Cambiamenti climatici

Cambiamenti climatici

Introduzione

In questo corso tratteremo le cause dei cambiamenti climatici, gli impatti, e dunque gli adattamenti e la mitigazione. La mitigazione degli effetti dei cambiamenti climatici può essere messa in atto grazie alle biotecnologie. In agricoltura le maggiori emissioni riguardano metano e ossidi di azoto (derivati dalle concimazioni e dalle fertilizzazioni). Le tecniche biotecnologiche si basano sull’utilizzo di biotecnologie sia animali che vegetali, nel senso che si cerca di rendere più resistenti a particolari situazioni climatiche sia le specie animali che quelle vegetali. L’agricoltura contribuisce maggiormente all’emissione di gas serra rispetto alla zootecnia.

L’accumulo di gas è avvenuto in 180 anni (dalla rivoluzione industriale) ed anche cessando l’uso di macchine i gas rimarrebbero presenti nell’atmosfera per molto tempo prima di disperdersi. I tempi sono infatti dilatati, e dunque ridurre oggi le emissioni consentirebbe di vedere risultati tangibili soltanto nel futuro; è proprio per questo che le politiche ambientali sono sempre molto blande imponendo sforzi nel presente ma i risultati saranno tangibili solo nel futuro.

Sfide per il futuro

• Alimentare una popolazione in continua crescita. A partire dalla rivoluzione industriale la popolazione è cresciuta a dismisura, è chiaro che produrre cibo per un numero sempre maggiore di persone provoca dei cambiamenti (quasi sempre negativi) nei confronti dell’ambiente e del clima.
• Le esigenze alimentari. Sono cambiate negli anni con una continua evoluzione, soprattutto confrontando le diverse generazioni. Globalizzazione e crescita numerica della popolazione ne provocano l’aumento (In Asia è un fenomeno molto accentuato).
• Land grabbing identifica un discusso fenomeno economico e geopolitico di acquisizione di terreni agricoli su scala globale, venuto alla ribalta nel primo decennio del XXI secolo. La questione che tale fenomeno solleva riguarda gli effetti di tali pratiche di acquisizione su larga scala nei paesi in via di sviluppo, che si realizzano mediante affitto, o acquisto, di grandi estensioni agrarie da parte di imprese transnazionali, governi stranieri, o singoli soggetti privati.
• Approvvigionamento idrico e di terreni. Problema sulla quantità e sulla qualità delle acque per uso domestico, i terreni invece più fertili sono utilizzati per l’urbanizzazione perdendo le zone coltivabili migliori. Un terreno edificabile è più vendibile rispetto ad uno ad indirizzo agricolo. L’obiettivo che ci si propone è quindi quello di produrre di più su unità di superficie. Ci vogliono 1500 litri di acqua per produrre 1 kg di grano.

La composizione dell’atmosfera è sempre stata mutevole in quanto i vari cicli degli elementi, le trasformazioni vegetali, ecc. contribuiscono costantemente a continue variazioni. Queste variazioni di composizione sono sempre sincrone, ossia ad esempio ad un aumento della CO2 corrisponde un aumento delle temperature (proporzionalità diretta). Ad oggi la concentrazione di CO2 ha superato abbondantemente le 400 ppm, comportando delle variazioni climatiche brusche ed evidenti, tali da non consentire alle specie vegetali un adattamento. A ciò va sommata anche l’enorme crescita demografica: a fine ‘800 eravamo circa 1 miliardo di persone, per il 2050 è previsto si arrivi a 9 miliardi. Va infine ricordato che le esigenze alimentari sia dei paesi “evoluti” sia di quelli emergenti sono cambiate molto nell’ultimo secolo; le crescenti esigenze alimentari dei paesi emergenti sono proporzionalmente molto più rilevanti rispetto ai paesi “evoluti” poiché stanno crescendo in tempi molto brevi.

Ad oggi la temperatura è già aumentata mediamente di 1-1.2 °C rispetto all’epoca preindustriale. Cosa ci aspetta nel futuro? Nel breve periodo possiamo rallentare il flusso di gas nocivi che sono presenti all’interno dell’atmosfera. Per la fine di questo secolo si suppone di avere massimo un aumento di 2 gradi rispetto alla rivoluzione industriale. Ci vorrebbero misure drastiche per rendere possibile questa cosa.

Questo grafico rappresenta l’ipotesi di come potrebbe variare la temperatura negli anni. Il problema di tali curve è che prima di arrivare ad una temperatura soglia si potrebbe avere temperature troppo alte capaci di uccidere specie animali e/o vegetali. In questo caso ovviamente non si potrebbe tornare indietro, ma sarebbe comunque un enorme passo avanti nonostante l’impatto ambientale. In questo caso ci sono diversi aspetti di cui tenere conto partendo da quello etico a quello economico (spinte economiche…) ecc.

Nel 2050 si suppone che la popolazione mondiale consti di circa 9 miliardi di persone; servirà quindi produrre una quantità di cibo superiore rispetto a quella prodotta nei 5 secoli passati. Quali sono le soluzioni possibili a questa richiesta?

• Aumento della superficie coltivata/irrigata come abbiamo già detto, aumentare la superficie coltivata è molto complesso perché molti suoli non sono adatti alla coltivazione, perché la destinazione d’uso agricolo non è la più redditizia, ecc. Indubbiamente agire sull’efficienza delle irrigazioni è molto più importante (e facile?) perché l’acqua tende a finire e se vogliamo avere un futuro su questa Terra si deve per forza massimizzare l’efficienza. Per quanto riguarda le superfici, i migliori da recuperare sono i terreni marginali, ossia quelli che hanno una redditività più bassa ma che comunque non verrebbero utilizzati per altri scopi.
• Aumento della produttività sulla singola unità di superficie (intensificazione sostenibile) per produzione si intende la quantità di prodotto ottenuta per unità di superficie. Ad oggi pensare di aumentare ulteriormente le superfici coltivate è quasi impensabile, la vera sfida è aumentare la qualità del cibo (e quindi della produzione) al fine di soddisfare la domanda con quantità minori.

Produttività Potenziale o Massima: è la produzione massima ottenibile da una pianta che si trova nelle migliori condizioni possibili. Questa situazione si verifica soprattutto in serra, mentre è molto più rara in “campo”. Normalmente la produttività media delle coltivazioni, a causa di stress fitopatologici, idrici, termici, non è mai massima. La differenza quindi tra produttività massima e reale può essere molto evidente. Cercare di uniformare la produttività annuale è la vera sfida che ci si pone, infatti l’oscillazione delle produzioni annue dovuta principalmente alla variabilità delle condizioni ambientali, è fonte di instabilità. Le tecniche che permettono di evitare questa oscillazione, sono le biotecnologie, infatti il miglioramento genetico, la creazione di nuovi ibridi e nuove varietà può essere l’unica soluzione per far fronte a questo problema.

Alla piramide alimentare è stata abbinata la piramide ambientale che indica il consumo di risorse ambientali connesso alla produzione di alimenti.

La variazione dell’uso del suolo determina anche il cambiamento climatico nei territori poiché terreni privi di vegetazione, come quelli industriali, assorbono maggiormente le radiazioni solari e riflettono meno, surriscaldando il terreno. La copertura del suolo riflette le radiazioni solari (i ghiacciai riflettono circa il 100% della radiazione luminosa). Uno degli obiettivi del corso sarà di conseguenza, la ricerca e l’utilizzo delle biotecnologie per aumentare la produttività, diminuendo gli impatti ambientali.

Strategie per aumentare le potenzialità produttive

• Miglioramento dell’architettura della pianta. Se la pianta ha delle foglie che si sviluppano con una diversa inclinazione percepirà diverse radiazioni migliorandone l’efficienza. Le piante hanno un’efficienza nella cattura della radiazione solare pari al 2%, ovviamente aumentare eccessivamente la densità non fa altro che peggiorare questo dato.
• Aumentare il ciclo di crescita. Preferire ad esempio cereali poliannuali piuttosto che annuali, consentendo alle piante di resistere meglio ai cambiamenti climatici. Ciclo determinato: piante che hanno un ciclo determinato da temperature e altri fattori che ne determinano lo sviluppo completo. Si cercano quindi delle varietà che vivano più a lungo con un apparato radicale più sviluppato quindi più resistente.
• Aumentare l’efficienza fotosintetica cercando di far sì che l’efficienza fotosintetica delle C3 sia uguale a quella delle C4. Attualmente le C3 sono molto meno efficienti rispetto alle C4, far sì che ad esempio il riso passi da un ciclo C3 ad un C4 implementerebbe enormemente la produttività dello stesso.

Tempo Atmosferico: insieme di quelle condizioni che si verificano nell’atmosfera in termini di nuvolosità, radiazioni… che caratterizzano l’atmosfera in un determinato momento e in determinato luogo. Il tempo atmosferico è studiato dalla meteorologia e si occupa di fare le previsioni meteorologiche.

Clima: Quando invece si parla di condizioni atmosferiche medie in un lungo periodo si parla di clima, sempre in un determinato luogo ma in un lungo periodo. (Periodi almeno superiori ai 20 anni, così da ipresuppone che si possano ripetere N condizioni. Più è lungo il periodo e più è solida la teoria costruita). Il clima spesso viene rappresentato tramite un grafico termo-pluviometrico. Su lunghi periodi i parametri variano in modo notevole e inaspettato, ma su periodi più brevi, ad esempio, le temperature e l’umidità cambiano in modo preciso e mai repentinamente comportandosi come parametri continui, mentre le piogge e il vento sono un parametro discontinuo. È ovvio immaginare come la misura e dunque la previsione dei parametri continui sia molto più facile rispetto a quella dei discontinui.

Come nasce il clima?

Il clima nasce a partire da una serie di interazioni tra radiazione solare e superficie terrestre. Il Sole è un corpo incandescente con una temperatura che supera i 6000 °C, e che emette un’energia in funzione della sua temperatura alla quarta potenza.

Dove sigma è una costante, T la temperatura assoluta e q l’emittanza termica o emissione di energia. Ogni corpo che è sopra lo zero assoluto emette energia.

Quella del Sole è energia radiativa trasmessa per radiazioni che è una delle tre forme per trasferire energia insieme alla conduzione corpi solidi o liquidi a contatto tra loro come nel suolo, e alla convezione particelle di un gas che si hanno riscaldando l’acqua che diventano più leggere per poi salire verso l’alto.

L’energia radiativa trasmessa dal sole raggiunge l’atmosfera e interagisce con le molecole di N, O, H e C, in 4 modi diversi: Rifrazione in cui la radiazione subisce uno spostamento mantenendo la stessa direzione, in modo parallelo. Riflessione in cui le particelle vengono direttamente riflesse, ad esempio un corpo nero assorbe tutta questa energia evitando tale fenomeno. Assorbimento, contrario alla riflessione, un suolo scuro assorbe di più di uno chiaro, così come un suolo bagnato assorbe più energia di un suolo asciutto; l’energia assorbita si trasforma in energia termica. Diffusione in cui la radiazione viene intercettata da una particella e diffusa a sua volta in tutte le direzioni.

Quando la radiazione solare incontra le nubi, una parte dell’energia viene assorbita, una parte viene riflessa ed una viene diffusa. La singola radiazione può però arrivare diretta senza subire alterazioni, l’aumentare di questo fenomeno comporta un aumento dell’alterazione delle condizioni climatiche. Il fenomeno che lega: radiazioni – superficie terrestre – atmosfera viene descritto tramite il BILANCIO ENERGETICO:

Rn (radiazione netta) = Rgs (radiazione globale del sole) x (1 - α) + RL↓ - RL↑

Dove α = albedo ossia la % di energia riflessa. Se α = 1 allora massima riflessione. Mentre RL = radiazione a lunghezza d’onda lunga. RL↓ rappresenta quelle radiazioni riemesse ed assorbite dalle particelle presenti nell’atmosfera, facendo sì che l’energia si rimuova verso il basso; infatti tutti quei gas definiti “serra” come CO2, CH4, NO… assorbono la radiazione solare e la riemettono verso il basso. Notti con scarsa o nulla copertura nuvolosa, presentano temperature più basse proprio perché le nubi, intercettano, trattengono e riemettono l’energia verso la superficie terrestre. - RL↑ rappresenta invece l’energia persa dalla superficie terrestre.

Nell’equazione, l’albedo (α) si è notevolmente ridotto nel tempo a causa dello scioglimento dei ghiacciai; mentre RL↓, cioè la radiazione trattenuta, è aumentata a dismisura negli ultimi 150 anni andando a causare il famoso “effetto serra”. Ovviamente la quantità di radiazione intercettata dai gas presenti nell’atmosfera varia al variare della forma e della dimensione delle particelle che interagiscono con la radiazione solare, si parla infatti di interazione selettiva.

L’Aerosol per esempio, in un certo senso va a contrastare l’effetto serra in quanto è formato da particelle che riflettono la radiazione solare senza riassorbire la radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre.

La distanza del Sole e la composizione dell’atmosfera incidono profondamente sulla vita della flora e della fauna sulla Terra. Se si considerasse soltanto la distanza Sole-Terra e la temperatura, la superficie terrestre avrebbe una temperatura superiore mediamente di +17°C. Fortunatamente tra il Sole e la Terra è presente l’atmosfera. Si instaura così una sorta di equilibrio tra composizione atmosferica – superficie terrestre – Radiazione solare che può essere alterato quasi esclusivamente dalle attività antropiche. L’equilibrio di cui abbiamo parlato, è descritto dall’equazione del bilancio energetico: se si alterano i parametri dell’equazione, si avranno delle alterazioni a livello climatico ed ambientale. Ovviamente non tutti i costituenti dell’atmosfera reagiscono allo stesso modo con la radiazione, ma avranno comportamenti diversi a seconda delle loro dimensioni, della loro forma, della lunghezza d’onda della radiazione…

Nel grafico di fianco, la linea rossa rappresenta l’energia emessa dal Sole, e l’area in rosso rappresenta l’energia che arriva al di fuori dell’atmosfera. Il sole emette più energia nello spettro del visibile piuttosto che in quello degli UV, mentre gli infrarossi sono emessi tendenzialmente a più bassa temperatura (max circa 300°K). Più alta è la temperatura più le emissioni saranno vicine a quelle del Sole, al contrario, più le temperature saranno basse e maggiori saranno le lunghezze d’onda. L’integrale dell’area in rosso è minore rispetto alla parte sottesa dalla linea rossa dimostra che arriva meno radiazione all’interno dell’atmosfera rispetto a quella che viene emessa dal Sole.

Ad alcune lunghezze d’onda però l’energia arriva inalterata alla superficie terrestre, questo perché la composizione dell’atmosfera è molto variabile e non ugualmente selettiva per tutte le lunghezze d’onda delle radiazioni. Soprattutto l’ozono, ma anche l’ossigeno, fanno sì che una buona parte delle radiazioni emesse dal Sole vengano bloccate ovviamente per quello che abbiamo detto prima ci saranno radiazione completamente bloccate, alcune bloccate parzialmente ed altre che invece penetreranno senza “blocchi” di nessun genere. Tra gli elementi presenti nell’atmosfera citiamo:

• Vapore acqueo: esso nel visibile risulta tendenzialmente trasparente (basti pensare alla visibilità dovuta alla sua presenza). Avvicinandoci alla lunghezza d’onda dell’infrarosso però, inizia ad avere un certo impatto (le radiazioni emesse dalla superficie terrestre restano bloccate con maggiore efficacia quando sia ha abbondanza di nubi proprio perché il vapore acqueo assorbe l’infrarosso emesso dalla Terra). D’inverno il vapore acqueo presente nell’ambiente è minore rispetto all’estate infatti minore è la temperatura e maggiore sarà la probabilità che il vapore condensi, infatti più si abbassa la temperatura e più la quantità di acqua che può stare in una certa unità di volume diminuisce. Al contrario, più le temperature sono alte, e più aumenta la quantità di vapore acqueo che può essere contenuta nell’unità di volume. (in estate infatti si ha una maggiore visibilità dopo una pioggia).
• Anidride Carbonica: non ha interazione con le radiazioni solari, ha tuttavia una fortissima interazione con le emissioni infrarosse emesse dalla superficie terrestre.
• Metano e Ossidi di Azoto (CH4 e NO): sono i gas serra che interagiscono solamente con le radiazioni che vengono prodotte dalla superficie terrestre. Nella formula del bilancio questi due ultimi gas fanno parte di RL↓.

I gas serra per loro natura tendono a diffondersi in modo molto uniforme e quindi anche se emessi in una zona e in una direzione precisa, dopo poco avremo una completa dispersione. Essi interagiscono soltanto con le radiazioni emesse dalla superficie terrestre. Gli aerosol invece, che come abbiamo detto agiscono in maniera opposta ai gas serra, sono localizzati e tendono quindi a rimanere sempre...