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Quanto a lungo rimane la CO2 in atmosfera?

Per comprendere quanto la questione del surriscaldamento globale sia urgente e diversa da altri temi ambientali, è utile aver chiaro il comportamento della CO2 in atmosfera, ossia quanto a lungo questo gas rimane in aria una volta emesso dalle attività umane.

 

Mi è capitato di leggere vari articoli in cui si dice che la permanenza della CO2 è di X mesi, di Y anni o anche di Z decenni, con valori diversi per X, Y e Z. I valori sono così diversi perché sono tutti sbagliati, in quanto non esiste un unico valore di permanenza alla CO2in atmosfera. Per spiegarlo occorre una piccola premessa.

Per descrivere la durata di una sostanza (o anche di un isotopo radioattivo) nell’atmosfera, di solito si utilizza un parametro detto “tempo di vita medio” (mean lifetime) o a volte il “tempo di semivita”, che rappresentano rispettivamente il tempo dopo il quale è ancora presente in atmosfera il 37% e il 50% della quantità iniziale. Generalmente le sostanze hanno uno specifico processo di rimozione, e la dinamica di decadimento è di tipo esponenziale (o del primo ordine), per cui il tempo di vita medio e il tempo di semivita possono essere stimati a partire dalla costante che descrive il decadimento esponenziale (tempo di vita medio e di semivita sono rispettivamente l’inverso della costante di decadimento e l’inverso moltiplicato per il logaritmo di 2, una buona spiegazione è disponibile anche su wikipedia).

Per molte sostanze inquinanti o climalteranti ci sono quindi delle apposite tabelle che danno i tempi di vita, ad esempio nella tabella 8.A.1 del Quinto rapporto IPCC, volume 1 (qui sopra). Come si vede, per la CO2 non è indicato un valore di tempo di vita medio, ma c’è una nota in cui si legge “No single lifetime can be given”. C’è quindi il rimando ad un rilevante articolo (Joos et al., 2013) che ha confrontato l’andamento stimato da diversi modelli della CO2 in atmosfera dopo un’emissione impulsiva, rinviando alla sezione 8.SM.11 del Materiale supplementare.

Senza entrare nei dettagli, per la CO2 non c’è un unico tempo di permanenza nell’atmosfera in quanto ci sono molti processi di rimozione con tempi molto diversi, per cui la dinamica del decadimento non può quindi essere rappresentata da una funzione esponenziale. Il ciclo del carbonio è davvero molto complesso (si veda la figura a fianco, Fig. 6.1 da IPCC-AR5, WG1), giusto per menzionare i processi principali, una molecola di CO2 presente nell’aria può essere assorbita dalla biosfera o dal mare (e può essere anche rilasciata), può essere dilavata dalla pioggia e reagire con le rocce carbonatiche, può poi essere rimossa dalla superficie del mare dai processi biogeochimici depositandosi sui fondali (provocando altro assorbimento), può reagire con le rocce ignee, ecc.[un racconto poetico di questo ciclo è stato scritto da Primo Levi ne “Il Sistema Periodico – Carbonio”, su Ad Alta Voce di Radio 3la lettura di Elio de Capitani].

Una formula semplificata proposta per calcolare la presenza della CO2 dopo t anni dalla sua immissione è: CO2(%) = 21,7 + 25,9e−t/172,9 + 33,8e−t/18,51 + 18,6e−t/1,186 (dettagli sul Bern Model qui). L’andamento (linea blu del grafico successivo) indica che quando emettiamo una certa quantità di CO2, metà della CO2 aggiunta è rimossa dall’atmosfera entro 30 anni, un terzo è presente nell’atmosfera dopo circa 100 anni e un quinto ancora dopo 1000 anni; e continua in tutto questo tempo a esercitare il suo potere riscaldante.

Anche se il tempo medio di residenza di una molecola di CO2 nell’atmosfera è di circa 3 anni, va considerato che una volta assorbita dall’oceano la stessa molecola può essere riemessa nell’atmosfera. Di conseguenza il tempo di residenza di una parte consistente delle molecole di CO2 nell’intero sistema aria – oceano – biosfera, considerando anche lo scambio con i carbonati solidi della Terra, è molto più lungo, dell’ordine di circa 100.000 anni.

Se si confronta l’andamento del decadimento della CO2 con quello delle altre due importanti sostanze climalteranti (metano CH4 e protossido di azoto N2O), si intuisce che il problema è che a differenza di CH4 e N2O, che hanno tempi di vita medi di 12,4 e 121 anni, l’andamento della CO2 ha una coda molto lunga: un decimo della CO2 emessa rimane in atmosfera per molte decine di migliaia di anni. Su questa scala temporale (migliaia di anni) continua ad essere rimossa dall’oceano, perché la parte già assorbita dal mare reagisce e si dissolve in forma di bicarbonato e permette ad altre molecole di CO2 atmosferica di essere assorbita. Quando la CO2 si dissolve in acqua reagisce chimicamente formando acido carbonico e quindi carbonati e bicarbonati, e questo permette a così tanto carbonio di essere presente nell’acqua del mare (il 98% del carbonio presente nel sistema atmosfera/oceano è nel mare, solo il 2% in atmosfera). Se non ci fosse la reazione chimica di formazione dei bicarbonati (e quindi il sequestro in forma ionica), sulla base del valore della costante di Henry della CO2, la ripartizione di carbonio fra atmosfera e oceani sarebbe molto diversa.

Nel lunghissimo periodo (> 15.000 anni) diventa preponderante il (lento) processo di rimozione di CO2 tramite la sua reazione con le rocce, ovvero i silicati solidi della Terra, per formare carbonati.

 

Le implicazioni della comprensione di questa particolarità della CO2 sono molte. Ne segnalo tre importanti. La prima è che non è saggio continuare a emettere CO2 in atmosfera se si vuole fermare il riscaldamento globale. La seconda è che le conseguenze delle (mancate) politiche attuali di contenimento delle emissioni di CO2 dureranno molte migliaia di anni. La terza è che se si vuole ridurre la presenza di CO2 nell’atmosfera in tempi rapidi e in modo sensibile (es. tornare a 350 ppm) non basta mandare a zero le emissioni, ma bisogna trovare il modo di sottrarre la CO2 in eccesso.

Per chi volesse approfondire, suggerisco questi tre articoli di David Archer, autore del bel libro The Long Thaw:

Archer D, Brovkin V.(2008) The millennial atmospheric lifetime of anthropogenic CO2, Climatic Change, 90, 283–297, da cui è stata tratta la figura sopra mostrata.

Archer D. et al. (2009) Atmospheric Lifetime of Fossil Fuel Carbon Dioxide, Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 37, 117–134, doi:10.1146/annurev.earth.031208.100206, 2009 (qui il preprint)

Archer D. (2005) Fate of fossil fuel CO2 in geologic time. Journal of Geophysical Research, 110, C09S05, doi: 10.1029/2004JC002625.

 

Testo di Stefano Caserini, con contributi di Paolo Gabrielli

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