espansione termica seguita all’aumento della temperatura degli oceani.

Ed ecco gli scenari, in analogia con i due grafici precedenti. Più tardi si smette più alta sarà la crescita del livello. E se 1 m o 1,5 m vi sembrano pochi vi ricordo quel che ho scritto in questo post, prendendo ad esempio il delta del Mekong.

Più della metà dell’effetto di innalzamento registrato ad oggi è causato dall’espansione termica e, mentre possiamo avere incertezze sulle modalità e le tempistiche che riguardano la fusione dei ghiacci, non ce ne sono in questo caso. Anche molto tempo dopo la cessazione delle emissioni di gas serra il livello del mare continuerà a salire.

Last but not least, come effetto indiretto causato dalla modifica delle correnti oceaniche, in parte dovuta alla variazione differenziale[2] della temperatura globale, dal rimescolamento termico di profondità e dall’aumento di acqua fredda proveniente dalla fusione dei ghiacci, si avrà inoltre una variazione della distribuzione geografica e temporale delle precipitazioni, con impatto significativo su varie regioni della Terra: pioggia e neve, siccità, inondazioni, stagioni monsoniche modificate o abolite, tutto rimescolato e cambiato.

Quaranta generazioni
E tutto ciò perché la CO₂ resterà in atmosfera molto tempo dopo che le sue emissioni saranno cessate. Almeno 1000 anni.

La fonte dei grafici è tratta da un lavoro disponibile qui.

La COP21 auspicava come minimo un tetto a 1,5 °C. Siamo già al 90% del percorso da fare per arrivarci e restano meno di 10 anni. E’ estremamente probabile che l’obiettivo resti utopia. La stessa COP più realisticamente parlava di 2 °C. Indipendentemente dai pretestuosi messaggi che dichiarano inapplicabile economicamente tale obiettivo se continuiamo a rimandare di anno in anno i tentativi di limitare l’aumento di temperatura dovuto all’effetto serra, diventerà sempre più difficile, e sempre più costoso, raggiungere l’obiettivo.

Lasciamo, ancora una volta, la parola ai grafici, implacabili.

Il diagramma precedente è detto a “pista da sci” (un approfondimento qui).

Se vogliamo restare entro i 2 °C di aumento rispetto ai livelli preindustriali con una probabilità del 66% abbiamo che: se avessimo iniziato nel 2011 (pista da principianti) avremmo dovuto tagliare le emissioni del 3,7% l’anno, nel 2015 (intermedia) del 5,3% l’anno e infine, nel 2020 (esperti) del 9% in meno ogni anno! Inesorabilmente siamo già al 9%.

Ed ecco la situazione simile con proiezioni fino al 2035. Più si aspetta più la pista da sci si trasforma, continuando ad usare il linguaggio di questo sport, in un difficilissimo muro insuperabile.

Anche qualora le emissioni si stabilizzassero, senza aumentare né diminuire, dovremo fermarle del tutto, cosa ovviamente del tutto impossibile.

Una di quelle curve è il futuro e tanto minore sarà l’impegno politico nei confronti del cambiamento climatico tanto peggiore saranno gli scenari futuri, dal mantenere tutto così com’è fino all’attuale e forse irrealizzabile obiettivo di sostenere un aumento di 3,6 °C!

I numeri dimostrano in maniera inequivocabilmente convincente che le emissioni di gas serra di origine antropica non sono insignificanti su scala geologica globale. Nel giro di 200 anni gli esseri umani avranno emesso un quantitativo di CO₂ doppio rispetto a quello presente in atmosfera per gran parte dell’arco temporale coperto dai dati geologici.

I due grafici successivi, tratti da “Climate Action Tracker” riassumono i concetti espressi.

Se, parafrasando il famoso film, a qualcuno piace caldo, non è questo il caso, nemmeno di riderci su.

 

Note bibliografiche:
Lawrence M. Krauss - La fisica del cambiamento climatico
Susan Solomon - Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions
Our World in Data - CO₂ and Greenhouse Gas Emissions Data Explorer

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[1] Nel testo e in questo blog si usa a volte il verbo “sciogliere” per indicare la fusione del ghiaccio. Tempo fa un "negazionista", volendo dimostrare di saperne più di me, ha tentato di deridermi facendomi notare che avevo usato il verbo sciogliere, o il sostantivo scioglimento, in alternativa a fondere o fuso, per parlare di fusione dei ghiacci. Sappiamo tutti che (di)sciogliere non è un passaggio di stato, qual è invece fondere, ma non stiamo tanto a cavillarci su e accettiamone di buon grado l’uso comune. Anche in inglese si usa melt sia per sciolto che per fuso.

[2] Parti diverse del pianeta si scaldano e reagiscono diversamente nei modi e nei tempi.

Il lavoro di Charles D. Keeling. Ripassino per climascettici.

Charles D. Keeling e la sua curva

Scrivere questo post oggi, 21 febbraio 2024 sembra ancora una volta un puro esercizio di stile, pressoché inutile, vista l’esperienza che ognuno di noi ha fatto della scorsa torrida estate e che sta tuttora facendo, al termine ormai di questo non inverno. Un inverno caratterizzato da temperature pressoché primaverili, con massime tipiche del mese di aprile, una grave crisi di precipitazioni che sta creando le premesse per un anno a venire decisamente siccitoso e, non ultimo, un danno economico enorme per il settore turistico della montagna, degli sport invernali, con impianti che in Appennino non hanno praticamente mai aperto e sulle Alpi si apprestano a chiudere con almeno due mesi di anticipo. In tempi non sospetti e recenti si scriveva di siccità, prevenzione e adattamento, il governo attuale ha da poco varato il PNACC (Piano Nazionale di Adattamento ai Cambiamenti Climatici). Ma sono decenni che il quadro è completo, che ci sono i dati, fin da 1965 l'allora presidente USA Lyndon Johnson era stato messo al corrente dei cambiamenti climatici in atto e misurabili. 

Eppure ciò nonostante ci si scontra pressoché quotidianamente con le legioni di imbecilli di cui ci aveva avvisato Umberto Eco molto tempo fa. Ma, come scrivevo un paio di giorni fa, provo a non mollare.

Iniziamo da alcune assunzioni che, nonostante ogni qual si voglia tipo di evidenza, inequivocabilmente, dimostrano il contributo antropogenico del cambiamento climatico in atto, ma stentano ad abbattere il muro del negazionismo, soprattutto quello ignorante.

a) per quanto riguarda l’ammontare di biossido di carbonio[1] (CO₂) nell’atmosfera del pianeta, rispetto al trascorso ultimo milione di anni, l’era attuale non ha precedenti;
b) a livello geologico le variazioni nella concentrazione di CO₂ fanno parte della storia del pianeta, ma di ampiezza molto minore e su scale temporale molto maggiori (l’ultimo picco, pari a circa 300 ppm, risale a 350.000 anni fa, e le variazioni si distribuiscono su fasce temporali di migliaia se non decine di migliaia di anni);
c) livelli maggiori di CO₂ nell’atmosfera sono correlati a epoche più calde, mentre livelli più bassi sono correlati a ere glaciali;
d) l’aumento è coinciso con l’inizio della moderna era industriale, con una velocità ed una ampiezza dell’aumento che corrisponde al consumo di combustibile fossile dovuto alle attività umane;
e) ci sono segni evidenti che le vicissitudini politiche ed economiche dell’umanità si riflettono nelle recenti oscillazioni della concentrazione di CO₂ atmosferico;

Che il consumo di combustibili fossili abbia dato una notevole spinta alla crescita della produzione industriale è un fatto, così come sembra inequivocabile e ampiamente dimostrato che questo consumo incrementa la concentrazione di CO₂ nell’atmosfera. L’epoca attuale è quindi una novità assoluta, dal punto di vista qualitativo e quantitativo, nella storia dell’umanità. Un cambiamento quantitativo destinato ad essere significativo dal punto di vista del clima globale.

Charles David Keeling

Ho già avuto modo di citare Charles David Keeling su queste pagine (qui e qui). Un chimico statunitense a cui un giorno capitò di dover risolvere un problema di geochimica: in una miscela di calcare, acqua e CO₂ atmosferico come raggiunge l’equilibrio il carbonato? Con i primi due valori semplici da ricavare occorreva misurare il tenore di CO₂ atmosferico. E quindi, costruendosi da solo uno strumento di precisione, iniziò le misure già alla fine degli anni Cinquanta.

Passando direttamente a ciò che più ci interessa Keeling fece innanzi tutto un paio di scoperte interessanti: la prima che di notte c'è più CO₂ nell’aria, perché di notte i processi fotosintetici non avvengono, e quindi questo gas non viene utilizzato, a cui aggiungere il contributo in CO₂ dovuto al ciclo ossidativo delle piante (che avviene tutto l’anno, di notte e di giorno)[2]. Inoltre lo strato a diretto contatto con il suolo, a causa della minor temperatura notturna è più denso e quindi più sottile, creando quindi un incremento nella concentrazione.

In occasione dell’International Geophysical Year (1957-58) Keeling ed altri suoi colleghi, grazie al contributo di organismi di prestigio quali lo Scripps Institution of Oceanography e al US National Weather Service, diedero il via ad uno dei più significativi progetti scientifici a lungo termine mai portato avanti sulla Terra: iniziare una serie di misurazioni della concentrazione di biossido di carbonio in luoghi remoti della Terra, compresi il Polo Sud e Mauna Loa nelle Hawaii.

E fu alle Hawaii, con i dati dell'osservatorio di Mauna Loa, che Keeling fece un’ulteriore scoperta: per la prima volta fu osservato l’effetto stagionale che la vita esercita sull’atmosfera attraverso i processi di fotosintesi, processi che cambiarono la composizione dell’atmosfera terrestre; vita che tuttora continua a dettare la dinamica del CO₂. Già dai primi anni delle misurazioni si osservò che, nel semestre estivo, più o meno da maggio a ottobre, la concentrazione andava via via calando, mentre in quello invernale, si registrava un progressivo aumento. Per la prima volta si assisteva alla sottrazione del CO₂ dall’aria per consentire la crescita delle piante in estate, e alla sua restituzione nel corso dell’inverno seguente: il respiro del pianeta[3]. Si stima che le piante sottraggano all'atmosfera circa 120 Gton di carbonio con la fotosintesi e ne restituiscano circa 58 dalla respirazione e 59 dalla decomposizione dei terreni: un equilibrio tanto eccezionale quanto sottile.

La curva di Keeling
Ma l’osservazione più importante fu scoprire che, già in un brevissimo periodo di pochi anni, Keeling misurò un aumento della concentrazione anno dopo anno, anche se minimo, ancora più evidente nella stazione del Polo Sud che passò da 311,1 ppm nel settembre 1957 a 314 ppm nello stesso mese del 1959.

A conti fatti, Keeling scoprì che il tasso di crescita annuale medio, di circa 1,4 ppm l’anno, era più o meno quello atteso dalla combustione di fonti fossili in assenza di sottrazione da parte dell’atmosfera. Ma, pur essendo evidente che le medie del secondo anno erano più alte di quelle del primo, e quelle del terzo lo erano più di quelle del secondo, in mancanza di altri dati e soprattutto facendo della buona scienza, trarre delle correlazioni di causalità era prematuro. Occorreva effettuare misure regolari in località remote, per lunghi periodi, e filtrarle da ogni possibile rumore. E così fu: da oltre 60 anni, analizzatori di gas misurano l’assorbimento della radiazione infrarossa in campioni atmosferici e la confrontano con i tassi di assorbimento in campioni di riferimento che hanno concentrazioni definite di CO₂.

Ecco come è nata la curva di Keeling, una delle curve più famose tra coloro i quali si occupano di climatologia e cambiamento climatico, qui aggiornata a pochi giorni fa! Il valore attuale è 424,97 ppm, il primo giorno di misurazioni, nel 1958, a Mauna Loa se ne registrarono 313.

Il valore attuale è quindi circa il 30 percento superiore a quello iniziale; la curva, mediata nelle sue oscillazioni stagionali, ha una crescita tutto sommato piuttosto uniforme (i matematici usano il termine monotòna) con un aumento di circa 100 ppm in sessantadue anni, circa 1,6 ppm l’anno. Keeling nel 1960 aveva stimato che la produzione annuale di CO₂ derivante dal consumo di combustibili fossili era pari a circa 1,4 ppm, lo stesso ordine di grandezza della crescita del tenore di gas serra.

Tutto il biossido di carbonio prodotto dal consumo di fonti fossili finisce in atmosfera? Oggi sappiamo che così non è, abbiamo i dati che lo dimostrano, perché il contributo da fossile è cresciuto di un fattore cinque da allora, di molto superiore a quello misurato da Keeling nello stesso periodo. E per questo Keeling aveva già una risposta: non dobbiamo aspettarci che tutto il CO₂ che l’umanità produce contribuisca all’aumento del suo tenore atmosferico. Qualcuno potrebbe dire «per fortuna!», ma anche se questo gas può sciogliersi in acqua, dando vita all’acido carbonico, con una cospicua parte quindi assorbita dagli oceani, la cosa ha, tuttavia, come conseguenza diretta il fenomeno dell’acidificazione degli oceani. In altri termini, se l’assorbimento di questo gas serra da parte degli oceani ci dà una mano a mitigarne gli effetti in atmosfera, d’altra parte va a fare danni, e non pochi, in altro modo. 

A questo punto, la correlazione quantitativa tra l’aumento osservato e il contributo di origine antropica è come minimo indicativa ma, ricordiamolo ancora, correlazione non implica causalità[4].

Prove dal passato

Come ho avuto modo di scriverne in questo post sono ormai decenni che diverse fonti forniscono i dati che ci raccontano come sia cambiato il clima sulla Terra nel corso di tutta la sua lunghissima storia geologica: sono le analisi stratigrafiche dei depositi sedimentari, i carotaggi di sedimenti marini o di lunghe colonne di ghiaccio prelevate nell’Artide così come in Antartide, o dai ghiacciai, persino da quelli alpini, e la relativa analisi dei loro contenuti, compresa la composizione dell'aria fossile nelle micro bolle d'aria; lo studio dei depositi vegetali trasportati dal vento, le analisi palinologiche (dei pollini), la distribuzione di organismi unicellulari dal guscio calcareo (foraminiferi), quello del rapporto tra concentrazioni di isotopi diversi dell’ossigeno o del carbonio e persino le analisi dei microsedimenti lasciati sui fondali marini del Nord Atlantico: sedimenti rilasciati da giganteschi iceberg che andavano migrando e sciogliendosi, dopo essersi staccati per crollo dal fronte delle inimmaginabili estese calotte glaciali presenti nelle epoche più fredde del nostro pianeta. E questi ultimi studi sono quelli tra i più coraggiosamente intuitivi e curiosi, che hanno messo in relazione eventi tra loro apparentemente slegati quali la fusione di iceberg, normalmente collegata a periodi di riscaldamento, e che invece ha apportato enormi quantità di acqua dolce e fredda, talmente tanta da alterare lo schema della normale circolazione delle correnti oceaniche che avviene, di solito, per differenze di temperatura e salinità.

Tutti questi sono ciò che i climatologi chiamano proxy data, non potendo effettuare misurazioni dirette nel passato per ovvi motivi si deducono alcuni fatti dall’analisi indiretta, per procura, di altri elementi.

Le previsioni e le proiezioni che vengono quindi elaborate continuamente, o la possibilità statistica concretamente molto alta che le cose vadano e potranno andare proprio così è provato da come sono andate in passato.

Ed è proprio dal ghiaccio polare, o meglio dalle bolle d’aria che si formano durante il processo di compattazione della neve caduta, che provengono le informazioni fondamentali. E, allo scopo di dare la necessaria globalità, è sia ghiaccio artico come quello estratto in Groenlandia, col North Greenland Ice Core Project (NGRIP), un progetto finanziato dalla UE che ha effettuato carotaggi fino ad oltre 3.000 metri di profondità perforando la calotta glaciale groenlandese, o antartico, col grandioso esperimento internazionale, European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA) con dati ricavati da carotaggi spintisi fino a valori record: 3.270 metri di profondità, estraendo ghiaccio sempre più vecchio, fino a quai a 800.000 anni fa.

Come potete vedere dalla figura precedente i siti di perforazione e carotaggio in Antartide sono numerosi e, maggiore è la profondità raggiunta, più vecchio sarà il periodo di formazione del ghiaccio dovuto alla stratificazione della neve anno dopo anno, stratificazione con aspetti diversi in estate rispetto all’inverno e così, proprio come gli si fa con gli anelli di accrescimento degli alberi, è possibile contare gli anni. Quindi, misurare la composizione del gas nelle bolle d’aria significa ottenere la composizione del gas atmosferico in quel luogo a quel tempo.

A questo punto abbiamo i dati misurati dall’osservatorio a Mauna Loa dal 1958 in poi[5] e la media di quelli dei carotaggi provenienti da vari siti, tutti allineati come lecito attendersi, per quanto riguarda i valori prima del 1958.

Mi sembra abbastanza evidente che, inserendo la curva di Keeling in ognuna delle curve che riportano i valori atmosferici derivanti dai carotaggi (o da qualsiasi altro dato proxy), l’impennata sia più che evidente. A conti fatti, dall'inizio dell'era industriale, sono bastati soltanto gli ultimi circa 60 anni per produrre il 40 percento delle emissioni antropiche.

E che cosa hanno in comune tutti questi bruschi cambiamenti di tendenza che rendono l’aumento del gas serra così concentrato nel tempo? In una parola, così accelerato?

L’inizio dell’epoca in cui si è iniziato a bruciare, soprattutto su scala industriale, combustibili fossili.

Osservate la curva dall’anno zero. Gli ultimi duemila anni di storia dell’umanità, storia raccontata e scritta, testimoniata. O quella a partire da 10.000 anni fa, dalla rivoluzione neolitica come qualcuno l’ha definita, l’agricoltura e la pastorizia, la nascita della stanzialità e forse della prima importante impronta ecologica dell’umanità. Ma quello che più colpisce è quello che parte dal 1700 in poi: prima e dopo la rivoluzione industriale, prima e dopo l’invenzione del motore a vapore, perfezionato e migliorato da parte dell’ingegnere scozzese James Watt nel 1765 (ne scrissi qui).

Il grafico precedente ci porta indietro di ben 800.000 anni, l’impennata recente diventa praticamente verticale, talmente breve è l’intervallo di tempo della curva di Keeling rispetto al passato geologico. Quei cicli di alti e bassi nel tenore di CO₂ seguono quasi fedelmente i periodi interglaciali che intervallano le grandi glaciazioni, dovute a variazioni orbitali della Terra. Tra i molti e tra i primi che cercarono di mettere ordine tra quanto osservavano e le spiegazioni relative uno dei primi ad avere le idee chiare fu sicuramente l’ingegnere serbo Milutin Milanković, ne ho scritto approfonditamente qui.

Si nota immediatamente una cosa, evidenziata nella figura seguente: il tenore di CO₂ è direttamente proporzionale alla temperatura dell’atmosfera, quanto più fa caldo quanto maggiore è il tasso di biossido di carbonio in atmosfera. Verrebbe da chiedersi se fa più caldo perché c’è più CO₂ o c’è più CO₂ perché fa più caldo? Ma, direbbe qualcuno, "i polli non fanno le uova perché da queste nascono". La spiegazione del fenomeno sta in due aspetti correlati: l’aumento della temperatura comporta la fusione delle calotte e dei ghiacciai continentali, oltre che ad un maggior tasso di evaporazione: di conseguenza il gas è liberato in atmosfera dalla criosfera e dall’idrosfera, inoltre al crescere della temperatura diminuisce la solubilità di questo gas in acqua. E questo causa un cosiddetto feedback positivo, un rinforzo. Quanto più aumenta il tenore di CO₂ tanto più aumenta la temperatura rinforzando il periodo interglaciale. Al contrario, le temperature basse favoriscono la solubilità del gas in acqua[6]. 

Ricordate il problema dell'acidificazione degli oceani? A questo punto si potrebbe pensare che, visto che con l'aumento delle temperature i mari vedono la loro capacità di assorbimento del CO₂ ridotto, il problema dell'acidificazione dovrebbe mitigarsi, purtroppo così non è perché i tassi di acidificazione crescono molto più velocemente del previsto. Entro il 2100, il pH degli oceani di superficie potrebbe scendere al di sotto di 7,8, ovvero più del 150% dello stato già corrosivo attuale, e potenzialmente anche di più in alcune parti particolarmente sensibili del pianeta come l'Oceano Artico. E comunque se gli oceani assorbono meno all'aumentare della temperatura, ciò significa che il gas serra resta in atmosfera, e se resta in atmosfera la temperatura aumenterà ulteriormente. Avete già capito: un altro feedback positivo.

La relazione tra CO₂ e temperatura è nota e studiata almeno dalla prima metà del XIX secolo, dai lavori dell'americana Eunice Newton Foote e del fisico John Tyndall, ed è stata definitivamente consacrata dal lavoro di Svante Arrhenius del 1896. Ne ho parlato in dettaglio in questo post.

Tutti i dati sono pubblicamente disponibili sul sito della Scripps Institution of Oceanography, proprio quella con cui collaborò Keeling.

Non ci resta che correlare
Torniamo adesso alle emissioni totali del solo CO₂. Il sito del Global Carbon Project fornisce la curva che ci è necessaria. Quella a partire dal 1960, stesso periodo di quella di Keeling, Non è soltanto una coincidenza che anche questa abbia una crescita monotòna assimilabile a quella del tenore di CO₂. Sono evidenti ed apprezzabili anche i momenti critici che comportarono un minor consumo di combustibili fossili con conseguente riduzione, minima ma apprezzabile, delle emissioni di gas serra.

Ricorderete che all’inizio si affermò che la correlazione quantitativa tra l’aumento osservato e il contributo di origine antropica è come minimo indicativa. Direi che a questo punto possiamo affermare, al di là di ogni ragionevole dubbio, che la correlazione è estremamente significativa: c’è un nesso di causalità.

Cosa questo ha a che fare con il cambiamento climatico, col riscaldamento globale? Questa è un'altra storia, e ne ho scritto più volte…

Ma, a rischio di diventare pedante e noioso (e c’è ben poco da annoiarsi…) propongo un ultimo grafico. L’aumento della temperatura media del pianeta, a partire dal 1850, espressa in termini di anomalie rispetto alla temperatura media nel trentennio 1961-1990. Traete voi le correlazioni. Come tutti gli splendidi grafici di Our World in Data è interattivo.

Lo so, avevo detto che quello precedente sarebbe stato l'ultimo grafico, ma il prossimo parla da solo: fermare ora le emissioni comporta un ritorno a livelli preindustriali sempre più lontano nel tempo, e tanto più alto sarà il tasso esistente al momento in cui si interromperanno le emissioni addizionali tanto maggiore sarà il tempo di ritorno all'equilibrio. Ne ho parlato con dovizia di particolari in questo post.

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[1] Ho già avuto modo di scriverlo. Più conosciuta forse come “anidride carbonica” ma ormai da moltissimo tempo “biossido di carbonio” è il nome corretto negli standard di nomenclatura chimica.
[2] Fotosintesi clorofilliana
[3] Ovviamente è un po’ più complicato di così: ne ho scritto qui.
[4] Questa cosa è ben nota a chi, come me, si è divertito a cercare correlazioni spurie di ogni tipo.
[5] E non solo comunque, ma sarà sufficiente fare riferimento a questi. Nella curva di Keeling riportata si precisa che alcuni dati derivano dall'osservatorio di Mauna Kea perché, durante una recente fase eruttiva del Mauna Loa la stazione non era disponibile.
[6] Un esempio immediato e intuitivo. Agitando una bottiglia di acqua gassata fredda, arricchita di CO₂, si formano meno bolle che non facendolo con una bottiglia di acqua più calda. La bassa temperatura favorisce la solubilità.