Trovare un capello in piscina: il segnale delle emissioni fossili nell'atmosfera

Dopo che le molecole di biossido di carbonio (CO₂) sono rilasciate nell'atmosfera si miscelano e si distribuiscono su tutto il globo. Questo processo di miscelazione e ridistribuzione richiede uno o due mesi a livello emisferico ed oltre un anno per avvenire su tutto il globo. L'atmosfera terrestre contiene già molte molecole di CO₂ (nel 2018 l’Organizzazione Meteorologica Mondiale ha stimato in  407.8 ppm, il rapporto di mescolamento medio globale, contro un valore pre-industriale di 278 ppm); le piante hanno bisogno di CO₂ per crescere e molti processi diversi assorbono e rilasciano CO₂, contribuendo a guidarne la variabilità nel tempo e nello spazio.

Possiamo spiegare meglio, attraverso una semplice analogia, come le emissioni di combustibili fossili influenzino le concentrazioni di CO₂ nella nostra atmosfera: supponiamo di avere una piscina, dove l'acqua corrisponda alla CO₂, e quindi il livello dell'acqua rappresenti il contenuto di CO₂ dell'atmosfera. La pioggia che cade nella piscina rappresenta le emissioni naturali di CO₂, l'evaporazione dell'acqua dalla piscina rappresenta l'assorbimento di CO₂ da parte delle piante ed uno scarico sul fondo reppresenta l'assorbimento da parte degli oceani. Infine, le emissioni di CO₂ dall’uso di combustibili fossili sono rappresentate da un rubinetto che riempie la piscina di acqua.

Se assumiamo che un peta-grammo (= 10¹⁵ g = 1.000.000.000.000.000 g) di carbonio sia rappresentato da 1 m³ di acqua, avremmo una piscina con un perimetro di 25 m x 15 m ed una profondità di 1,57 m. La pioggia (ossia le sorgenti naturali di CO₂) porterebbe ogni anno circa 110 m³ di acqua nella piscina. All’incirca la stessa quantità di acqua sarebbe persa a causa dello scarico sul fondo (assorbimento da parte degli oceani) e dell'evaporazione (assorbimento di CO₂ da parte della vegetazione). Nonostante vi siano delle variazioni stagionali nei processi di evaporazione e precipitazione, il livello medio dell’acqua nella piscina resterebbe abbastanza stabile. Tuttavia, l'afflusso ed il deflusso di acqua non sarebbero in fase fra loro: ciò significa che il livello dell’acqua nella piscina sarebbe un po' più alto in inverno ed un po' più basso in estate. La fluttuazione stagionale sarebbe di circa 1 centimetro: in estate il livello dell’acqua sarebbe di 1,565 m (156,5 cm), in inverno di 1,575 m (157,5 cm). Ciò significa che la variazione del livello dell’acqua sarbbe al massimo di -0,1 mm (che equivale a 100 µm) al giorno nel periodo primavera – estate, e +0,1 mm/giorno in autunno - inverno.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Continuando la nostra analogia con il modello della piscina, supponiamo che circa 200 anni fa qualcuno abbia installato un rubinetto (che rappresenta le emissioni antropiche di CO₂) che genera un ulteriore immissione di acqua nella piscina e che il quantitativo di tale immissione sia aumentato nel tempo: oggi questo rubinetto porta nella piscina circa 10 m³ di acqua in più ogni anno. Questa ulteriore immissione, ha però modificato anche la capacità di autoregolazione del livello di acqua della piscina: dei 10 m³ di acqua aggiunti ogni anno dal rubinetto, 5.7 m³ sono eliminati dall’evaporazione e dallo scarico nel fondo, ma 4,3 m³ rimangono nella piscina. L'acqua aggiunta dal rubinetto ha già causato un aumento di 64 cm del livello di acqua, portandolo da 1,57 m a  2,21 m. Ogni anno il livello di acqua nella piscina (che, ricordiamo, è un analogo della CO₂ nell’atmosfera) aumenta di 11 mm, in media 30 µm al giorno (praticamente il diametro di un capello molto sottile).

 

L’effetto delle restrizioni legate al Covid-19 - quasi impossibile da vedere

Le misure restrittive legate all’emergenza del Covid-19 hano ridotto l'afflusso netto aggiuntivo di acqua da 4,3 a 3,8 m³ all'anno (attualente si stima un diminuzione complessiva delle emissioni di CO₂ pari a 2000 MtCO₂). Ciò significa una riduzione dell'aumento giornaliero del livello della pisicina da 32 a 28 µm. Questa differenza è estremamente piccola (potremmo dire, per analogia, come tra il diametro di un capello molto sottile ed un capello ancora più sottilie). Tuttavia, queste piccole differenze si sommano nel tempo ed aumentano col perdurare delle misure restrittive.

 

 

C'è una lezione importante da imparare da questa analogia: le misure di restrizione legate al Covid-19 non hanno quasi alcuna influenza sull'aumento di CO₂ nell'atmosfera. La situazione non è affatto migliorata (se non di pochissimo) rispetto al periodo precedente l’emergenza (discuteremo di questo ancora alla fine dell’articolo). Ora affrontiamo un’importante domanda che ci è stata posta più volte durante la pandemia: possiamo rilevare l'effetto del lockdown sulla CO₂ nella nostra atmosfera?

La risposta è, come molto spesso avviene in ambito scientifico: "in teoria sÌ". Sarebbe “semplicemente” la differenza tra le due curve, e gli strumenti di rilevazione che abbiamo oggi a nostra disposizione sarebbero in grado di rilevare tale differenza. Tuttavia, nella pratica, ci sono alcuni problemi che rendono la questione estremamente complicata e difficile.

1. Nella realtà siamo in grado di misurare solo una delle due cuve (quella rossa). Non abbiamo a disposizione due pianeti, uno nel quale siano attive le resitrizioni del Covid-19 ed uno in cui le cose procedano normalmente, per svolgere un esperimento “controllato”! Abbiamo a disposizione solo i dati per disegnare la curva rossa della Figura 4 e dobbiamo metterla in relazione con una curva blu “artificiale” ottenuta  da modelli oppure dalle osservazioni degli anni precedenti. Entrambi gli approcci soffrono però di importanti limitazioni. Avere una curva blu “artificiale” ci può allontanare dalla realtà che viene descritta dalle osservazioni, mentre utilizzare il confronto con gli anni precedento ci porta al problema successivo.

2. Il ciclo globale del carbonio non ha la regolarità di un orologio. I punti di massimo e minimo mostrati nella Figura 1 non sono regolari, perché i tempi in cui si presentano variano a seconda degli anni. Ad esempio, in un anno specifico, potremmo avere un inverno particolarmente caldo ed un inizio anticipato della primavera. Un altro anno potrebbe invece essere caratterizzato da un ritardo nell’inizio della primavera, oppure da un’estate più o meno umida o secca, o da un  autunno più o meno caldo o freddo… e così via.

 

 

 

 

 

Combinando i due problemi sopra menzionati (1: non abbiamo a disposizione una curva blu ottenuta da dati osservativi, e 2: i flussi dentro e fuori la 'piscina atmosferica' variano ogni anno) si arriva a definire l'approccio più sensato per catturare il segnale della dimunizione delle emissioni attraverso le osservazioni in nostro possesso: si confronta l’anno 5 (impattato dalle restrizioni) con gli anni precedenti.

 

 

Oltre ai due problemi elencati finora, esiste un terzo problema: il vento!

3. Immagina che la piscina sia all'aperto. Il vento causerebbe delle onde. Queste onde potrebbero avere un’ampiezza di diversi cm e disturbare le misurazioni del livello dell’acqua. Nel nostro modello, il vento rappresenta il trasporto atmosferico, mentre le onde rappresentano eventi di trasporto di CO₂ da zone di emissione più o meno intensa.

Riassumendo: riuscire a misurare in modo robusto nella  nostra piscina una variazione di livello grande come il diametro di un capello, con il livello dell’acqua che varia come abbiamo descritto e l’effetto delle onde, appare una missione impossibile.

La risposta è nelle onde causate dal vento

Tuttavia, non saremmo scienziati se ci arrendessimo qui. Esiste un approccio più efficace rispetto alla semplice ricerca dell’effetto delle restrizioni legate all’emergenza Covid-19 sulla concentrazione media di CO₂. In effetti, possiamo trovare proprio tra le onde l'informazione che cerchiamo. Per spiegare come, dobbiamo passare dall’esempio del livello dell’acqua nella nostra "piscina atmosferica" alle osservazioni reali di CO₂ nell'atmosfera, che l’Infrastruttura di Ricerca ICOS sta fornendo. Tuttavia, restiamo ancora un attimo nella nostra psicina  e immaginiamo che l'afflusso dell’acqua dal rubinetto non avvenga da un solo punto di immissione, ma sia distribuito in tutta la piscina. In questa configurazione, le onde potrebbero trasportare le informazioni relative ad un punto di immissione nelle loro vicinanze. Se misuriamo le onde in modo costante e per un periodo di tempo lungo possiamo catturare questa informazione.

Passiamo ora alle misurazioni atmosferiche di CO₂. Diamo un'occhiata più da vicino alla concentrazione atmosferica di CO₂ in una stazione ICOS, la torre atmosferica che si trova vicino a Gartow, in Germania. Come tutte le altre stazioni ICOS in Europa, fortunatamente tale stazione è attiva e funzionante e continua a monitorare l'atmosfera anche durante il periodo di lockdown. La concentrazione di CO₂ viene espressa in parti per milione - ppm. In generale, la curva è caratterizzata da una diminuzione in primavera - estate ed un aumento in autunno - inverno. Nel grafico delle misure di CO₂ di Gartow possiamo vedere periodi di massimi e minimi nella concentrazione di CO₂. Essi sono causati dal vento che, a seconda delle condizioni meteorologiche, trasporta masse d'aria da diverse aree geografiche verso la torre. Noi definiamo queste aree "impronte" (in inglese, “footprints”) e, per ogni istante, possiamo calcolare l'area dell'impronta che causa una determinata concentrazione di CO₂. Ad una prima analisi, sembrerebbe che la variabilità della concentrazione di CO₂ sia diminuita nelle ultime settimane. Ciò potrebbe essere legato a due ragioni: il vento porta solo masse d'aria provenienti da aree con basse fluttuazioni di CO₂, oppure il vento sta portando il segnale di emissioni realmente più basse. Per avere un risposta a tale quesito sono necessarie analisi statistiche approfondite che ancora non sono state condotte finora e che richiedono tempo ed estrema attenzione nella loro esecuzione. Tuttavia, siamo sicuri che l'impronta delle diminuzioni delle emissioni di CO₂ legate alle restrizioni imposte dall’emergenza Covid-19 possa essere trovata nelle variazioni  della concentrazione atmosferica di CO₂.

Unisciti all’impresa e trova i capelli nella piscina atmosferica!

I dati ICOS sono distribuiti in modo aperto ed in tempo quasi reale da 22 siti di misura in tutta Europa. Incoraggiamo gli scienziati di tutto il mondo ad analizzare questi dati e trovare "i capelli nella piscina atmosferica". Il premio sarà un posto nella “hall of fame” della ricerca sui gas a effetto serra, una pubblicazione di alto livello ed una keynote presentation nella prossima conferenza scientifica ICOS. Per aiutarvi in questa impresa, vi offriamo l'accesso alle capacità di elaborazione nel Carbon Portal di ICOS, oltre a garantirvi una forte collaborazion con la comunità scientifica di ICOS. Non esitate a contattarci per ulteriori informazioni: covid19.CO₂study@icos-ri.eu. Attraverso l’interazione con la comunità scitnifica internazionale siamo certi che saranno sviluppati approcci statistici interessanti e strategie  innovative nell'analisi dei nostri dati.

Giunti alla fine del nostro intervento, torniamo a rivisitare l'analogo della piscina perché abbiamo un sogno. Il nostro sogno è che i fondi che sono stati sbloccati per sostenere la ripresa economica post Covid-19 possano essere saggiamente utilizzati per guidare la decarbonizzazione delle nostre società. Per dare maggiore concretezza a questo sogno, abbiamo introdotto una variazione al nostro analogo della piscina: abbiamo ipotizzato che l'anno 2020 sia il primo anno di un periodo di cinque anni caratterizzati da una graduale riduzione delle emissioni antropogeniche di CO₂. Ogni tre mesi l'aumento giornaliero del livello di acqua nella piscina dovuto al nostro “rubinetto” sarà ridotto di 1 µm (Figura 12). Lo spessore del capello corrispondente all’incremento del livello di acqua da misurare diventeranno via via più piccole ed alla fine del quinquennio l’incremento registrato sarà di soli 12 µm al giorno (invece di 32 µm): le emissioni umane saranno meno della metà di quelle del 2019. La società ha le tecnologie per raggiungere questo scopo, così come le risorse economiche necessarie.

 

Il tasso di crescita della curva che descrive il livello dell’acqua nella "piscina atmosferica" (l’analogo della concentrazione di CO₂ nell'atmosfera) potrebbe notevolmente diminuire fino ad invertire la tendenza nella seconda metà del secolo. Siamo di fronte a un'opportunità storica, di estrema importanza non solo per le nostra generazione ma anche, e soprattutto,  per quelle future. Tra qualche decennio i libri di storia apprezzeranno i politici e gli amministratori che saranno stati in grado di gestire in modo vincente sia la crisi dettata dal Covid-19 che quella climatica: le loro decisioni saranno state in grado di appiattire una, o sperabilmente, entrambe le curve.