CO2 Approfondimento

CO2

Informazioni generali e cenni storici

L’effetto serra è un fenomeno naturale grazie al quale il sistema Terra (atmosfera + superficie) riesce a trattenere parte dell’energia solare che riceve. Tale fenomeno si realizza grazie alle particolari proprietà dei cosiddetti “gas serra” presenti in atmosfera (vapore acqueo, anidride carbonica, metano, ozono, ecc.).

La radiazione solare, una volta superata l’atmosfera, raggiunge la superficie venendo in parte assorbita. L’energia assorbita dalla superficie terrestre viene poi riemessa verso lo spazio come radiazione infrarossa (calore). Parte di questa energia, a sua volta, viene assorbita dai gas serra, i quali la riemettono in tutte le direzioni, quindi anche verso superficie.

Schematizzazione effetto serra

 

Grazie all’effetto serra la temperatura media della superficie terrestre è di 15°C  (altrimenti sarebbe di -18°C). Si tratta quindi di un fenomeno di fondamentale importanza per la vita sulla Terra.

Negli ultimi decenni un aumento di concentrazione di gas serra in atmosfera a causa di diverse attività umane ha portato ad un aumento della temperatura media terrestre (global warming).

Nel caso dell’anidride carbonica (CO2), l’aumento della concentrazione atmosferica è dovuto ad attività antropiche quali il consumo di combustibili fossili e la deforestazione.

Invece, nel caso del metano (CH4), tale aumento è dovuto ad attività antropiche quali l’agricoltura, l’allevamento, attività petrolifere, la presenza di miniere di carbone e di discariche.

Il global warming, poiché comporta un aumento dell’energia a disposizione del sistema Terra (superficie+atmosfera), sembra essere alla base di diversi fenomeni meteorologici estremi verificatisi nel mondo negli ultimi anni; conseguenza del global warming è anche lo scioglimento di alcuni ghiacciai col conseguente innalzamento del livello del mare e la possibile sommersione di alcune terre emerse.

I vari gas serra, a causa della loro diversa natura chimica e della loro diversa concentrazione in atmosfera, danno un diverso contributo al riscaldamento globale, come mostrato dal grafico in figura 2. In particolare, il gas serra più importante in termini di contributo al riscaldamento globale (vapore acqueo a parte) risulta essere la CO2. Subito dopo viene, in ordine di importanza, il CH4. Quest’ultimo gas ha una concentrazione in atmosfera più bassa di due ordini di grandezza rispetto alla CO2. Tuttavia, il metano ha un potenziale di riscaldamento globale ben 21 volte superiore.

 

Contributo al riscaldamento globale dei diversi gas serra

Presso la stazione del Centro Aeronautica Militare di Montagna (C.A.M.M.) di Monte Cimone vengono effettuate le misure in continuo della concentrazione di “fondo” in atmosfera della CO2 (a partire dal 1979) e del CH4 (a partire dal 2015). Per quanto riguarda la CO2, si tratta della serie storica di dati più lunga d’Europa e la seconda più lunga al mondo dopo quella registrata dall’osservatorio di Mauna Loa (Hawaii, USA).

 

Il sito di Monte Cimone

La stazione del C.A.M.M. è situata in vetta al Monte Cimone (2165 m.s.l.m.), la montagna più alta degli Appennini Nord-Occidentali (Lat. 44.11°N, Long. 10.42°E).

Figura 3: localizzazione geografica del sito di Monte Cimone.

 

Il sito è rappresentativo delle condizioni atmosferiche che si presentano nelle regioni dell’Europa Meridionale e del Mediterraneo Settentrionale. E’ particolarmente adatto alla misura di concentrazioni di fondo di gas serra (per valore di fondo si intende il valore di concentrazione non soggetto all’influenza di sorgenti locali) grazie alla sua distanza da grandi centri urbani ed industriali (le maggiori città e aree industriali sono situate in pianura, a circa 40 km di distanza) e per la sua altitudine (sopra l’atmospheric boundary layer per gran parte dell’anno – l’atmospheric boundary layer è lo strato di atmosfera che si estende dalla superficie a circa 1 km di altezza; al suo interno l’aria risente dell’interazione e dell’attrito con la superficie con conseguente formazione di moti turbolenti verticali dalla superficie verso l’alto; al di sopra del boundary layer l’interazione superficie-aria è trascurabile, il movimento dell’aria è prevalentemente orizzontale e non c’è il rischio che l’aria venga influenzata da sorgenti locali).

 

MISURE DI CO2 E CH4 PRESSO MONTE CIMONE

Presso il laboratorio del C.A.M.M. di Monte Cimone la misura della concentrazione atmosferica di CO2 viene effettuata in continuo: l’aria proveniente da una presa posta in ambiente esterno (a 12 metri di altezza dal terreno) viene convogliata per mezzo di una pompa verso una trappola criogenica, dove l’aria stessa viene deumidificata, prima di arrivare all’analizzatore Ultramat Siemens 6E che restituisce un segnale tanto più alto quanto più alta è la concentrazione di CO2. Tale segnale viene continuamente convertito (mediante apposito software) in concentrazione di CO2 grazie al confronto con i segnali relativi a 2 bombole contenenti aria secca con concentrazione nota di CO2 (tali segnali vengono rilevati ogni 6 ore dall’analizzatore in automatico); la concentrazione all’interno di queste 2 bombole viene periodicamente rideterminata attraverso operazioni di taratura manuale che richiedono l’utilizzo di altre miscele di riferimento.

Parallelamente alla misura tramite analizzatore Ultramat, viene effettuata, a partire da febbraio 2015, una misura contemporanea di CO2 e CH4 tramite analizzatore PICARRO G2301. Tale strumento è inserito all’interno di un impianto che opera in parallelo rispetto a quello sopra descritto. In particolare, i due impianti (quello dell’Ultramat e quello del PICARRO) condividono la stessa presa d’aria, ma utilizzano due pompe di aspirazione diverse; inoltre, nell’impianto del PICARRO, non si fa ricorso al dispositivo deumidificatore, dal momento che tale analizzatore è in grado di misurare la percentuale di vapore acqueo in aria, potendo così calcolare, tramite apposito software, la concentrazione in aria secca di un gas serra.

Il PICARRO G2301 necessita di una sola calibrazione manuale da effettuarsi mediante apposite miscele gassose di riferimento una volta ogni 3 mesi. L’Ultramat invece richiede una taratura automatica ogni 6 ore e due tipologie di taratura manuale, una ogni 40 giorni ed una ogni 3 mesi. Il PICARRO viene considerato lo strumento “titolare” nella rilevazione dei gas serra, mentre, l’Ultramat, a partire da febbraio 2015, è considerato l’analizzatore di back-up.

I dati di CO2/CH4 vengono raccolti mensilmente come medie dei 10 minuti; queste subiscono un processo di selezione visuale; i dati selezionati vengono utilizzati per generare medie orarie che, a loro volta, subiscono un ulteriore processo di selezione (si selezionano i valori medi di fondo, ossia non influenzati da possibili sorgenti/pozzi locali, quali la vegetazione) prima di essere utilizzate nel calcolo di medie giornaliere da cui poi scaturiscono le medie mensili. L’andamento delle medie giornaliere della CO2 subisce poi una ulteriore post-elaborazione, il cui risultato finale è la serie storica mostrata in figura 6, da cui si evince un evidente trend di crescita negli ultimi 3 decenni; andamenti simili vengono riscontrati nelle diverse stazioni sparse per il mondo che effettuano misure di fondo di CO2. Le misure effettuate presso il sito del C.A.M.M. hanno quindi una valenza “globale”. Ed è per questo che nel 2011 il C.A.M.M. ha ricevuto lo status di “Stazione Globale” da parte della World Meteorological Organization (WMO).

Figura 4: foto dell’analizzatore Ultramat Siemens 6E presso il laboratorio di misura del C.A.M.M. di Monte Cimone.

 

Figura 5: foto dell’analizzatore PICARRO presso il laboratorio di misura del C.A.M.M. di Monte Cimone

 

Figura 6: serie storica dei dati di concentrazione di CO2 in atmosfera presso la stazione di Monte Cimone. L’unità di misura è ppm (parti per milione)

 

Programmi nazionali e internazionali

Il Centro Aeronautica Militare di Montagna è coinvolto in alcuni programmi internazionali come CARBOEUROPE, GLOBALVIEW-CO2 e nella Global Atmosphere Watch all’interno della World Meteorological Organization (WMO). I dati della concentrazione atmosferica di gas serra raccolti presso Monte Cimone sono disponibili sul sito del World Data Centre for Greenhouse Gases (WDCGG) e sul sito della NOAA-ESRL-GMD (National Oceanic & Atmospheric Administration - Earth System Research Laboratory - Global Monitoring Division)  (obspack database).