Ecologia

Ecologia 2020

Prof. Andrea Binelli
Dipartimento di Bioscienze, Torre C, 6° piano

Testi consigliati

• Elementi di Ecologia – T.M. Smith, R.L. Smith – Pearson
• Scienze Ambientali – G. Tyler Miller – EdiSES

Definizione di ecologia

Ecologia: da oikos = casa e logos = studio, discorso = studio delle relazioni che esistono tra gli organismi e la "casa" in cui vivono, cioè la Terra. Strettamente collegata con evoluzione e genetica:

• Uomo preistorico doveva conoscere molto bene la natura perché dipendeva da essa sviluppò una stretta relazione con la natura
• Oggi l’uomo è riuscito a piegare la natura, ma non del tutto. Climate change: stanno avvenendo molti fenomeni inusuali in luoghi dove non dovrebbero accadere, es: tornado e trombe d’acqua nel Mediterraneo

Il termine ‘ecologia’ è stato coniato da Haeckel nel 1869. Ci sono riferimenti all’ecologia già negli scritti dei filosofi greci come Aristotele e Ippocrate.

Definizione di Haeckel (1869)

“L’ecologia è lo studio dell’ambiente naturale e delle interrelazioni tra gli organismi e l’ambiente in cui essi vivono.”

Storia dell'ecologia

• Oggi ecologo figura a sé stante, una volta associato o alla botanica o alla zoologia.
• Inizi del ‘900: ecologia come scienza autonoma
• 1968-70: esplosione del movimento ambientalista: l’uomo stava sfruttando troppo la natura
• Anni ’70: grazie a mass media sorgono preoccupazioni nella popolazione: più aumenta il benessere, più si creano situazioni deleterie a livello naturale; es: crescita della popolazione, disponibilità di cibo, inquinamento, eutrofizzazione, piogge acide, scarsità di energia e combustibili fossili; inizia lo sviluppo di energie rinnovabili e vengono divulgate le prime leggi ambientali non molto adatte: utilizzavano come organismo modello il pesce rosso, che essendo una carpa è molto poco sensibile ai cambiamenti ambientali e a sostanze tossiche (1976).
• Anni ’80-’90: le problematiche ambientali diventano questioni politiche; prima legge che sostituì il pesce rosso come organismo modello in Italia nel 1999, molto tempo dopo la prima legge ambientale emanata e molto tempo dopo le altre nazioni europee.

Livelli di organizzazione biologica

1. Cellula
2. Tessuto
3. Organo
4. Apparato
5. Organismo
6. Popolazione: gruppo di individui appartenenti alla stessa specie
7. Comunità: tutte le diverse popolazioni che occupano una certa area
8. Ecosistema: complesso di comunità biotica e componenti abiotiche; è il primo livello autonomo
9. Paesaggio: area territoriale eterogenea, composta da più ecosistemi interagenti che si ripetono in una configurazione caratteristica
10. Bioma: unità regionali estese su scala regionale o sub-continentale aventi un tipo di vegetazione comune o altri aspetti identificativi del paesaggio
11. Ecosfera (o Biosfera): include tutti gli esseri viventi che interagiscono con l’ambiente chimico-fisico per formare un’unica entità

Ecologia classica livelli superiori al singolo organismo; ecologia moderna tratta anche livelli inferiori per andare a studiare danni che avvengono in organi/tessuti a causa di cambiamenti ambientali.

Sette funzioni che fluiscono attraverso i livelli di organizzazione biologica

1. Comportamento
2. Diversità
3. Integrazione
4. Regolazione
5. Sviluppo
6. Evoluzione
7. Flusso di energia

Cooperazione di questi fattori per determinare il livello successivo. Proprietà emergenti = il livello superiore non è solamente una somma delle caratteristiche del livello precedente, ma ha delle caratteristiche proprie che non ritroviamo nei livelli inferiori. Es: molecola d’acqua: H₂O è la somma di 2 atomi di idrogeno e 1 di ossigeno, ma la molecola d’acqua ha caratteristiche nuove rispetto ai singoli atomi. I coralli sono il risultato della simbiosi di un polipo e un’alga e hanno caratteristiche completamente diverse da celenterati e vegetali.

Il global warming

È potenzialmente in grado di cambiare il mondo per come lo conosciamo oggi. Conosciamo la soluzione al problema, ma questa è difficile da applicare perché cambierebbe radicalmente le nostre abitudini.

Ciclo della CO₂

Effetto serra: molto importante per mantenere le particolari condizioni climatiche della Terra; * senza di esso la temperatura media terrestre (15°C) sarebbe di -20°C!

• ~30% della radiazione solare che arriva sulla superficie terrestre viene riflessa nello spazio
• Il restante 70% viene trattenuto nell’atmosfera grazie ai gas serra

Descritto per la prima volta da Arrhenius nel 1896, come fenomeno naturale. Problema: l’uomo, durante la Rivoluzione Industriale, ha iniziato a immettere nuovo gas serra nell’atmosfera, soprattutto CO₂, aumentando in questo modo la percentuale di radiazione solare trattenuta nell’atmosfera.

Gas serra

• Vapore acqueo (1-5%)
• CO₂ (0.036%)
• O₃
• CH₄
• NO_x
• CFC (clorofluorocarburi)
• PFC (polifluorocarburi)

Nonostante la bassa concentrazione, l’anidride carbonica è il maggior responsabile dell’aumento dell’effetto serra essendo presente in piccole quantità, una minima variazione di concentrazione ha un grande effetto. Attività antropica produce anche vapore acqueo già presente in grandi quantità: il suo aumento non ha un grande effetto. L’atmosfera terrestre è molto sottile! “Se passi sopra un mappamondo una mano di vernice, lo spessore di tale strato sarà più o meno uguale a quello dell’atmosfera terrestre in confronto alla Terra” -Carl Sagan.

Buco dell'ozono

CFC e PFC erano composti sintetici responsabili del buco dell’ozono; vietandoli netto miglioramento dello strato di ozono troposferico. Circa l’80% delle emissioni antropiche in atmosfera è dovuto alla CO₂.

Fonti antropiche di CO₂

• Combustibili fossili (70-75%)
• Disboscamento e combustione di biomassa (20-25%)
• Altre fonti (5-10%): es. fuochi per cucina

CO₂ prima della Rivoluzione Industriale: 280 ppm; nel 2020: 418 ppm (+49%).

Metano

• Gas serra importante
• Più efficiente della CO₂: rimane in troposfera per 9-15 anni. Ogni molecola cattura circa 20 volte più calore rispetto ad una molecola di CO₂.

Fonti di metano

• Fonti naturali (40%): es. ruminanti rilasciano importanti quantità di metano dovute ai batteri anaerobi simbionti
• Combustibili fossili, discariche, allevamenti animali (60%)

Anidride carbonica e metano presentano importanti variazioni annuali:

• CO₂ in relazione alle piante:
  • Primavera/estate: piante sono nel pieno della loro attività → concentrazione diminuisce
  • Inverno: piante perdono le foglie → concentrazione aumenta
• Metano ciclo opposto: alta concentrazione in primavera ed estate, bassa concentrazione in autunno e inverno.

Maggiori produttori di anidride carbonica

• Cina e USA
• Europa: situazione a macchia di leopardo
• Canada, Brasile, Australia, Russia: grande produzione
• Africa: produce pochissima CO₂, indice di sottosviluppo e indice sociologico (può essere usato per spiegare le migrazioni)

Fattori legati al riscaldamento globale

Crescita demografica

Rivoluzione Industriale → Crescita esponenziale della popolazione → Aumento della domanda di cibo, acqua ed energia → Maggiore produzione di CO₂. Picco tasso di crescita nel 1968, poi calo buon segno.

• Crescita demografica è molto eterogenea: circa il 30% delle persone che popolano il pianeta sono nate nel subcontinente indiano e il 13% in Africa; la popolazione maggiore è localizzata in USA, Cina, Medio Oriente, Russia, Europa, Sud America
• In Africa: situazione a spot
• Tassi di crescita sono alti in Africa e Medio Oriente rispetto al resto del pianeta
• Se i tassi di crescita rimangono invariati, nel 2100 il 25% della popolazione sarà africano. Campagne di mitigazione della crescita demografica in Africa: essendo un paese sottosviluppato, non avrebbe i mezzi per sostenere una crescita di questo tipo, ma i risultati si vedranno dopo qualche tempo.

Progresso e benessere

Progresso nel campo delle scienze, tecnologia, medicina, agricoltura, informatica → impatto negativo sull’ambiente: sfruttiamo più delle risorse disponibili sulla Terra ogni anno.

Lago d’Aral

Tra il Kazakistan e l’Uzbekistan, era il quarto lago per superficie/volume del mondo. Sfruttamento dei due maggiori immissari del lago da parte della Russia per aumentare la produzione di coltivazioni di cotone → diminuzione del 50% della superficie e del 75% del volume. Aumento della produttività è stato solo del 20% perché essendo una zona molto calda l’acqua deviata dai fiumi veniva persa per evaporazione. Risultato irrisorio a dispetto del danno causato al Lago d’Aral.

Conseguenze

• Diminuzione delle specie ittiche: rimangono solo 4 delle circa 40 specie ittiche pregiate, come gli storioni per il caviale, che potevano essere utilizzate nel commercio ittico
• Aumento della salinità del suolo: emersione del fondale del lago → venti tipici della regione → spargimento dei sali nei campi coltivati circostanti → diminuzione della produttività
• Cambiamenti climatici: sembra che il 10% del pulviscolo atmosferico oggi presente sulla Terra venga dal fondale del Lago d’Aral
• Aumento delle malattie a causa dei pesticidi: per tentare di mantenere una produttività accettabile nei campi agricoli limitrofi utilizzo massiccio di pesticidi dannosi per l’uomo

Sensibilità ambientale

È importante che l’uomo si renda conto della gravità del problema per tentare di non arrivare al punto di non ritorno. Per dimostrare che l’aumento di CO₂ = causa del global warming:

• Confronto dei dati odierni con dati molto pregressi ottenuti tramite carotaggi in Antartide e Groenlandia → dati sugli ultimi 160mila anni di storia della Terra
• Taglio delle carote di ghiaccio e misurazione della concentrazione di due isotopi dell’ossigeno: O¹⁶ e O¹⁸ → datazione precisa
• Recupero dei gas delle bollicine d’aria intrappolate nel ghiaccio → percentuali relative di questi e confrontarle con quelle odierne

Confronto dei dati della CO₂ con quelli della temperatura

• Aumenti di CO₂ atmosferica coincidono con aumenti della temperatura. Negli ultimi decenni questi due parametri hanno subito una forte impennata.
• Temperature medie globali si alzano ogni anno dagli anni ’70. I 10 anni più caldi mai registrati sono tutti dopo il 2000.

Modelli matematici per prevedere il futuro

Non attendibili come quelli demografici si basano su 5 criteri che non sono così precisi:

1. Accuratezza dei dati
2. Amplificazione di errori può influenzare pesantemente il modello che alla fine è un algoritmo
3. Feedback positivo o negativo: non semplici da tenere in conto; potrebbero causare errori
4. Eventi imprevedibili: es. crisi economica del 2008, lockdown anti-Covid

Scenari previsionali

• Scenario A2: worst case: sviluppo molto eterogeneo con varia crescita demografica ed economica: nei paesi più sviluppati: basso tasso di crescita demografica e grande sviluppo economico; nei paesi in via di sviluppo: alto tasso di crescita demografica e basso sviluppo economico; questo scenario presuppone un aumento di temperatura di +4°C nel 2100.
• Scenario A1: simile ad A2 ma presuppone un aumento di temperatura di +3,5°C; ad oggi è il più attendibile; tutto il mondo è caratterizzato da un forte sviluppo economico e una grande crescita demografica con un picco massimo raggiunto intorno al 2050.
• Scenario B1: scenario migliore; sviluppo demografico simile ad A1 ma con un’ottimizzazione delle tecnologie un migliore sfruttamento delle risorse energetiche, soprattutto di quelle rinnovabili; un aumento dello sviluppo sostenibile permette di mitigare l’aumento della temperatura nel 2100 a +2,5°C.

Tutti i modelli creati fino ad ora prevedono un aumento della temperatura tra +1.4°C e +5.8°C. L’aumento di concentrazione di CO₂ e il conseguente aumento di temperatura è comunque sicuro.

Effetti del riscaldamento globale

Effetti sul clima

• Aumento delle ondate di caldo:
  • Area mediterranea aveva 4 stagioni ben definite; oggi si cambia repentinamente dal caldo al freddo quasi una tropicalizzazione.
  • Dal 1980: siccità molto più frequente in tutto il mondo → problemi agricoli
  • Nell'estate del 2003, solo in Europa: 85mila morti → piani di prevenzione per evitare ciò che è successo nel 2003
  • Nell'estate del 2005: molte città degli USA record di temperature massime e di numero consecutivo di giorni con temperature intorno ai 40°C
• Aumento delle precipitazioni:
  • 2005, Europa catastrofi devastanti: Praga, Vienna, Budapest allagate dalle acque del Danubio
  • 2005, Mumbai quasi 2m d’acqua in 24h, 1150 morti
  • Maggio-Agosto 2005 inondazioni in alcune province cinesi: stima 451 morti.
• Riscaldamento degli oceani:
  • Acqua grande capacità termica → per alzare la sua temperatura serve una grande quantità di calore
  • Primi 300m: +0.31°C
  • Superficie oceanica: +0.5°C ogni 10 anni → problemi di sopravvivenza delle specie oceaniche
  • Superficie più calda → maggiore superficie di convezione: causa di uragani, trombe d’aria ed eventi ciclonici.

  Esempio: uragano Katrina (fine agosto 2005):

  • 2005, Florida: stagione degli uragani protratta fino a Dicembre → moltissimi uragani
  • Il più potente: uragano Rita si è abbattuto in un’area meno antropizzata di Katrina
  • Katrina si è formato al largo del golfo del Messico inizialmente classificato come tempesta tropicale: si pensava che si sarebbe esaurito al largo senza raggiungere le coste americane
  • Quando è entrato nel golfo del Messico → superficie molto più calda del normale: grosso passaggio di energia di convezione dalla superficie marina all’atmosfera → Katrina: uragano di classe 5
  • Cambiamento di direzione: piega velocemente di 90° verso la città di New Orleans non era preparata: completamente sommersa e isolata per 3-4 giorni prima di ricevere i primi soccorsi
  • 1200 morti solo a New Orleans
  • Katrina è arrivato fino alla regione dei grandi laghi, sotto forma di piogge e venti forti, prima di smorzarsi del tutto.
• Scioglimento dei ghiacci:
  • Artide = lastra di ghiaccio con spessore di circa 3m
  • Antartide = vero e proprio continente: serbatoio di ghiaccio molto maggiore dell’Artide → spessore che raggiunge i 3km
  • Temperature nell’Antartide: +2.5°C → aumento scioglimento dei ghiaccio → banchina polare: riduzione dal 1974 di oltre 13mila km²
  • Esempio: piattaforma Larsen-B = piattaforma ghiacciata, formata da ghiaccio marino e ghiaccio terrestre, grande quanto la Val d’Aosta, con un’altezza di circa 200m che conteneva circa 500 milioni di tonnellate di ghiaccio
    • Gli scienziati, individuando acqua di scioglimento dalle foto satellitari, credevano che si sarebbe sciolta nel giro di un secolo
    • In realtà nel giro di 35 giorni la piattaforma si sciolse completamente: la maggior parte del ghiaccio ci impiegò solo 2 giorni a distruggersi
    • Stime sbagliate perché consideravano che l’acqua di scioglimento riformasse ghiaccio una volta in profondità, ma questo non accadde
  • Artide: scioglimento dei ghiacci permette assorbimento della luce solare da parte dell’acqua si scalda → aumento scioglimento dei ghiacci → apertura del passaggio a nord-ovest: consente di attraversare l’Artide con le navi
  • Groenlandia: scioglimento ghiacci soprattutto costieri:
    • Dal 2005, sud della Groenlandia: totalmente priva di ghiacci a causa dell’aumento della temperatura: +3°C in 20 anni
    • Ritmo di scioglimento dei ghiacci: -8% ogni decennio
    • Se si continuasse così, Groenlandia nel 2060: senza ghiacciai d’estate → aumento del livello dei mari di circa 7m → intere zone del pianeta sommerse
• Il clima mondiale non è lineare → variazioni rapide e immediate;

Distribuzione del calore

Il calore viene distribuito tramite:

• Correnti atmosferiche (jet streams): a nord e a sud dell’equatore; si formano quando due zone di alta pressione e bassa pressione si incontrano.