Negli ultimi decenni, il dibattito sulle cause del cambiamento climatico ha visto un crescente interesse da parte della comunità scientifica e del pubblico in generale. Un recente studio ha portato alla luce nuove informazioni che potrebbero cambiare la nostra comprensione delle emissioni di carbonio e del loro impatto sull’atmosfera terrestre. Secondo questo studio, le attività umane sono responsabili solo del 4% delle emissioni di carbonio, mentre la stragrande maggioranza dei cambiamenti atmosferici dal 1750 è attribuibile a processi naturali come la respirazione e la fotosintesi. Inoltre, l’aumento delle emissioni di CO2 e dei pozzi di assorbimento è dovuto all’aumento della temperatura, che espande la biosfera e la rende più produttiva. Questo studio sottolinea anche che i processi della biosfera terrestre sono molto più forti di quelli marittimi sia in termini di produzione che di assorbimento di CO2. Le emissioni di CO2 della sola biosfera oceanica sono molto più grandi delle emissioni umane, e le aggiunte di CO2 alle quantità preindustriali superano le emissioni umane di un fattore di circa 4,5. Negli ultimi 65 anni, il tasso di emissioni naturali è stato circa 3,5 volte maggiore delle emissioni di CO2 da combustibili fossili. Questi dati sollevano importanti domande sulla nostra comprensione delle dinamiche del carbonio e delle strategie necessarie per affrontare il cambiamento climatico.

Inoltre, in questo studio menzionato, sembra vengano messe in discussione alcune delle convinzioni comuni riguardo alle emissioni di carbonio e il loro impatto sull’atmosfera. Ecco alcuni punti chiave:

1. Responsabilità delle attività umane: Secondo questo studio, le attività umane sono responsabili solo del 4% delle emissioni di carbonio. Questo dato contrasta con molte altre ricerche che attribuiscono una percentuale molto più alta alle attività umane.
2. Cambiamenti atmosferici dal 1750: La maggior parte dei cambiamenti nell’atmosfera dal 1750 sono attribuiti a processi naturali come la respirazione e la fotosintesi.
3. Aumento delle emissioni di CO2: Gli aumenti delle emissioni di CO2 e dei pozzi di assorbimento sono dovuti all’aumento della temperatura, che espande la biosfera e la rende più produttiva.
4. Biosfera terrestre vs. marittima: I processi della biosfera terrestre sono molto più forti di quelli marittimi sia in termini di produzione che di assorbimento di CO2.
5. Emissioni della biosfera oceanica: Le emissioni di CO2 della sola biosfera oceanica sono molto più grandi delle emissioni umane.
6. Aggiunte di CO2 post – 1750: Le aggiunte di CO2 alle quantità preindustriali superano le emissioni umane di un fattore di circa 4,5.
7. Emissioni naturali vs. combustibili fossili: Negli ultimi 65 anni, il tasso di emissioni naturali è circa 3,5 volte maggiore delle emissioni di CO2 da combustibili fossili.

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Refined Reservoir Routing (RRR) e sua applicazione al bilancio atmosferico dell’anidride carbonica

Studio di Demetris Koutsoyiannis – Published: 26 August 2024
Dipartimento di Risorse Idriche e Ingegneria Ambientale, Scuola di Ingegneria Civile, Università Tecnica Nazionale di Atene, 157 72 Zographou, Grecia.

Abstract

L’instradamento dei bacini idrici è stata una procedura di routine in idrologia, idraulica e gestione delle acque. In genere si basa sul bilancio di massa (equazione di continuità) e su un’equazione concettuale che mette in relazione lo stoccaggio e il deflusso. Se quest’ultima è lineare, allora esiste una soluzione analitica dell’equazione differenziale risultante, che può essere utilizzata direttamente per trovare il deflusso dall’afflusso noto e per ottenere caratteristiche macroscopiche del processo, come i tempi di risposta e di permanenza, e le loro funzioni di distribuzione. Qui perfezioniamo il framework di instradamento del giacimento e lo estendiamo per trovare soluzioni approssimate per casi non lineari. Il quadro proposto può essere utile anche per compiti climatici, come la descrizione del bilancio di massa dell’anidride carbonica atmosferica e la determinazione dei tempi di residenza caratteristici, che sono stati oggetto di controversie. L’applicazione del quadro teorico si traduce in un eccellente accordo con i dati del mondo reale. In questo modo, quantifichiamo facilmente gli scambi di carbonio atmosferico e otteniamo risultati affidabili e intuitivi, senza la necessità di ricorrere a complessi modelli climatici. Il tempo medio di permanenza dell’anidride carbonica atmosferica risulta essere di circa quattro anni, e il tempo di risposta è inferiore a quello, opponendosi così alle stime mainstream molto più lunghe.

4. Applicazione dell’RRR alla componente atmosferica del ciclo del carbonio

4.1. Dati

Misure sistematiche del CO₂ sono stati prodotti dal 1958 [52] dal Programma Scripps CO2 dello Scripps Institution of Oceanography, Università della California, e sono disponibili online [53,54,55]. I dati includono osservazioni della concentraazione di CO₂ (in micromoli di CO₂ per mole, o parti per milione, ppm) e vengono elaborati per estrarre valori mensili, compilati in caso di dati mancanti. Qui, le serie temporali mensili sono state recuperate ed elaborate per due stazioni, vale a dire, Mauna Loa Observatory, Hawaii (19,5° N, 155,6° W, 3397 m s.l.m., 1958-oggi), e Barrow (recentemente rinominata Utqiagvik), Alaska (71,3° N, 156,6° W, 11 m s.l.m., 1961-oggi).

I dati sulle emissioni umane globali di carbonio sono disponibili online anche per gli anni 1850-2022 e sono stati recuperati da [56,57]. Il valore del 2023 è stato preso come quello del 2022 aumentato di 1,01, secondo il rapporto dell’Agenzia Internazionale dell’Energia [58] (p. 3)].

Per la conversione di diverse unità, utilizziamo i seguenti coefficienti:

• Dalla massa di C alla massa di CO₂, moltiplichiamo per 44/12 = 3,67 kg di CO₂/kg C (dove 44 e 12 sono le masse molecolari del CO₂ e C).
• Dalla concentrazione di CO₂ in ppm rispetto alla massa atmosferica totale in Gt CO₂, moltiplichiamo per 7.8 Gt CO₂/ppm CO₂.

4.2. Premesse dell’Applicazione

Sulla base delle stime IPCC AR6 del bilancio globale del carbonio [32] (Figura 5.12), Koutsoyiannis et al. [11] hanno compilato un grafico riassuntivo delle emissioni totali di carbonio e dei pozzi di assorbimento, distinguendo le quantità preindustriali (prima del 1750) e le aggiunte moderne. Questo grafico è riprodotto qui come Figura 9, dopo la conversione da Gt C a ppm CO₂.

Figura 9. Bilancio annuale del carbonio nell’atmosfera terrestre, in ppm CO₂/anno, sulla base delle stime dell’IPCC [32] (Figura 5.12). Il saldo di 2,4 ppm di CO₂/anno è l’accumulo di CO₂ nell’atmosfera. Il totale delle aggiunte naturali moderne (64,2 + 36,5 − (52,2 + 25,6)) = 22,9 ppm è 4,4 volte più grande delle emissioni umane (4,4 + 0,8 = 5,2 ppm). (Adattato da [11]).
Sulla base di questo grafico, facciamo le seguenti osservazioni, che sono importanti per la modellazione del CO₂ con gli scambi che seguono:

• Le attività umane sono responsabili solo del 4% delle emissioni di carbonio.
• La stragrande maggioranza dei cambiamenti nell’atmosfera dal 1750 (barre rosse nel grafico) sono dovuti a processi naturali, respirazione e fotosintesi.
• Gli aumenti di emissioni di CO₂ e i pozzi di assorbimento sono dovuti all’aumento della temperatura, che espande la biosfera e la rende più produttiva.
• I processi della biosfera terrestre sono molto più forti di quelli marittimi sia in termini di produzione che di assorbimento di CO₂.
• Le emissioni di CO₂ della sola biosfera oceanica sono molto più grandi delle emissioni umane.
• Il moderno (post 1750) che aggiunge il CO₂ alle quantità preindustriali (barre rosse nella metà destra del grafico, corrispondenti a valori positivi) superano le emissioni umane di un fattore di ~4,5. Negli ultimi 65 anni, coperti dalle misurazioni, il tasso di emissioni naturali è ~3,5 volte maggiore delle emissioni di CO₂ da combustibili fossili.

Il punto 3 sopra implica una direzione di causalità tra temperatura e concentrazione di CO₂ che è opposta a quella comunemente assunta, che è anche quella assunta e incorporata nei modelli climatici. Infatti, secondo la saggezza convenzionale, è l’aumento della concentrazione di anidride carbonica atmosferica ([CO₂]) che ha causato l’aumento della temperatura (T). Tuttavia, questo è stato messo in discussione da Koutsoyiannis e Kundzewicz [59], mentre successivamente Koutsoyiannis et al. [11,33,34] hanno fornito prove, basate su analisi di misurazioni strumentali degli ultimi settant’anni, di un legame unidirezionale, potenzialmente causale, tra T come causa e [CO₂] come effetto. La stessa direzione di causalità è stata confermata per l’intero Fanerozoico utilizzando diverse serie di dati proxy [35]. L’effetto di [CO2] sull’afflusso di CO2 nell’atmosfera è rappresentato nella Figure 10. I due punti finali, corrispondenti al 1750 e al 2017, sono stati determinati a partire dalle quantità indicate nella Figure 9, con l’informazione aggiuntiva che [CO2] era rispettivamente 280,0 e 404,6 in questi due anni.

6. Conclusioni

Lo studio offre un quadro completo per perfezionare l’instradamento dei bacini idrici (RRR), che è di una certa utilità per diversi problemi in idrologia, idraulica e gestione delle acque. Inoltre, offre alcune intuizioni sull’applicazione del bilancio di massa (equazione di continuità) con dinamiche lineari o non lineari nei processi idrologici e oltre, in particolare nei processi del sistema climatico. Il framework RRR include le seguenti funzionalità, ottenute da analisi teoriche e utili anche per problemi pratici:

• Definisce e chiarisce le grandezze rilevanti, compresi i caratteristici intervalli di tempo, come i tempi di residenza e di risposta, che sono spesso confusi in letteratura. (Il Glossario presentato di seguito riassume i concetti correlati e le loro definizioni.)
• Affina il caso di un serbatoio con dinamica lineare, che ammette soluzioni analitiche per tutte le variabili correlate, e rideriva e ottimizza queste soluzioni analitiche.
• Classifica i casi di un giacimento con dinamica non lineare, studia alcuni casi speciali che ammettono soluzioni analitiche e fornisce approssimazioni operative del deflusso e del tempo di permanenza, inclusa la sua distribuzione di probabilità e le caratteristiche statistiche.
• Fornisce una soluzione esatta per la funzione di risposta istantanea e il tempo di risposta, sia per il caso lineare che non lineare.
• Propone un quadro per l’adattamento del modello, basato sui dati osservati, per diversi casi, sia con dinamica lineare che non lineare.

Dal punto di vista teorico, le nostre analisi forniscono un caso in cui la funzione di risposta istantanea risulta direttamente dalla dinamica del sistema, piuttosto che da mezzi stocastici basati sui dati, completando così il recente quadro di causalità di Koutsoyiannis et al. [11,33,34]. Fornisce inoltre un’estensione di questo quadro per la dinamica non lineare, che merita ulteriori approfondimenti. Inoltre, conferma l’importanza della caratteristica di questo quadro di includere un valore non negativo a zero time lag (un valore che nel caso del reservoir è in realtà il massimo globale della funzione), contrariamente allo schema di causalità di Granger [63], che esclude lo zero time lag (si veda un’ulteriore discussione su tale questione in [33]).

Sebbene il nostro framework sia abbastanza generale e completo, non può rappresentare tutti i problemi relativi ai sistemi di storage. In particolare, l’ambito dell’articolo tralascia problemi la cui dinamica richiede metodologie stocastiche avanzate per essere descritta. Questi potrebbero essere affrontati in future ricerche. L’applicazione del quadro RRR al CO₂ atmosferico fornisce spunti utili in termini di residenza e tempi di risposta, che sono stati oggetto di controversie. Il quadro teorico risulta in un eccellente accordo con i dati del mondo reale sulla concentrazione di anidride carbonica. L’atmosfera sembra comportarsi come un serbatoio lineare in termini di CO₂, il cui scambio è chiaramente dominato dai processi della biosfera, con le emissioni umane che svolgono un ruolo minore. La quantificazione del CO₂ lo scambio con il framework RRR produce risultati affidabili e intuitivi, conformi alle osservazioni, in contrasto con i risultati di modelli climatici complessi, che si sono dimostrati incoerenti con la realtà. Il tempo medio di permanenza del CO₂ è di circa quattro anni, e il tempo medio di risposta è inferiore a quello, contraddicendo così le stime tradizionali, che suggeriscono tempi di centinaia o migliaia di anni, o anche di più. Indubbiamente, numerosi processi naturali sono coinvolti nel ciclo del carbonio, che operano su scale temporali molto diverse. In effetti, abbiamo processi rapidi (fotosintesi, respirazione), che si verificano nell’arco di giorni o anni, e processi più lenti (ad esempio, lo scambio oceano-atmosfera), che operano su scale temporali da decenni a secoli. Ci sono anche processi molto lenti (ad esempio, la formazione di carbonati) che operano su scale temporali millenarie. Tuttavia, questo è irrilevante, poiché i processi rapidi rimuovono il CO₂ molecole alle loro scale pertinenti, senza attendere che i processi lenti o molto lenti agiscano. Chiaramente, i dati osservati del CO₂ atmosferico non sono coerenti con la narrativa sul clima. Piuttosto lo contraddicono. In questo, il presente studio integra studi precedenti in quanto (a) direzione di causalità tra temperatura e CO₂ è opposto a quello comunemente assunto [11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34], (b) i modelli climatici travisano la direzione di causalità che è identificato dai dati [11], (c) non ci sono segni distinguibili di emissioni di CO₂ antropogenico sull’effetto serra, che è dominato dal vapore acqueo e dalle nuvole [64], e (d) non ci sono segni distinguibili di cambiamento nella sintesi isotopica di fonti del CO₂ atmosferico e pozzi, che è determinato dai processi della biosfera [65].

Fonte: MDPI