I GAS SERRA

Il vapore acqueo, l'anidride carbonica (CO2), l'ossido di azoto o l’ossido nitrico (N2O), il metano (CH4) e l'ozono (O3) sono i gas serra principali nell'atmosfera terrestre e il loro aumento influisce sul riscaldamento globale. La loro origine è sia naturale che antropogenica. Nell’ultimo secolo si sta verificando un aumento della loro concentrazione dovuta prevalentemente alle attività umane che immettono nell’atmosfera sempre più maggiori quantità di combustibili fossili.

Il vapor d’acqua è presente in atmosfera in seguito all’evaporazione da tutte le fonti idriche (mari, fiumi, laghi, ecc.) e come prodotto delle varie combustioni. L’anidride carbonica è rilasciata in atmosfera soprattutto quando vengono bruciati rifiuti solidi, combustibili fossili (olio, benzina, gas naturale e carbone,), legno e prodotti derivati dal legno.
Il metano viene emesso durante la produzione ed il trasporto di carbone, del gas naturale e dell’olio minerale.

Grandi emissioni di metano avvengono anche in seguito alla decomposizione della materia organica nelle discariche ed alla normale attività biologica degli organismi superiori (soprattutto ad opera dei quasi 2 miliardi di bovini presenti sulla terra).
L’ossido nitroso è emesso durante le attività agricole ed industriali, come del resto nel corso della combustione dei rifiuti e dei combustibili fossili.

Oltre a questi gas, le attività umane immettono nell’atmosfera anche altri gas serra esclusivamente di origine antropogenica.
I principali sono:
– idrofluorocarburi (HFC);
– perfluorocarburi (PFC);
– esafluoruro di zolfo (SF6).

L’intensità dell’azione che questi gas esercitano nel produrre l’effetto serra viene misurata sulla base di alcuni parametri quali :
– la vita media atmosferica ossia il tempo di permanenza del gas in atmosfera.
– il potenziale di riscaldamento (GWP) che definisce l’apporto che ogni gas fornisce al
fenomeno del riscaldamento globale.
La vita media atmosferica indica il tempo necessario affinché l’incremento di concentrazione del gas (o dell’inquinante) emesso dall’uomo venga eliminato e si ritorni ad una concentrazione naturale. La vita media dei gas serra può variare da 12 anni (metano e HCFC-22), a 50 anni (CFC-11), a circa un secolo (CO2), a 120 anni (N2O) ed anche a migliaia di anni (50000 per il CF4).
Il potenziale di riscaldamento (GWP) è espresso come il rapporto tra il riscaldamento globale causato in 100 anni da una data sostanza ed il riscaldamento causato dal biossido di carbonio nella stessa quantità. Da qui deriva che il GWP della CO2 è pari a 1, quello del metano 23, per il CFC-12 è 8500, mentre il CFC-11 ha un GWP di 5000. Vari HCFC e HFC hanno un GWP varabile fra 93 e 12.100. L’esafluoruro di zolfo è un gas serra estremamente potente e ha un GWP pari a 23.900, il che vuol dire che una tonnellata di SF6 provoca un aumento dell’effetto serra pari a quello causato da 23.900 tonnellate di CO2.

Nelle previsioni sugli effetti del riscaldamento globale, generalmente, ci si riferisce alla CO2 includendo anche tutti gli altri gas serra che vengono rapportati ad essa basandosi sui valori dei loro potenziali di riscaldamento.

Possiamo, infine, dire che nonostante l’effetto serra sia un fenomeno naturale e fondamentale per la vita sul pianeta, l’aumento della concentrazione dei gas serra in atmosfera che si è avuto negli ultimi decenni a causa delle attività umane ha inciso in maniera considerevole sul naturale fenomeno dei cambiamenti climatici con conseguenze che si fanno sempre più evidenti.
Sotto accusa sembrano dunque essere le emissioni prodotte dalle attività antropiche che a partire dalla Rivoluzione Industriale hanno fatto aumentare la concentrazione dell’anidride carbonica del 35,7%, dell’ossido nitroso del 15% e del metano di oltre il 50%. Le emissioni sono in particolare dovute all’utilizzo dei combustibili fossili (per le auto, il riscaldamento, la produzione di energia), all’agricoltura, alle attività industriali e minerarie e alla deforestazione.

La comunità internazionale posta di fronte all’evidenza dei dati scientifici ha iniziato a predisporre un programma per la riduzione delle emissioni il cui momento più significativo è stato l’approvazione nell’ambito della Convenzione Quadro delle Nazioni Unite sui Cambiamenti climatici tenutasi in Giappone nel 1997 del Protocollo di Kyoto, un documento che impegna i paesi industrializzati ad una significativa riduzione delle emissioni entro il 2012 e prevede dei programmi di “Clean development Mechanism” (meccanismo di sviluppo pulito) per i paesi più arretrati.

Emissione dei gas serra
Dall’inizio della Rivoluzione Industriale, la concentrazione atmosferica dell’anidride carbonica è aumentata del 37,5% circa, la concentrazione del gas metano è più che raddoppiata e la concentrazione dell’ossido nitroso (N2O) è cresciuta del 15%.
Nei Paesi più sviluppati, i combustibili fossili utilizzati per le auto e i camion, per il riscaldamento negli edifici e per l’alimentazione delle numerose centrali energetiche sono responsabili in misura del 95% delle emissioni dell’anidride carbonica, del 20% di quelle del metano e del 15% per quanto riguarda l’ossido nitroso (o protossido di azoto).
L’aumento dello sfruttamento agricolo, le varie produzioni industriali e le attività minerarie contribuiscono ulteriormente per una buona fetta alle emissioni in atmosfera. Anche la deforestazione contribuisce ad aumentare la concentrazione di anidride carbonica nell’aria, infatti le piante sono in grado di ridurre la presenza della CO2 nell’aria attraverso l’organicazione mediante il processo fotosintetico. Il danno è ancora più evidente se si pensa che nel corso degli incendi intenzionali che colpiscono ogni anno le foreste tropicali viene emessa una quantità totale di anidride carbonica paragonabile a quella delle emissioni dell’intera Europa.
Da notare che la respirazione dei vegetali e la decomposizione della materia organica rilasciano una quantità di CO2 nell’aria 10 volte superiore a quella rilasciata dalle attività umane; queste emissioni sono state comunque bilanciate nel corso dei secoli fino alla Rivoluzione Industriale tramite la fotosintesi e l’assorbimento operato dagli oceani.

Oltre a questi gas a effetto serra, l’uomo immette nell’atmosfera altri gas esclusivamente di origine umana (prima del 1860 non esistevano) con il potenziale di riscaldamento (GWP) nettamente superiore: il GWP dei gas esclusivamente antropogeni più comuni varia da 1700 a 23.900, contro un massimo di 296 dell’ossido di azoto che è superiore sia dell’anidride (con il GWP di 1) che del metano (23).
I più comuni di questi gas, con il relativo GWP e concentrazione nell’atmosfera, sono:
– idrofluorocarburi (HFC), 12.000, 12 ppt;
– perfluorocarburi (PFC), 5700, 79 ppt;
– esafluoruro di zolfo (SF6), 23.900, 4,7 ppt;
– idroclorofluorocarburi (HCFC), 1700, 142 ppt;
– clorofluorocarburi (CFC), 10.600, 533 ppt.

Tali composti hanno forse il più alto potenziale di riscaldamento globale fra i gas in traccia inclusi nel riscaldamento globale, perché sono molto persistenti. In particolare, ogni molecola CFC ha la capacità di causare la quantità di riscaldamento globale causata normalmente da dieci migliaia di molecole di CO2. I CFC e gli altri composti sono stati scaricati nell'atmosfera in grande quantità in passato ed hanno un tempo di residenza elevato:
– idrofluorocarburi (HFC), 1-264 anni;
– perfluorocarburi (PFC), 3200-50.000 anni;
– esafluoruro di zolfo (SF6), 3200 anni;
– idroclorofluorocarburi (HCFC), 12 anni;
– clorofluorocarburi (CFC), 102 anni.

L’uso dei CFC e HCFC è stato proibito nella maggior parte dei Paesi a causa del loro coinvolgimento nella distruzione dello strato dell’ozono, deciso con il protocollo di Montreal nel 1987. Nonostante ciò il loro utilizzo è ancora in crescita (i CFC del 1% e i HCFC del 4,2%).
I HFC sostituiscono i CFC e i HCFC e sono usati per refrigeranti liquidi e schiume; i perfluorocarburi per la produzione di alluminio (59%), solventi e altre sostanze (26%) e per incisione al plasma (15%); l’esafluoruro di zolfo per la produzione di magnesio e fluido dielettrico.
Il loro uso è in continua crescita, anche se la loro concentrazione in atmosfera è ancora molto bassa:
– 5,1% gli idrofluorocarburi (HFC);
– 1,4% i perfluorocarburi (PFC);
– 6,3% l’esafluoruro di zolfo (SF6).

L'effetto congiunto di metano, protossido d'azoto, ozono e CFC ora è quasi grande quanto quello dell'anidride carbonica. Le concentrazioni di questi gas serra sono solitamente indicate come concentrazione di anidride carbonica efficace.

Nei grafici seguenti si può vedere come la concentrazione dei principali gas serra (anidride carbonica, metano e protossido di azoto) sia aumentata in maniera esponenziale a partire dall'avvento della Rivoluzione Industriale. Il problema viene ulteriormente complicato dal fatto che molti gas serra possono rimanere nell’atmosfera anche per decine o centinaia di anni (da un minimo di pochi giorni per il vapore acqueo fino a 50.000 anni per i composti di origine esclusivamente antropogenica, passando dal metano con vita media di 12 anni, l’ossido di azoto 120 anni e l’anidride carbonica da 50 a 200 anni), così il loro effetto può protrarsi anche per lungo tempo, anche se, per un’ipotesi molto inverosimile, in questo stesso istante, in qualsiasi parte del mondo, si smettesse di produrli.

Fonte: riscaldamentoglobale.org

I dati che fanno riferimento al periodo in cui non erano ancora disponibili degli strumenti adatti al rilevamento delle concentrazioni dei gas serra sono stati ottenuti analizzando l'aria intrappolata nel ghiaccio risalente agli anni in esame.

Il Protocollo di Kyoto impegna i Paesi industrializzati e quelli ad economia in transizione (i Paesi dell’est europeo) a ridurre complessivamente del 5% rispetto al 1990 e nel periodo 2008–2012 le principali emissioni antropogeniche dei gas capaci di alterare il naturale effetto serra (questi Stati sono attualmente responsabili di oltre il 70% delle emissioni). I sei gas serra presi in considerazione sono: l’anidride carbonica, il metano, il protossido di azoto (N2O), gli idrofluorocarburi (HFC), i perfluorocarburi (PFC) e l’esafluoruro di zolfo (SF6). Il vapor d’acqua non è stato considerato in quanto le emissioni di origine antropogenica sono estremamente piccole se paragonate a quelle enormi di origine naturale.
Per i Paesi in via di sviluppo il Protocollo di Kyoto non prevede alcun obiettivo di riduzione. In queste regioni la crescita delle emissioni di anidride carbonica e degli altri gas serra sta avvenendo ad un ritmo che è circa triplo (+25% nel periodo 1990-1995) di quello dei Paesi sviluppati (+8% nello stesso periodo).
La stima delle future emissioni diventa così estremamente difficile perché dipende dai vari trend demografici, economici, tecnologici e dagli sviluppi politici ed istituzionali di tutti i paesi del pianeta. In ogni caso, senza delle misure più restrittive volte alla limitazione delle emissioni, la concentrazione atmosferica dei gas serra continuerà ad aumentare fino a provocare dei danni climatici impensabili.
Anche per questi motivi l’IPCC ha elaborato quattro scenari futuri in cui vengono prese in considerazione diversi fattori in base al grado di ricchezza/sostenibilità e globalizzazione/regionalizzazione. (Per conoscere gli scenari IPCC visita la sezione Previsioni)

L’anidride carbonica
La produzione di anidride carbonica non è la stessa in ogni paese. Nonostante ciò tutti i Paesi devono di ridurre le loro emissioni di gas serra perché la CO2 è una sostanza inquinante atmosferica non confinabile. Questo vale per tutti i gas serra e gli inquinanti atmosferici.

Il grafico seguente mostra la concentrazione atmosferica di anidride carbonica durante il secolo scorso. Il CO2 è il gas serra a più alta emissione antropogenica. La sua causa principale di emissione è l’uso di combustibili fossili. I combustibili fossili sono olio (petrolio), carbone e gas naturale che sono sfruttati in grande quantità per produrre energia. Un’altra causa è la variazione nello sfruttamento del suolo.

Emissioni atmosferiche di anidride carbonica nel secolo scorso
Proiezioni IPCC

Nel seguente grafico si vede l’aumento di concentrazione di anidride carbonica dell’anno 1000.

Emissioni passate di anidride carbonica (IPCC)
Proiezioni IPCC

Se le emissioni globali di CO2 si mantenessero come in questi ultimi anni, le concentrazioni atmosferiche raggiungerebbero i 500 ppm, contro i 385 ppm attuali, per la fine di questo secolo, un valore che è quasi il doppio di quello pre-industriale (280 ppm).
Le fonti principali delle emissioni umane di anidride carbonica, si possono così sintetizzare:
– uso dei combustibili fossili (75%);
– deforestazione (24%);
– produzione di cemento (0,6%);
– cattiva gestione forestale e dei suoli.

Il metano
Il metano è il risultato della decomposizione di alcune sostanze organiche in assenza di ossigeno. È quindi classificato anche come biogas.
Esistono sei fonti diverse di metano atmosferico. In ordine di importanza sono:
– fonti naturali come le paludi (23%);
– estrazione dai combustibili fossili (20%);
– decomposizione di rifiuti solidi urbani nelle discariche (circa il 18%);
– gli animali ruminanti per i processi di digestione (17%);
– le risaie, per la presenza di particolari batteri (12%); e
– la combustione di biomassa, soprattutto per riscaldamento o digestione anaerobica (circa il 10%).
Il metano ha un potenziale di riscaldamento globale più grande dell'anidride carbonica. Tuttavia, le emissioni sono inferiori rispetto a quelle dell'anidride carbonica. Si stima che il metano produca circa un terzo di quantità del riscaldamento globale proveniente dall'anidride carbonica.
Dal 60% all'80% delle emissioni mondiali è di origine umana. Esse derivano principalmente da miniere di carbone, discariche, attività petrolifere e gasdotti e agricoltura.

Dopo la rivoluzione industriale ci fu un aumento nelle concentrazioni atmosferiche globali di metano. Durante i 200 anni scorsi la concentrazione di metano è aumentata da 620 ppb nell’anno 1000 a 1750 ppb nel 2000 (vedi il grafico seguente).

Emissioni passate di metano (IPCC)
Proiezioni IPCC

Gli ossidi di azoto e il protossido di azoto
Con il termine di ossidi di azoto (generalmente indicati con NOx) si intendono diversi gas composti da molecole di azoto (N) e molecole di ossigeno(O).
L’ossido di azoto è un inquinante primario che si genera in parte nei processi di combustione per reazione diretta tra azoto ed ossigeno dell’aria che, a temperature maggiori di 1200°C, producono principalmente NO (monossido di azoto) ed in misura ridotta NO2 (biossido di azoto); e in parte da emissioni naturali come eruzioni vulcaniche, incendi, fulmini ed emissioni dal suolo dovute a processi biologici.
Gli ossidi di azoto – tra cui il protossido di azoto o ossido nitroso – sono gas-serra e l'effetto di quest'ultimo è circa 296 volte quello dell'anidride carbonica. Sono soggetti a restrizioni per ridurre le emissioni dei gas serra nell'atmosfera.
Gli ossidi di azoto, in generale, sono il risultato, insieme ad altre sostanze, di attività civili ed industriali che comportano processi di combustione, ad esempio: smaltimento dei rifiuti negli impianti di termovalorizzazione, scarichi dei veicoli a motore (diesel, benzina, GPL), generazione di calore ed energia elettrica, esplosivi e impianti per la produzione di fertilizzanti.

La maggioranza del rifornimento naturale di protossido d'azoto gassoso (N2O) è liberata dagli oceani. I processi che avvengono nel suolo sono responsabili del resto. Il gas è un sottoprodotto del processo biologico di denitrificazione in ambienti anaerobici e del processo biologico di nitrificazione in ambienti aerobici. Ma circa un terzo delle emissioni di N2O attuali sono antropogeniche e provengono principalmente dai terreni agricoli, dal bestiame e dall'industria chimica.
Si deve comunque dire che le emissioni di N2O sono generalmente soggette a grandi incertezze, perché sono principalmente formati tramite processi batterici del terreno e sono quindi difficili da misurare. È, quindi, ancora necessaria un'ampia ricerca sulle fonti di N2O.

Nel grafico seguente si vede la variazione della concentrazione atmosferica del protossido di azoto (N2O) che è aumentato di 46 ppb (17%) dal 1750 e continua ad aumentare. La concentrazione attuale di N2O non è stata mai oltrepassata durante almeno mille anni scorsi.

Emissioni passate di protossido di azoto (IPCC)
Proiezioni IPCC