Cambiamento climatico: l’importanza degli oceani Understand article

Tradotto da Attilia Dente. Il ruolo rivestito dai nostri oceani nelle dinamiche del cambiamento climatico è più complesso di quanto pensiamo.

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concessa da Dirk Dallas; fonte
dell’immagine: Flickr

Gli oceani presenti nel mondo sono immensi, coprono il 71% della superficie terrestre e raccolgono il 97% di acqua del pianeta. Se siamo interessati ai fattori che influenzano il clima globale, allora dobbiamo considerare anche gli oceani.

Come nella maggior parte delle aree del cambiamento climatico, che consiste in una variazione della temperatura media della superficie terrestre, il ruolo rivestito dagli oceani è alquanto complesso. I fattori principali coinvolti nel cambiamento climatico sono i composti generati dagli oceani (tra cui il vapore acqueo) che si diffondono nell’atmosfera, l’anidride carbonica che si dissolve nelle acque marine e, infine, il ruolo degli oceani come dissipatori.

Vapore acqueo: riscaldamento o raffreddamento?

Quando pensiamo ai gas responsabili del cambiamento climatico, di solito pensiamo all’anidride carbonica e, probabilmente, ad altri gas presenti nell’atmosfera, come ad esempio il metano. Questi gas contribuiscono all’effetto serra assorbendo e bloccando l’energia infrarossa (calore) diffusa dalla superficie terrestre. Di fatto, però, il gas serra più potente presente nell’atmosfera non è nessuno di questi, bensì semplicemente l’H2O sotto forma di vapore acqueo (figura 1).

Il vapore acqueo presente nell’atmosfera assorbe il 36-85% dell’energia infrarossa diffusa dalla Terra, mentre l’anidride carbonica (CO2) e il metano (CH4) assorbono, rispettivamente, il 9-26% e il 4-9%. Il vapore acqueo atmosferico è prodotto prevalentemente dall’evaporazione delle superfici oceaniche.

Sebbene il vapore acqueo influisca in ampia misura sulla quantità di riscaldamento trattenuta dal nostro pianeta, esso ha un impatto sul clima solo a causa dell’effetto riscaldante di altri gas serra, quali ad esempio la CO2 e il CH4. Se nell’atmosfera non fossero presenti questi gas serra, la temperatura media della superficie terrestre sarebbe molto più bassa (circa -18 °C), e soltanto una minima quantità di acqua evaporerebbe nell’atmosfera. La presenza dei gas serra nell’atmosfera aumenta la temperatura della superficie terrestre, determinando l’evaporazione dell’acqua. Ciò, a sua volta, aumenta ulteriormente il riscaldamento a causa dell’effetto serra del vapore acqueo, e così via. Questo “circolo vizioso”, in cui diversi fattori si inaspriscono l’uno con l’altro, è detto ciclo di retroazione positiva.

Tuttavia, il vapore acqueo ha anche un effetto contrario: una quantità maggiore di vapore acqueo nell’aria vuol dire anche un numero maggiore di nuvole. Le nuvole riflettono nello spazio buona parte di luce solare ricevuta, producendo un effetto raffreddante che sposta il clima globale in una direzione opposta a quella dell’effetto serra. Al momento, le nuvole raffreddano la superficie terrestre di circa 5 °C, ma non sappiamo quali di questi due fattori competitivi – effetto riscaldante o raffreddante del vapore acqueo – prevarrà in una situazione climatica più mite.

Figura 1: concentrazioni medie annuali di vapore acqueo nel pianeta a livello della superficie
Immagine gentilmente concessa da RG Derwent, RD Scientific, Regno Unito

Altri composti oceanici

Oltre al vapore acqueo, gli oceani rilasciano nell’atmosfera altri composti che favoriscono il cambiamento climatico. Alcuni composti generano delle piccole particelle nell’atmosfera, che fungono da “semi di nuvole”, consentendo al vapore acqueo di condensarsi e formare nuvole.

Uno dei composti più importanti nel processo di inseminazione delle nuvole nell’atmosfera è il solfuro dimetile (CH3SCH3), un composto di solfuro prodotto dal fitoplancton (plancton costituito da organismi vegetali) negli oceani. Esso evapora facilmente nell’atmosfera, dove si ossida per formare l’anidride solforosa (SO2) e l’acido metansolfonico (MSA). Nell’atmosfera, l’anidride solforosa si combina con l’acqua per formare l’acido solforico e produrre gli ioni solfati (SO42-). Questi ultimi, in combinazione con l’MSA, sono agenti di inseminazione molto efficaci che consentono al vapore acqueo di condensarsi in goccioline e dare origine alle nubi.

Un altro gruppo di composti che sono rilasciati dagli oceani ed evaporano nell’atmosfera sono gli organoalogenati, come ad esempio il clorometano (CH3Cl). In modo analogo ai loro equivalenti sintetici (ad esempio i clorofluorocarburi o CFC), gli organoalogenati favoriscono la scomposizione dell’ozono nella stratosfera prendendo parte a reazioni fotochimiche con l’ozono. L’ozono gioca un ruolo importante nell’assorbimento delle radiazioni solari ricevute e aiuta a proteggerci dai raggi UV. Allo stesso tempo, però, è anche un potente gas serra e, come l’anidride carbonica, è un prodotto dell’attività umana. Infatti, l’aumento dei livelli di ozono dall’inizio del processo di industrializzazione nel corso degli ultimi 200 anni è la causa, per circa il 15%, di tutto l’effetto serra antropico (causato dall’uomo). Per concludere, i composti organoalogenati generati dagli oceani contribuiscono a una riduzione del riscaldamento globale poiché riducono la concentrazione di ozono nell’atmosfera.

Dissoluzione della CO2: effetto serra incontrollato

Gli oceani hanno un ruolo di primo piano anche nell’assorbimento della CO2. L’anidride carbonica rilasciata dalla combustione dei carbon fossili e da altre attività umane nonché dalla biosfera è assorbita dall’atmosfera oppure dagli oceani. Nonostante l’atmosfera terrestre contenga circa tre trilioni (3 × 1012) di tonnellate di anidride carbonica, la percentuale contenuta dagli oceani è 50 volte maggiore.

Sulla superficie degli oceani, l’anidride carbonica proveniente dall’atmosfera si discioglie nell’acqua. Qui reagisce con l’acqua per formare l’acido carbonico (H2CO3), gli ioni idrogenocarbonati (bicarbonato, HCO3) e carbonati (CO32-):

CO2(g)            +            H2O(l)            →            H2CO3(aq)  

H2CO3(aq)      ⇌            HCO3 (aq)     +            H+ (aq)           

Queste reazioni riducono la quantità di CO2 disciolta, per cui una maggiore quantità di CO2 è assorbita dall’atmosfera.

La CO2 discioltasi in superficie si disperde quindi negli abissi oceanici per mezzo di un processo detto “pompa di solubilità”.  Poiché la solubilità della CO2 è più alta in acqua fredda piuttosto che in acqua calda (figura 2) e considerando che gli abissi oceanici sono più freddi della superficie, la CO2 si ritrae dalla superficie disperdendosi nelle acque più profonde.

Se la temperatura degli oceani aumenta a causa del cambiamento climatico, allora sarà rilasciata una quantità maggiore di anidride carbonica a causa della sua bassa solubilità a temperature più elevate. La CO2 in eccesso contribuisce all’effetto serra aumentando la temperatura degli oceani e rilasciando ancora più anidride carbonica, e così via. In tal modo si crea un altro ciclo di retroazione positiva che può provocare un effetto serra incontrollato.

Figura 2: la capacità di solubilità dell’anidride carbonica diminuisce con l’aumento della temperatura
Immagine gentilmente concessa da Nicola Graf; fonte dati: Handbook of Chemistry & Physics (1953), CRC
 

Assorbimento di calore

La grande vastità degli oceani è uno dei fattori chiave nel cambiamento climatico. Determina quanto calore in eccesso prodotto dal riscaldamento globale può essere incamerato dagli oceani: una quantità maggiore rispetto a quella assorbita dall’atmosfera.

Un calcolo ci può aiutare a confrontare l’aumento di temperatura negli oceani e nell’atmosfera quando è aggiunta la stessa quantità di calore a entrambi (vedi riquadro). Il calcolo dimostra che la capacità termica degli oceani è circa 1000 volte superiore a quella dell’atmosfera. Pertanto, gli oceani mostreranno un aumento della temperatura inferiore per la stessa quantità di energia termica assorbita. Questo implica che gli archi temporali del cambiamento climatico sono determinati innanzitutto dalla massa termica degli oceani, e non da quella dell’atmosfera. Certamente ciò non vuol dire che la temperatura non aumenterà. Tuttavia, l’arco temporale sarà maggiore di quanto si è generalmente ipotizzato.
 

Riscaldamento del globo: un calcolo

Possiamo confrontare l’aumento di temperatura dell’atmosfera e degli oceani che si ottiene aggiungendo la stessa quantità di energia termica a entrambi. Al fine di semplificare, useremo dati approssimativi. (La capacità termica di una sostanza corrisponde alla quantità di energia necessaria ad alzare la temperatura di 1 kelvin (K), ovvero di un grado Celsius, per ogni chilogrammo.)
 

Massa degli oceani terrestri

Capacità termica dell’acqua marina

Capacità termica degli oceani

= 1,3 x 1021 kg

~ 4.0 x 103 J kg-1 K-1

~ 1.3 x 4.0 x 1024

= 5.2 x 1024 J K-1

Pertanto sarebbe necessaria una quantità di energia pari a 5,2 x 1024 J al fine di aumentare la temperatura degli oceani di 1 K.

Confrontiamo questo risultato con la capacità termica dell’atmosfera:

Massa dell’atmosfera terrestre

Capacità termica dell’aria

Capacità termica dell’atmosfera

= 5.1 x 1018 kg

~ 1.0 x 103 J kg-1 K-1

~ 5.1 x 1.0 x 1021

= 5.1 x 1021 J K-1

Pertanto sarebbe necessaria una quantità di energia pari a 5 x 1021 J al fine di aumentare la temperatura dell’atmosfera di 1 K.

Ne deriva la seguente proporzione:

Capacità termica degli oceani / capacità termica dell’atmosfera   =  5.2 x 1024 /  5.1 x 1021   =  ~  1000 J K-1

Ciò vuol dire che, considerando un tasso di riscaldamento di 1 W (1 J s-1) per metro quadro lungo la superficie terrestre (circa 5,1 x 108 km2), ci vorrebbero circa 116 giorni per generare un aumento della temperatura di 1 K (o 1 °C) nell’atmosfera, ma 324 anni per ottenere lo stesso aumento di temperatura negli oceani.

Oceani e futuro

In conclusione, qual è il ruolo che gli oceani giocano nel cambiamento climatico? La risposta è complessa. I composti rilasciati dagli oceani possono contribuire sia al riscaldamento climatico agendo come gas serra, sia al raffreddamento climatico aumentando le nubi. Gli oceani stessi possono assorbire energia termica e, al tempo stesso, contribuire a un abbassamento dell’anidride carbonica. Tuttavia, poiché la temperatura dell’acqua aumenta, può verificarsi un ciclo di retroazione positiva. Al momento, l’impatto netto dei nostri oceani sul cambiamento climatico non è ancora stato chiarito, tuttavia gli scienziati continuano a studiare tutti questi sistemi. In tal modo vengono sviluppati modelli più complessi che aiutano a formulare idee più precise circa il futuro del nostro pianeta.

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Author(s)

Tutti gli autori provengono dalla Facoltà di chimica dell’università di Bristol (Regno Unito). Tim Harrison è Science Communicator in Residence, Dudley Shallcross è professore di Chimica dell’atmosfera e Anwar Khan è Ricercatore Associato Senior del gruppo di ricerca di Chimica dell’atmosfera.


Review

L’articolo fornisce una panoramica precisa del ruolo degli oceani nel fenomeno del cambiamento climatico. In particolare, l’articolo analizza l’effetto dei composti oceanici, come ad esempio il vapore acqueo, il potenziale effetto serra incontrollato della CO2 disciolta e la diversa capacità termica di oceani e atmosfera.

L’articolo può essere utilizzato per collegare chimica, biologia e scienze della Terra, e tratta argomenti quali l’effetto serra e il ciclo dell’acqua.


Enrico Capaccio, Liceo S. Bellarmino, Italia




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