La concentrazione atmosferica di CO₂ ha sofferto un considerevole aumento nel XX secolo e che continua nel XXI secolo.
Prima dell´inizio della rivoluzione industriale nel 1750 quando Watt perfezionó la macchina a vapore, la concentrazione di CO₂ nell´atmosfera era di 280 ppm (0,028% della miscela dei gas nell´aria) e nell´anno 2010 é arrivata a 390 ppm (0,038%) L´aumento é stato di circa il 40%.
Dunque la maggior parte di questo aumento é attribuibile al consumo di combustibili fossili per generare elettricitá, per l´industria e pre il trasporto, e circa il 35% di questo aumento ai cambi d´uso dei terreni agricoli. (Foley, 2005).
Dal 1958 sono iniziate le misurazioni della CO₂ atmosferica da parte di Charles D. Killing dell´Ist. di Oceanografia di La Jolla in California, e dal 1974 dall´osservatorio di Mauna Loa nelle Haway, lontano da fonti locali di contaminazioni. Dopo altri scienziati hanno ottenuto delle serie di dati che corroborano i risultati di Mauna Loa.

Fig. Evoluzione della concentrazione di CO₂ nelle ultime decadi.

Nelle ultime 2 decadi, l´incremento annuale della concentrazione di CO₂ nell´aria, Con grandi variazioni tra un anno e l´altro, é stato di 2 ppmv, cioé un 0,5% annuo, o come dire circa 3 Pg di carbonio per anno. L´atmosfera attuale contiene circa 750 petagrammi di carbonio in forma di CO₂.

*Pg (Petagrammo) = 10¹⁵ grammi = Gt (Gigatonnelata) = mille milloni di tonnellate.
1 PgC = 3,7 Pg de CO₂
1 ppm nella concentrazione atmosfericadi CO₂ = 2,12 Petagrammi di Carbonio (PgC) = 7,84 PgCO₂

Nel grafico della CO₂ si vedono delle oscillazioni stagionali di vari ppm, in modo che la line é seghettata. Succede che durante la stagione di crescita vegetativa nelle medie e alte latitudini dell´emisfero Nord, dove abbiamo molta piú vegetazione, questa assorbe CO₂ dell´aria e la concentrazione atmosferica si abbassa. Il contrario succede durante la stagione invernale dell´emisfero Nord.
I denti della sega corrispondono ai cambi stagionali del totale della biomassa terrestre. A Mauna Loa normalmente si ha il massimo nel mese di maggio e il minimo a settembre-ottobre.

Fig. Variazioni mensili di CO₂ a Mauna Loa tra gennaio 2005 e ottobre 2009.

http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

L´ampiezza annuale tra cima e valle della concentrazione di CO₂ nell´artico é tra 15 e 20 ppm. Questa differenza diminuisce andando verso l´equatore dove la differenza é di solo 3 ppm. non essendoci una grande stagionalitá nelle piante tropicali, e nell´antartico dove Pertanto, malgrado le correnti aeree che tendono ad omogeneizzare la miscela aria, esistono sempre delle differenze dovute alla latitudine.
Variabilitá naturale della concentrazione di CO₂
L´incremento annuale di CO₂ presenta differenze tra un anno e l´altro e puó variare da 0 a 4 ppm (Quay, 2002; Zeng, 2005).

Queste variazioni dipendono da molti fattori relazionati allo sviluppo vegetativo e ai processi biologici, ad anomalie della temperatura dei suoli, spessore della neve invernale e maggiore o minore intensitá dell´estate, ecc.
Anche il fenomeno del Niño sembra avere una certa influenza complessa ma importante (Feely, 1999; Chavez, 1999), poi gli incendi dei boschi e le torbiere delle zone tropicali, legate queste alla influenza del Niño.

Fig. Emissioni tropicali di CO₂ in petagrammi di carbonio annui.
Solamente una parte della CO₂ emessa si accumula nell´atmosfera (in azzurro) giá che la maggior parte e assorbita dal fitoplancton marini e dalla vegetazione terrestre (in verde) aumentando cosí la biomassa.

Effetto radiativo e termico dell´incremento della CO₂.

L´aumento antropico della CO₂ atmosferico, dai 280 ppm ai 390 ppm di oggi, produce un forzamento radiativo di circa 1,7 W/m2. Si suppone che sia circa il 50% del forzamento radiativo antropico totale dei gas serra. (Myhre , 1998; Hansen 2001; Hansen, 2005; IPCC 2007).

In gradi di temperatura, si calcola che questo aumento di concentrazione di CO₂ (da 280 a 390 ppm) abbia causato un aumento medio globale di 0,6° C.
A lungo termine i modelli usati dall´IPCC predicono che la concentrazione di CO₂ nel 2100 sará tra i 500 ppm e 1000 ppm. L’incremento provocherá un forzamento radiativo tra i 4 W/m2 e i 9W/m2, con un aumento medio della diretto della temperatura di 1,2°C. ma dovuti agli effetti di retroalimentazione si stima che l´aumento tra il 1990 e il 2100 sará tra 1,4° C. e 5,8°C. Negli ultimi 30 anni (1980-2010) il ritmo di aumento é stato di circa 0,15°C./ogni decade, per cui se aumentasse allo stesso ritmo tra 100 anni l´aumento sará di 1,5° C.
Questo aumento si basa im grande parte per la previsione di aumento di vapore acqueo causato dalla maggiore temperatura. L´impatto del vapore acqueo é di circa il 60% dell´effetto serra che si ha nell´atmosfera con cielo sereno. Il feedback provocato dall´incremento di vapore acqueo avrá un effetto radiativo superiore all´insieme di tutti gli altri gas serra. (Karl, 2003). Ma si ripercuoterá anche nella evoluzione e comportamento della nuvolositá, che un fattore ancora poco capito. Pertanto quello che succederá e con che intensitá é qualcosa ancora di molto incerto.

Fig. Stima dei principali cambi radiativi nella troposfera in W/m2 tra il 1750 e il 2000. Positivo in rosso e negativo in azzurro. secondo l´IPCC.
Notasi che se si sottraesse di colpo tutto il diossido di carbonio che esiste ora nell´atmosfera, la diminuzione radiativa corrispondente a questo gas sarebbe di circa 30W/m2, cioé, molto di piú che il cambio corrispondente al suo raddoppio, che appena supererebbe i 2,2 W/m2.
La ragione é che l´assorbimento da parte dei diossido di carbonio giá saturata in parte della ragione spettrale e dove si assorbe radiazione, e pertanto l´aumento dell´assorbimento futura sará sempre molto minore proporzionalmente che l´aumento della sua concentrazione.
Cause dell´incremento
Attualmente si stima in 7 Petagrammi la quantitá di carbonio fossile bruciato all´anno in tutto il mondo e in circa 1,6 Pg la quantitá di carbonio emesso per la deforestazione tropicale e altre pratiche agricole. Un´altra quantitá minore, circa 0,1 Pg di carbonio, proviene dalle rocce calcaree utilizzate per la fabbricazione del cemento.
In totale dai combustibili fossili e deforestazione si emettono nell´atmosfera ogni anno piú di 8 Pg di carbonio, che equivalgono a a circa 30 Pg di CO₂.

Fig. Flussi annuali di carbonio (in rosso) e riserve (nei riquadri)

L´aria contiene circa 800 Petagrammi di carbonio. Si calcola che l´umanitá ha modificato in forma pesante il paesaggio, sviluppo dell´agricoltura, pascoli, attivitá forestali ecc, che ha provocato lungo la storia, un passaggio di 400 Pg di carbonio dagli ecosistemi continentali verso l´atmosfera e gli oceani. Inoltre uso di combustibili fossili ha emesso nell´atmosfera lungo tutta la storia umana, circa di 270 Pg. ( Lal, 2004). Gran parte Di questo carbonio, per processi naturali, é stato riassorbito dalla vegetazione marina e continentale.
Combustibili fossili
L´80% dell´energia annua deriva dall´uso di combustibili fossili: petrolio (35%0 carbone (25%) e gas naturale (20%).

Fig. Fonti di energia primaria globale nell´anno 2004. (Goldemberg, 2007)

Come risultato la media globale delle emissioni di carbonio nell´atmosfera in forma di CO₂ é di 1 tonnellata per anno (tC/anno) per persona. Ma le differenze tra alcuni paesi e altri é enorme: l´emissione pro-capite negli USA é superiore a 5 tC/anno; in Giappone e Europa é tra 2 e 5 tC/anno, e nei paesi in via di sviluppo é di 0,6 tC/anno. In circa 50 paesi sottosviluppati le emissioni sono inferiori a 0,2 tC/anno.

Agricultura, deforestazione e incendi

Il suolo terrestre contiene molto piú carbonio dei 750 Pg dell´aria. La quantitá di carbonio contenuta nel primo metro superficiale di suolo arriva a 2500Pg. di cui 1550 Pg sotto forma di carbonio organico e il resto 950 Pg sotto forma di carbonio inorganico. Il carbonio contenuto nella vegetazione é di 560 Pg.
Le riserve di carbonio del suolo é molto diverso tra una regione e l´altra. Nelle zone aride il carbonio contenuto nel 1° metro é di circa 30 tonn/ettaro ma le torbiere alle alte latitudini contengono 800 tonn/ettaro. Il contenuto medio oscilla tra i 50 e 150 Tonn/ettaro (Lal, 2004).
La conversione di ecosistemi naturali ad agricoltura suppone una perdita del 60% del carbonio del suolo nelle regioni temperate e di un 75% nei suoli coltivati tropicali.
Nei boschi e nei suoli boschivi c´è una gran parte del carbonio organico terrestre. Per questo sono cosí importanti le modificazioni negli ecosistemi forestali e specialmente, in quelli tropicali. La deforestazione assieme all´erosione dei suoli, suppongono una perdita enorme di biomassa e la restituzione nell´atmosfera, sotto forma di CO₂, del carbonio che prima era stato catturato con la fotosintesi. In varie zone tropicali la foresta non si rigenera e cosí aumenta la concentrazione di CO₂ atmosferico.
I processi di perdita di vegetazione sono svariati e difficili quindi da quantificare. La ragione principale della deforestazione tropicale sono gli incendi provocati dall´uomo per aumentare le terre coltivabili e gli allevamenti. Si calcola che queste pratiche provocano e 2/3 della perdita delle foreste tropicali, attualmente la perdita é circa 6 milioni di ettari/anno (Willis, 2004).
Anche lo sfruttamento forestale per ottenere legni pregiati hanno avuto grave influenza nelle foreste del centroamerica, carbe, amazzonia e Africa del Sudest. I legnami sono esportati al 95% verso i paesi sviluppati, America del Nord, Europa e Giappone. Gli stessi che poi piangono per la perdita delle foreste pluviali.

Fig. Emissioni di carbonio nella la atmosfera (gC/m2/anno) 1996-2007 (J.T.Randerson)

http://www.ess.uci.edu/~jranders/

Fuori dei tropici sono da distaccare gli incendi nelle foreste della Siberia, che contiene la metá del carbonio degli ecosistemi forestali della Terra, Incendi incontrollati che hanno bruciato milioni di ettari nel 2003 e questa estate del 2010, lanciando nell´atmosfera (solo nel 2003) 700 milioni di tonn di CO₂, una quantitá simile alla riduzione richiesta nel protocollo di Kioto.
In totale si calcola che le emissioni globali di carbonio dovute agli incendi siano di 3,5Pg all´anno, (Balzter, 2005), che di per sé potrebbe provocare, se il carbonio emesso non fosse riassorbito dalla vegetazione, un aumento di 1,8 ppm di CO₂ nell´atmosfera. Circa un 50% delle emissioni sono dovute agli incendi dell´erba delle savane, un 40% dei boschi tropicali e 190% dei boschi in zone temperate e boreali.
Durante tutto il XX secolo la bruciatura di biomassa dei boschi boreali, temperati e tropicali, cosí come le savane, sono state una fonte molto importante di carbonio, che é stata sottostimata nelle sue ripercussioni climatiche. Ricordo che nella produzione di acciaio si usano milioni di tonnellate di carbone vegetale. Secondo un recente studio giá agli inzi del XX secolo gli incendi hanno immesso nell´atmosfera tra 1,5 e 2,7 Pg di carbonio. (Mouillot, 2006).

Finalmente in Africa il 94 % della popolazione rurale e il 73% di quella urbana usa il legname come principale fonte di energia. In scala globale si calcola che il carbonio emesso dal legname bruciato sia tra 2,5 e 5 PgC (Imhoff, 2004).

Gli assorbenti di CO₂

Dalla misurazione diretta della concentrazione di CO₂ nell´aria si deduce che il carbonio in atmosfera aumenta in media tra i 3 e 4 PgC annui. le emissioni antropiche superano i 7 PgC e pertanto solo il 50% del carbonio emesso resta nell´atmosfera, l´altra metá e assorbita dal mare e dalla biomassa continentale.
Esistono peró molti dubbi di dove siano questi assorbitori e in che proporzione sia il rapporto tra oceani e vegetazione che riassorbono la CO₂. (Battle, 2000).
Ci sono aumenti sia nella biomassa continentale che in quella oceanica ma é difficile da quantificare. I calcoli si basano nei cambi avuti nella concentrazione atmosferica e oceanica di O₂, e nei gradienti latitudinali osservati nelle misurazioni, tanto di CO₂ che di O₂. (Keeling, 1996; Joos, 1999 y 2003).

Una prova dell´incremento della biomassa terrestre si basa nella curva di evoluzione della CO₂ atmosferica. Negli ultimi 30 anni l´ampiezza del ciclo annuale della concentrazione di CO₂ atmosferico é aumentato anche se in maniera irregolare. Probabilmente in conseguenza di una maggiore attivitá vegetativa, con maggior assorbimento in primavera-estate e un minore rilascio di CO₂ in autunno-inverno per un aumento della materia organica ossidata.
Le analisi della produttivitá marina durante il periodo 1948-2003 nel mar del Nord e nel Nordest dell´Atlantico, indicano anche un considerevole aumento del fitoplancton, specialmente negli anni 80, incremento che si mantiene tutt´ora. (Raitsos, 2005).
In un complesso studio delle fonti di incremento carbonio disciolto nei mari Sabine e al. (Sabine 2004) dedussero che nel periodo 1980-1000 dei 117 PgC emessi per la bruciatura di combustibili fossili e la fabbricazione di cemento, 65 PgC furono aggiunti all´atmosfera, 37 PgC furono assorbiti dagli oceani e 15 PgC furono assorbiti dalla superficie continentale.
Altre analisi indicano quantitá superiori nell´assorbimento continentale: tra 1 e 2 PgC annuo al Nord della latitudine 25°N dovuto all´incremento di CO₂ atmosferico come all´aumento delle temperature. Studi piú dettagliati in Russia indicano che l`assorbimento nei boschi durante il 1983-1998 fu tra i 74 TgC/anno e i 284 TgC/anno (Beer, 2006).

Rispetto agli ecosistemi terrestri, si sa che quelli dell´emisfero Nord assorbono in forma netta piú CO₂ atmosferico rispetto all´emisfero Sud. L´aria troposferica nell´emisfero Nord contiene solo circa 3 ppm di CO₂ in piú che l´emisfero Sud, peró la maggior parte della CO₂ é emessa proprio nell´emisfero Nord, e che ció dovrebbe dare una differenza maggiore tra nord e sud, dell´ordine di 4 o 5 ppm. Lo sviluppo della vegetazione continentale nell´emisfero Nord potrebbe spiegare tale anomalia. Alcuni calcoli dicono che negli USA e canadá la CO₂ assorbita dal suolo e dalla vegetazione é superiore a quella delle emissioni antropiche in questi paesi. (Fan, 1998).
Altri calcoli piú conservatori indicano che la massa di CO₂ assorbita dal territorio nord americano é 1/3 di quella emessa: 0,5 Pg di carbonio assorbito contro 1,5 di Pg emesso. I calcoli per l`europa indicano che la biomassa assorbe tra il 7% e il 12% delle emissioni.(Janssens, 2003).
I principali meccanismi per spiegare l´aumento della biomassa terrestre sono diversi: a) fertilizzazione dell´atmosfera prodotta dall´aumento di CO₂ b) fertilizzazione del suolo dovuta all´incremento dei deposito di azoto antropico c) riforestazione di terreni e invasione arborea in terreni prima agricoli e adesso abbandonati; d) aumento termico e prolungamento dell´epoca di crescita vegetativa

a) fertilizzazione dell´aria
L´incremento di CO₂ puó influenzare positivamente l´attivitá vegetativa rafforzando la funzione clorofilliana e potenziando la crescita delle piante e la produzione netta della biomassa.
Poi si produce un diminuzione della evaporazione delle foglie e del consumo di acqua da parte della vegetazione. Succede che gli stom tendono a chiudersi quando aumenta la CO₂ dell´aria. Cosí le piante perdono meno acqua e la fotosintesi si fa piú efficiente. Un minor bisogno di acqua aumenta anche la vegetazione in zone aride e semiaride.
b) fertilizzazione del suolo
Anche i suoli di alcune regioni possono aumentare la loro fertilitá dovuto ad un aumento di composti azotati nel suolo proveniente da certi composti azotati atmosferici, che paradossalmente sono il prodotto della contaminazione umana. (Nadelhoffer, 1999).
L´aumento delle temperature nelle alte latitudini favorisce la decomposizione nel suolo dei composti azotati, migliora la disponibilitá dell´azoto per la crescita delle piante e alberi e aumenta l´efficienza del processo della fotosintesi creando più massa vegetale. (Melillo, 1993).

c) riforestazione
In molte regioni del mondo, soprattutto nelle regioni temperate dell´Eurasia e America, il processo di riforestazione e l´aumento naturale delle masse boscose, dovuto all´abbandono di campi agricoli, é superiore alla deforestazione. Negli USA il volume di legname é aumentato del 30% negli ultimi 50 anni, (Schimel 2000) in Europa l´aumento della biomassa é stata del 25% tra il 1971 e 1990 (Moffat, 1998).

d) prolungamento della stagione vegetativa e meno gelate.
Una ultima ragione dell´aumento della biomassa é il prolungamento della stagione di accrescimento vegetativo nelle latitudini medie e boreali. Sembra che con un aumento del periodo primaverile e un ritardo dell´autunno di qualche giorno, motivati da un aumento delle temperature ha prolungato il periodo di crescita delle piante. (Mitchell, 2002).
Cosí l´incremento delle temperature notturne ha favorito un allargamento dei periodi liberi dalle gelate che distruggono le piante. (Menzel, 1999).

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