Gas serra: il ruolo di CO2, metano e altri composti nel cambiamento climatico

La vita sulla Terra, così come la conosciamo, sarebbe impossibile senza l'esistenza dei gas serra. Questi composti, presenti nell'atmosfera in piccole quantità, hanno la capacità di Intrappolare il calore del Sole, impedendo a una parte di disperdersi nello spazio e consentendo così alla temperatura del pianeta di mantenersi su valori adatti all'esistenza di organismi viventi.. Comunque, il L'aumento della concentrazione di questi gas, dovuto alle attività umane, sta alterando il clima a livello globale., dando origine al fenomeno del riscaldamento globale e alle relative conseguenze.

Per affrontare il cambiamento climatico è essenziale comprendere come funzionano i gas serra, quali sono le loro principali tipologie, da dove provengono e in che modo influenzano l'equilibrio climatico della Terra. In questo articolo descriveremo nel dettaglio tutte le informazioni più rilevanti e aggiornate sull'anidride carbonica (CO2), il metano (CH4), il protossido di azoto (N2O), i gas fluorurati e altri composti, nonché i meccanismi per misurarne gli effetti e le strategie per ridurne le emissioni.

Cosa sono i gas serra e come funzionano?

L'effetto serra è un fenomeno naturale essenziale per la vita, ma il suo intensificarsi è la causa principale dell'attuale riscaldamento globale. Il termine trae ispirazione dal funzionamento delle serre agricole: le pareti di vetro lasciano passare la luce del sole ma trattengono una parte del calore, aumentando la temperatura interna. Allo stesso modo, alcuni gas presenti nell’atmosfera Assorbono e riemettono la radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre dopo aver ricevuto energia dal Sole.

Il novanta percento della radiazione infrarossa emessa dalla Terra dopo il riscaldamento viene assorbita dai gas serra. Questo calore assorbito viene ridistribuito, mantenendo la temperatura media del pianeta a 15°C, invece dei -18°C che si avrebbero se questi gas non esistessero. Tra i principali gas serra ci sono il vapore acqueo, l'anidride carbonica, il metano, il protossido di azoto e l'ozono..

Il problema sorge quando le attività umane, in primo luogo la combustione di combustibili fossili e la deforestazione, aumentano la concentrazione di questi componenti nell'atmosfera al di sopra dei livelli naturali. Ciò rafforza l'effetto serra, provocando uno squilibrio energetico che si traduce in un aumento delle temperature globali, cambiamenti nei modelli meteorologici e un aumento degli eventi meteorologici estremi.

Principali gas serra: identità, origine e potenziale di riscaldamento globale

I gas serra sono diversi e hanno origini, nature e capacità diverse di riscaldare il pianeta. Di seguito vengono esaminate le principali componenti responsabili di questo fenomeno, secondo le ricerche delle organizzazioni internazionali e le attuali conoscenze sul clima:

• Vapore acqueo (H₂O): È il gas serra più abbondante ed efficace, perché assorbe enormi quantità di radiazioni infrarosse. Si genera principalmente dall'evaporazione dell'acqua e dipende dalla temperatura globale. La sua concentrazione varia a seconda dell'altitudine, della temperatura e delle condizioni locali. Il vapore acqueo è fondamentale perché agisce come un potente meccanismo di feedback positivo: l'aumento delle temperature aumenta l'evaporazione, che a sua volta aumenta ulteriormente la temperatura.
• Diossido di carbonio (CO₂): È il gas al centro delle conversazioni sui cambiamenti climatici, perché la sua concentrazione è cresciuta rapidamente a partire dalla Rivoluzione industriale. È prodotto dalla respirazione degli esseri viventi, dalla decomposizione della materia organica, dalla combustione di combustibili fossili (carbone, petrolio, gas), dalle attività industriali e dalla deforestazione. Il ciclo naturale della CO2 comporta emissioni e assorbimenti, e gli oceani e le foreste rappresentano i principali pozzi naturali.
• Metano (CH₄): È l'idrocarburo più semplice. Viene rilasciato naturalmente nelle zone umide, nelle risaie, nell'apparato digerente dei ruminanti e nella decomposizione anaerobica della materia organica, nonché attraverso attività umane come l'allevamento del bestiame, la gestione dei rifiuti e l'estrazione e il trasporto di combustibili fossili. Nonostante sia presente in concentrazioni inferiori alla CO2, il metano ha una capacità di intrappolare il calore molto maggiore e la sua quota è aumentata del 150% dall'era preindustriale.
• Protossido di azoto (n₂O): È causato in gran parte dall'agricoltura intensiva, dall'uso di fertilizzanti azotati, dall'allevamento del bestiame, dalla combustione di rifiuti e combustibili fossili e da alcuni processi industriali. Sebbene sia meno abbondante della CO2 o del metano, il suo potenziale di riscaldamento globale è circa 300 volte maggiore di quello dell'anidride carbonica.
• Ozono (O₃): Si distingue tra l'ozono stratosferico, che protegge la vita sul pianeta bloccando le radiazioni ultraviolette, e l'ozono troposferico, presente nello strato più basso dell'atmosfera ed è il risultato di reazioni chimiche tra inquinanti. L'ozono troposferico agisce come un gas serra ed è anche un inquinante dannoso per la salute.
• Gas fluorurati (F-gas): Questi composti sintetici, creati dagli esseri umani, includono idrofluorocarburi (HFC), perfluorocarburi (PFC), esafluoruro di zolfo (SF₆) e trifluoruro di azoto (NF₃). Vengono utilizzati nella refrigerazione, nella climatizzazione, nell'elettronica e nei processi industriali. Sono noti per avere un potenziale di riscaldamento globale estremamente elevato e una durata nell'atmosfera che può durare migliaia di anni, sebbene la loro concentrazione sia molto più bassa rispetto a quella di altri gas.

Nella tabella seguente è riportato l'elenco dei principali gas serra, la loro concentrazione e la stima del contributo percentuale al riscaldamento globale:

Gas	Formula	Concentrazione atmosferica (circa)	Contributo (%)
Vapore d'acqua	H2O	10–50,000 ppm	36-72
Diossido di carbonio	CO2	~420 ppm	9-26
metano	CH4	~1.8 ppm	4-9
ozono	O3	2–8 ppm	3-7

Non tutti i gas presenti nell'atmosfera contribuiscono all'effetto serra: i più abbondanti, come l'azoto (N₂), ossigeno (O₂) e l'argon (Ar), hanno scarso impatto perché la loro struttura molecolare non consente loro di assorbire la radiazione infrarossa.

Potenziale di riscaldamento globale e durata atmosferica dei gas

Per confrontare l'impatto dei diversi gas serra si utilizza il potenziale di riscaldamento globale (GWP). Questo indice quantifica la capacità di ciascun gas di assorbire energia e riscaldare il pianeta in relazione alla CO2 e in un dato periodo di tempo (normalmente 20, 100 o 500 anni).

Ad esempio, Il metano ha un GWP di 84 a 20 anni e 28-30 a 100 anni, Nel frattempo lui Il protossido di azoto raggiunge un GWP di 265 100 anni. I gas fluorurati possono avere un GWP superiore a 10.000 e la loro permanenza nell'atmosfera varia da centinaia a migliaia di anni.

Altrettanto cruciale è la persistenza dei gas serra: La CO2 può persistere dai 30 ai 95 anni, il metano circa 12 anni, il protossido di azoto più di un secolo e i composti fluorurati come l'esafluoruro di zolfo possono durare fino a 3.200 anni.

Ciò significa che gli effetti delle emissioni attuali dureranno decenni o secoli, influenzando le generazioni future.

Fonti di emissione naturali e antropiche

I gas serra hanno sia origine naturale sia sono il risultato delle attività umane. Ad esempio:

• CO2: Ciclo naturale (respirazione, decomposizione, incendi naturali, vulcani) e combustione di combustibili fossili, processi industriali, deforestazione.
• Metano: Zone umide, risaie, termiti, vulcanismo sottomarino, digestione dei ruminanti, discariche di rifiuti, estrazione di petrolio e gas, perdite dagli oleodotti.
• Protossido di azoto: Processi batterici nel suolo, negli oceani, nella fertilizzazione agricola, nella combustione di biomassa, nella produzione chimica.
• Ozono troposferico: Reazioni chimiche tra ossidi di azoto e composti organici volatili sotto l'azione del sole.
• Gas fluorurati: Processi industriali, utilizzo in sistemi di refrigerazione, condizionamento dell'aria, estintori e produzione di microelettronica.

Attualmente, la principale fonte dell’aumento delle concentrazioni di gas serra è l’attività umana: Il consumo energetico basato su carbone, petrolio e gas naturale, insieme all'agricoltura e al cambiamento dell'uso del suolo, segnano la differenza rispetto ai secoli passati.

Intensificazione antropogenica dell'effetto serra

L'aumento delle concentrazioni di gas serra è il risultato di decenni di industrializzazione e di sfruttamento massiccio delle risorse naturali. A partire dalla rivoluzione industriale, la domanda di energia, la meccanizzazione agricola, la massiccia deforestazione e lo sviluppo industriale hanno portato a un forte aumento delle emissioni di CO2, metano e protossido di azoto.

Ad esempio, La combustione di combustibili fossili è responsabile di quasi l'80% delle emissioni di gas serra nell'UE. L'agricoltura è collegata alle emissioni di metano e protossido di azoto, mentre l'industria e il trattamento dei rifiuti contribuiscono alle emissioni di CO2 e gas fluorurati.

Il risultato è un accumulo di gas nell'atmosfera che intensifica l'effetto serra naturale: Le concentrazioni di CO2 sono aumentate del 50% dall'era preindustriale, quelle di metano di quasi il 150% e quelle di protossido di azoto di circa il 25%.

Impatti ambientali e sociali del riscaldamento globale

Il riscaldamento globale ha conseguenze di vasta portata sull'ambiente, sull'economia e sulla società. Gli impatti principali includono:

• Scioglimento accelerato dei ghiacciai e diminuzione della copertura nevosa, con il conseguente innalzamento del livello del mare.
• Aumento della frequenza e della gravità degli eventi meteorologici estremi, come ondate di calore, siccità, inondazioni e tempeste intense.
• Riduzione della biodiversità e alterazione degli ecosistemi, incidendo sulla disponibilità di cibo, acqua e servizi ecosistemici.
• Peggioramento della qualità dell’aria ed effetti negativi sulla salute pubblica come le malattie respiratorie legate allo smog e all'inquinamento atmosferico.
• Impatto sull’agricoltura e sulla produzione alimentare, nonché sulla vulnerabilità delle popolazioni rurali.
• Spostamenti di popolazione e migrazioni legate al clima causati da calamità naturali o dalla perdita di risorse vitali.

Misurazione e confronto delle emissioni: CO2 equivalente e metodi di valutazione

L'effetto totale dei gas serra si misura non solo in base alla quantità emessa, ma anche in base alla loro capacità di riscaldamento globale e al tempo trascorso nell'atmosfera. Per questo motivo, gli esperti hanno sviluppato il concetto di “CO2 equivalente”, che consente di confrontare e sommare gli effetti di diversi gas, prendendo come riferimento il potenziale di riscaldamento globale della CO2.

Le emissioni vengono valutate in base al settore economico (energia, agricoltura, trasporti, industria, rifiuti), al paese e alla regione e persino al singolo individuo (emissioni pro capite). Le metodologie di calcolo includono stime dirette, modelli di fattori di emissione, bilanci di massa, monitoraggio continuo e valutazioni del ciclo di vita.

Le sfide della misurazione includono la trasparenza, la disponibilità e la coerenza dei dati, nonché la determinazione dei confini geografici e temporali utilizzati in ciascun calcolo.

Il ruolo dei pozzi e il cambiamento dell'uso del suolo

L'atmosfera non è l'unica riserva di carbonio: i pozzi terrestri e oceanici svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione del clima. Le foreste, le giungle, i terreni, le zone umide e gli oceani hanno la capacità di assorbire e immagazzinare grandi quantità di CO2, limitando così il riscaldamento globale.

La deforestazione e il degrado di questi pozzi naturali, tuttavia, riducono la loro capacità di assorbimento, aumentando ulteriormente la concentrazione di gas nell'atmosfera. Proteggere, ripristinare ed espandere i pozzi di carbonio è una delle strategie più efficaci e convenienti per mitigare il cambiamento climatico.

Aerosol e inquinanti climatici di breve durata

Oltre ai tradizionali gas serra, anche minuscole particelle chiamate aerosol e altri inquinanti di breve durata influenzano il clima. Gli aerosol possono provenire da fonti naturali, come la polvere del deserto o le eruzioni vulcaniche, oppure da attività umane, come la combustione di combustibili fossili e la deforestazione.

A seconda della sua composizione, Alcuni aerosol intrappolano il calore (contribuendo all'effetto serra), mentre altri lo riflettono nello spazio (contribuendo al raffreddamento globale). Tra gli inquinanti climatici di breve durata più significativi ci sono il carbonio nero, il metano, l'ozono troposferico e gli idrofluorocarburi.

Ridurre questi inquinanti può generare benefici immediati per il clima e la salute pubblica. Grazie alla loro breve permanenza nell'atmosfera, gli effetti positivi della riduzione delle emissioni si notano nel giro di poche settimane o anni.

Azioni e strategie internazionali per la riduzione delle emissioni

La sfida del cambiamento climatico richiede una risposta globale coordinata. Dal Protocollo di Kyoto all'Accordo di Parigi, i paesi si sono impegnati a ridurre le emissioni e hanno sviluppato strategie per realizzare un'economia a basse emissioni di carbonio.

L'Unione Europea, gli Stati Uniti e altri attori globali hanno implementato misure legislative e politiche per limitare l'uso dei combustibili fossili, promuovere le energie rinnovabili, migliorare l'efficienza energetica, regolamentare l'uso dei gas fluorurati e promuovere la protezione delle acque reflue. Tra i punti salienti rientrano lo scambio di quote di emissione, i piani di riduzione settoriali e la ricerca sulle tecnologie di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS).

Le soluzioni vanno da cambiamenti nei sistemi di trasporto ed energetici, fino a quando necessario trasformazione dell'agricoltura, dell'allevamento e dell'industria. Anche la gestione sostenibile dei rifiuti e l'uso razionale delle risorse stanno acquisendo sempre più importanza.

Innovazioni tecnologiche e soluzioni naturali

Lo sviluppo di nuove tecnologie è fondamentale per ridurre o eliminare le emissioni di gas serra. Esistono diverse tecniche per catturare, immagazzinare e sfruttare la CO2, come la bioenergia con cattura e stoccaggio, la cattura diretta dall'aria e la generazione di biochar per migliorare il sequestro nei terreni agricoli.

Inoltre, La promozione dell'agricoltura rigenerativa, il ripristino delle foreste, delle zone umide e degli oceani e la conservazione della biodiversità sono strumenti essenziali per mitigare il cambiamento climatico. Queste soluzioni naturali contribuiscono sia al sequestro del carbonio sia all'adattamento e alla resilienza degli ecosistemi.

Sfide nella riduzione delle emissioni globali

La riduzione globale delle emissioni di gas serra è una sfida multidimensionale e complessa. Le disuguaglianze tra i paesi sviluppati (storicamente i maggiori emettitori) e i paesi in via di sviluppo (con emissioni in aumento) rendono difficile articolare responsabilità e risorse. Economia, geopolitica, disponibilità tecnologica e adattabilità variano notevolmente da un Paese all'altro.

La crescita demografica, la mobilità internazionale, i consumi e le abitudini alimentari, nonché lo sviluppo economico influenzano la quantità e il tipo di emissioni. Pertanto, le soluzioni devono essere adattate ai diversi contesti sociali, culturali ed economici.

Emissioni per settore e paese: contributo globale

Le fonti di emissioni di gas serra sono varie e distribuite su diversi settori economici:

• Generazione di elettricità e calore (principalmente attraverso la combustione di carbone e gas naturale) è il principale responsabile a livello mondiale.
• Trasporto, che dipende in larga misura dai combustibili fossili ed è uno dei settori più difficili da decarbonizzare.
• Industria, compresi i processi chimici, gli stabilimenti del cemento e la produzione di materiali.
• Agricoltura, silvicoltura e uso del suolo, responsabile delle emissioni di metano e protossido di azoto, nonché della riduzione dei pozzi di assorbimento.
• Gestion de residuos, in particolare discariche e trattamento delle acque reflue.

A livello nazionale, le emissioni storiche e attuali variano notevolmente: Gli Stati Uniti, l'Unione Europea, la Russia e la Cina sono i Paesi con le maggiori emissioni cumulative a causa della loro precoce industrializzazione e del loro elevato livello di sviluppo, mentre i Paesi emergenti come la Cina e l'India hanno visto crescere le loro emissioni pro capite negli ultimi decenni.

Il ruolo dei gas serra artificiali: i gas fluorurati

I gas fluorurati sono composti sintetici con un impatto sproporzionato sul riscaldamento globale. Si distinguono tra loro:

• Idrofluorocarburi (HFC): utilizzato nella refrigerazione, nell'aria condizionata, negli aerosol e nelle schiume. Hanno un potenziale di riscaldamento migliaia di volte maggiore della CO2.
• Perfluorocarburi (PFC): dipendenti nei settori dell'alluminio e dell'elettronica. Sono estremamente stabili e rimangono nell'atmosfera per migliaia di anni.
• Esafluoruro di zolfo (SF₆): utilizzato nell'isolamento delle apparecchiature elettriche. È considerato il gas serra più potente conosciuto.
• Trifluoruro di azoto (NF₃): utilizzato nell'industria dei semiconduttori e della microelettronica. Ha un potenziale di riscaldamento globale molto elevato, nonostante la sua presenza sia bassa.

Per raggiungere gli obiettivi internazionali è essenziale promuovere l'uso controllato di questi gas e sostituirli con alternative sicure e rispettose del clima.

Fattori che determinano l'impatto dei gas serra

L'effetto di ciascun gas sul riscaldamento globale dipende da tre fattori principali:

1. Concentrazione nell'atmosfera: Maggiore è la concentrazione, maggiore è l'impatto sull'energia trattenuta.
2. Tempo di residenza: Un gas che rimane nell'atmosfera per decenni o secoli ha effetti di lunga durata.
3. Potenziale di assorbimento del calore: Alcuni gas, sebbene meno abbondanti, sono molto più efficaci nel catturare l'energia (come il metano o l'SF₆).

Per questo, Il controllo dei gas con elevato potenziale di riscaldamento globale, anche se emessi in quantità ridotte, è essenziale per l'efficacia delle politiche climatiche.

Ripristino, cattura ed eliminazione dei gas dall'atmosfera

La lotta al cambiamento climatico non significa solo ridurre le emissioni, ma anche eliminare i gas serra dall'aria. Tra le tecniche più promettenti ci sono:

• Cattura e stoccaggio geologico della CO2 in formazioni sotterranee sicure.
• Cattura diretta dell'aria, utilizzando tecnologie che estraggono la CO2 e la immagazzinano o la riutilizzano.
• Migliorare l'assorbimento nei terreni agricoli attraverso l'uso di biochar e pratiche agricole sostenibili.

Tali tecnologie devono essere integrate dalla protezione e dal ripristino di risorse naturali quali foreste, terreni e zone umide.

L'importanza dell'educazione e della consapevolezza sul clima

Per affrontare il cambiamento climatico è fondamentale promuovere una cittadinanza informata, consapevole e coinvolta. L'educazione ambientale, la divulgazione scientifica e l'accesso a informazioni chiare sono strumenti essenziali per mobilitare la società, promuovere pratiche sostenibili ed esercitare pressione su governi e imprese affinché prendano decisioni responsabili.