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Relazione sull’attività di valutazione pozzi e sorgenti di CO2 con metodi indiretti: aggiornamento a dicembre 2001

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Relazione sull’attività di valutazione pozzi e sorgenti di CO2 con metodi indiretti: aggiornamento a dicembre 2001

Il continuo innalzamento delle concentrazioni di biossido di carbonio è considerato il principale responsabile dell’aumento dell’effetto serra. La teoria base dell’effetto serra fu introdotta all’inizio del 18° secolo dal matematico francese J.B.J. Fourier che avanzò l’ipotesi che alcuni gas sono in grado di assorbire la radiazione ad onda lunga emessa dalla superficie terrestre e dalla bassa atmosfera. Tale energia viene successivamente riemessa andando ad incrementare l’energia in arrivo alla superficie terrestre. Sebbene i gas responsabili dell’effetto serra siano numerosi, recenti studi hanno dimostrato che negli anni 1990-2000 l’aumento di emissioni antropiche di biossido di carbonio rende conto del 60% (1) della variazione del radiative forcing causato dalle emissioni di tutti i gas serra. In questa ottica, lo studio e l’osservazione della variazione della composizione chimica dell’atmosfera e delle variazioni climatiche da essa indotte, rivestono un’importanza che va’ al di la’ del puro interesse conoscitivo coinvolgendo anche aspetti sociali ed economici con importanti ripercussioni a livello planetario. Negli ultimi anni le conoscenze relative al comportamento del biossido di carbonio in atmosfera hanno fatto registrare notevoli successi. Oggi, infatti, sappiamo che l’andamento dei valori di concentrazione di CO 2 in atmosfera può essere ricondotto alla sovrapposizione di tre diverse componenti. Una prima componente è costituita dall’andamento ciclico stagionale che evidenzia massimi di concentrazione ad inizio primavera e minimi nella tarda estate e che riflette il ciclo della biosfera. Una seconda componente è rappresentata dalla presenza di un trend secolare e, sovrapposta alle prime due, la terza componente è costituita da fluttuazioni a breve periodo (short- term). Queste fluttuazioni short-term, associate alla circolazione atmosferica a scala sinottica (2) , riflettono la presenza di pozzi e sorgenti regionali o locali. Più in dettaglio, oggi sappiamo che i valori di concentrazione di biossido di carbonio sono aumentati passando da circa 280 ppm nell’epoca preindustriale, ai circa 365 ppm nel 1998 (1) . Inoltre, studi recenti hanno dimostrato che nell’ultimo decennio si è osservato un tasso medio di crescita annuale di biossido di carbonio di circa 1.5 ppm/anno (con fluttuazioni comprese fra 0.9 e 2.8 ppm/anno) corrispondente allo 0.4%/anno ed è’ stato stimato che l’utilizzo di combustibili fossili rende conto di circa il 70% – 90% di questo aumento (1) . Sebbene, negli ultimi anni, la sensibilità sia dei media sia della comunità scientifica nei confronti del problema dell’aumento dell’effetto serra e dei conseguenti cambiamenti climatici sia decisamente aumentata così come le conoscenze scientifiche riguardanti il fenomeno, a tutt’oggi non è ancora ben compreso il ciclo globale del carbonio. In questa ottica, particolare importanza riveste la conoscenza della localizzazione e dell’intensità delle sorgenti e dei pozzi di biossido di carbonio imputabili sia all’attività umana sia ai sistemi naturali. Tali conoscenze permetterebbero di comprendere con maggiore chiarezza i meccanismi che regolano il bilancio di carbonio e prevedere con maggiore chiarezza i futuri livelli di questo gas serra e, in ultima analisi, di fornire una valutazione delle conseguenze ambientali su grande scala e sul lungo periodo dell’utilizzo di combustibili fossili e della deforestazione. L’approccio più utilizzato per determinare la distribuzione di pozzi e sorgenti di biossido di carbonio è basato sull’applicazione dei modelli inversi. Tali metodi vennero utilizzati per la prima volta verso la fine degli anni ’80

e, a causa dell’esiguità del numero di stazioni appartenenti alla rete di monitoraggio mondiale in quel periodo, le prime applicazioni erano mirate ad ottenere il gradiente inter-emisferico delle sorgenti e pozzi di biossido di carbonio (3,4,5,6,7,8,9) . Oggigiorno, la rete di monitoraggio mondiale oltre a costituire una base osservativa fondamentale in continua crescita atta a stabilire quale sia il grado della variazione della composizione chimica dell’atmosfera, è anche un riferimento per ottenere stime sulla distribuzione spaziale e sulla valutazione dei pozzi e delle sorgenti dei gas climalteranti su scala globale. Attualmente sono in corso attività che utilizzano i modelli inversi basandosi sui dati sviluppati nel progetto Globalview_CO 2 (38) gestito dalla NOAA e che prevede lo sviluppo di un database di dati di CO 2 completo sia spazialmente che temporalmente creando delle serie temporali artefatte che si basano sui dati sperimentali raccolti nel mondo e che vengono gratuitamente inseriti in questo progetto. In questa tipologia di modelli, le misure di CO 2 rilevate a differenti stazioni della rete globale vengono combinate con un modello di trasporto bidimensionale allo scopo di ottenere la distribuzione latitudinale e stagionale dei pozzi e sorgenti necessari a riprodurre le concentrazioni misurate. Ad ogni passo di iterazione, i valori di CO 2 sono ridistribuiti dal modello e la nuova distribuzione viene adattata, tenendo conto dei dati misurati, inserendo opportunamente pozzi e sorgenti dove necessario. Il processo di iterazione viene ripetuto fino a quando i valori di CO 2 calcolati riproducono correttamente i valori misurati (10) . Nonostante un utilizzo sempre più approfondito e circostanziato dei modelli inversi, grandi incertezze restano circa l’intensità e l’ubicazione su scala continentale delle sorgenti e dei pozzi di biossido di carbonio. A tal proposito recenti applicazioni mostrano controversi risultati circa il partizionamento dei flussi netti di CO 2 nell’emisfero Nord fra Europa, Asia settentrionale e Nord America (11,12) . Un differente approccio volto alla determinazione della distribuzione dei pozzi e sorgenti di biossido di carbonio è basato più semplicemente sull’utilizzo delle traiettorie a ritroso delle masse d’aria in combinazione con i dati di concentrazione misurati in diverse stazioni di monitoraggio che costituiscono i cosiddetti punti recettori. Ciò che rende entrambi gli approcci scientificamente opportuni è l’assunzione che il biossido di carbonio è una specie chimica passiva e non reattiva con tempi di residenza in atmosfera relativamente lunghi. E’ quindi altamente probabile, ad eccezione di intensi rimescolamenti delle masse d’aria, che una porzione d’aria che viene a contatto con una sorgente o un pozzo di CO 2 , manterrà le proprie caratteristiche di tracciante (valori elevati o bassi) inalterate fino al punto recettore di misura (2) . Negli ultimi anni numerosi metodi statistici sono stati sviluppati (13,14,15,16,17,18,19,20,39) basati su differenti algoritmi di cluster analisi o su classificazioni delle traiettorie in funzione di variabili fisiche specifiche quali ad esempio la velocità e i settori di provenienza della massa d’aria o, ancora, sul calcolo del tempo di residenza delle traiettorie all’interno delle celle del dominio di calcolo. Il metodo applicato nel presente lavoro prende spunto da un lavoro di Stohl (21) che si basa su quello di Seibert (20) apportandovi delle variazioni atte a rimuovere alcuni limiti legati in particolare alla sottostima del gradiente del campo di concentrazione calcolato. Mediante questo modello è possibile suddividere l’area geografica coperta dalle traiettorie in un grigliato di celle. Per ogni cella, attraverso l’iterazione di un algoritmo statistico, viene calcolato il campo di concentrazione del gas serra considerato. Stohl (21) ha applicato questo metodo al calcolo del campo di concentrazione di solfati su dominio

europeo, mentre Charron et al. (26) , nella configurazione di Seibert, ha utilizzato questo metodo per ricercare le sorgenti di piogge acide all’interno del territorio francese. In entrambi i casi il modello ha fornito ottimi risultati che hanno rappresentato la base di partenza per elaborare una metodologia adatta alla determinazione della distribuzione delle sorgenti e pozzi di biossido di carbonio su scala europea.

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