Pianeta e Clima terreste

Febbraio 2010

Paolo SaracenoIFSI INAF Roma

Pianeta e Clima terreste

Febbraio 2010

Schema

1) Introduzione

3) il clima oggi ..

2) L’origine dell’atmosfera

Nel 1990 dopo un viaggio di 13 anni e aver esplorato i pianeti esterni del sistema solare (Giove, Saturno, Urano e Nettuno) la sonda Voyager 2, era arrivata a 6 miliardi di km dalla terra raggiungendo il primato di essere l’oggetto costruito dall’uomo più lontano dalla Terra.

Il golden record

A quel punto i tecnici della NASA decisero di fotografare la Terra, prima che la sonda si allontanasse per sempre il sistema solare

La nostra convinzione di avere un ruolo nell’Universo, di occuparne una posizione privilegiata è terribilmente ridimensionato da quel puntino di luce pallida, da quel solitario granello nel buio dell’oceano cosmico. Una vastità, che nulla sa della nostra esistenza e da cui nessun aiuto potrà mai arrivare per salvarci dagli errori che facciamo. La Terra è il solo mondo che conosciamo. Non c’è altro luogo, dove, nella nostra epoca, la nostra specie può emigrare. Che ci piaccia o no, questo è il solo luogo in cui noi possiamo vivere.

Carl Sagan 1990E quel granello di polvere è difeso da un’Universo ostile dall’ atmosfera

La terra fotografata da Voyager nel 1990 da una distanza di 6 miliardi di Km (la foto ha impiegato 15 ore ad arrivare)

L’atmosfera è il sottile strato che ci difende daun universo ostile

Regola il Clima della Terrae permette alla vita diesistere

La temperatura della Terra dipende dall’equilibrio tra l’energia che entra ed esce

Se l’energia incidente non cambia

il clima è controllatodall’atmosfera

Se cambia la temperatura cambia il clima -

Pin = Pout ΠTterra4

L’atmosfera

- mantiene stabile la temperatura del pianeta

L’atmosfera !

batterio escherichia coli.

- mantiene stabile la temperatura del pianeta

Senza atmosfera la temperatura media della terra sarebbe di -18°C

Mentre per miliardi di anni la temperatura media della terra è restata tra 5-40°C

Essenziale per la sopravvivenza della maggior parte delle specie animali.

- ci fornisce l’ossigeno con cui respiriamo

L’atmosfera !

- mantiene stabile la temperatura del pianeta- ci fornisce l’ossigeno con cui respiriamo

- ci difende dai raggi UV

(e da piccoli meteoriti, raggi X e γ)

Prodotto dalle foreste e dal plancton degli oceani senza di cui l’ossigenoscomparirebbe

L’atmosfera !

- mantiene stabile la temperatura del pianeta- ci fornisce l’ossigeno con cui respiriamo

- ci difende dai raggi UV

(e da piccoli meteoriti, raggi X e γ)

Lo studio del passato mostra che ogni volta che si è modificata la composizione dell’atmosfera è cambiato il clima e sono avvenute estinzioni di massa.

Anche l’estinzione dei dinosauri fu causata da cambiamenti climatici causati dall’impatto di un meteorite

Che distrusse tutti gli animali di grande taglia (i dinosauri di piccola taglia sopravvissero e divennero gli uccelli)

Per anni, si pensò che la causa della loro estinzione fossero sconvolgimenti climatici provocati da un eruzione vulcanica

Poi si trovò il cratere di Chicxulub nello Yucatan

180 km

Dal diametro del cratere si valutò l’energia sprigionata dall’impatto pari ad 1 miliardo di bombe d’Hiroshima

Le ossa diDinosauro si trovano solo sotto lo strato KT

Strato KT

Gubbio(Italia)

Ramonal(Messico)

Carvaca(Spagna)

più largo perchè più vicino al punto d’impattoLe dimensioni del cratere e il materiale contenuto nello

strato K-T hanno permesso di ricostruire l’evento

esplosione di un miliardo di bombe di Hiroshima !

Il 10% del materiale è sfuggito all’attrazione terrestre il resto è ricaduta sulla terra con milioni di leteoriti infuocati che hanno appicca incendi in tutti

i punti della Terra

Lo studio dei pollini, mostra che le specie vegetali si ridussero in modo drammatico, ma non scomparvero del tutto, quando il sole ricomparve i semi

ripresero a germinare ed è ricominciata la vita.

Gli studi fatti sui sedimenti mostrano che ci sono voluti:

• 130.000 anni perche plancton e piante riportassero il ciclo del carbonio ai valori precedenti all’impatto; •3 milioni d’anni perché il flusso di materia organica negli oceani tornasse ai suoi livelli normali.

Il clima può essere deteriorato rapidamente, ma ci vpgliono millenni per ripristinare le condizioni

iniziali

Ma come si è costruita questa atmosfera ?

Come si è costruito un pianeta “abitabile” ?

Pianeta e Clima terreste

Febbraio 2010

Schema

1) Introduzione

3) il clima oggi ..

2) L’origine dell’atmosfera

La Terra è il solo pianeta conosciuto con forme di vita animale evoluta. Il solo che possiamo studiare. Essa è il risultato:

- della sua biologia che ha radicalmente cambiato la sua superfice e l’atmosfera

- della sua straordinaria geologia

- del suo posto nell’Universo

- del suo posto nel sistema solare

NGC2977

Nostra Galassia

D 90.000 a.l.

La vita non è possibile nella parte centrale; alta densità di stelle: supernovae, buchi neri, passaggi ravvicinati di stelle

E’ poco probabile nelle regioni esterne: gli elemnti chimici con cui costruirla potrebbero non essere sufficienti

28.000 a.l. dal centro

LE ZONE ABITABILI DELLA GALASSIA

La vita nelle galassie sembra quindi possibile solo in una zona intermedia, non troppo vicina al centro per non essere distrutta, non troppo lontana dal centro per avere gli elementi con cui costruirla

La Terra è il solo pianeta abitato da vitaanimale evoluta che conosciamo. Il solo che possiamo studiare. Essa è il risultato:

- della sua biologia che ha radicalmente cambiato la sua superfice e l’atmosfera

- della sua straordinaria geologia

- del suo posto nell’Universo

- del suo posto nel sistema solare

C’è una cosa senza di cui la vita non esiste.

Questo è una pianeta abitabile !!!

H2O

La zona abitabile: con acqua liquidaT = 0 – 100 °C

H2O liquida0 -100 oC

Lu

min

osit

y

un pianeta abitabile

Esiste la vita? O-O3

Può esserci vita? H2O 0-100°C

Atmosfera CO2

Indicatoridi

480 °C

-50 °C

15 °C

Marte

Diametro 6790 kmDsole 1.6 AU T 15 -100 °C M 0.1 Mt

Acqua su Marte !

Mex – Stereo camera

Fields of volcanic cones at Martian north pole

Letto di un fiume?

An impact crater in the Vastitas Borealis: 70.5° N, 103° E. The ground resolution is about 15 metres per pixel. The crater is 35 kilometres wide and about 2 km depth. The white material in the centre is water ice. The colours are close to natural, but the vertical relief is exaggerated three times. The view is looking east.

altra acqua !Ma non c’è vita evoluta

Venere !

Per la sua distanza dal SoleLa sua temperatura poteva essere di 27° C

Ma per effetto serra e’ di 480 ° C

E non su Marte dove c’è acqua ?

Perché la vita animaleesiste solo sulla Terra ??

A cosa assomiglia Marte ??

La Terra è il solo pianeta abitato da vitaanimale evoluta che conosciamo. Il solo che possiamo studiare. Essa è il risultato:

- della sua biologia che ha radicalmente cambiato la sua superfice e l’atmosfera

- della sua straordinaria geologia

- del suo posto nell’Universo

- del suo posto nel sistema solare

La Terra: un pianeta vivo

L’mportanza dei vulcani edei terremoti

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-100000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% della superficie terrestre

pro

fond

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Altitudine media delle terre emerse

Superficie del mare

Profondità media del mare

alti

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% della superficie terrestre

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Altitudine media delle terre emerse

Superficie del mare

Profondità media del mare

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La Terra all’origine era coperta d’acqua, solo qualche vulcano emergeva.

L’erosione

• Ogni anno i fiumi portano in mare 60 km3 di Terra

• Le terre emerse scomparirebbero in poche decine di milioni d’anni

e la Terra ha 3600 milioni d’anni

• Se si estrapola al passato

l’erosione attuale, sul fondo del mare

ci dovrebbe essere uno strato di

sedimenti alto 100 km

(3 volte lo spessore della crosta

terrestre!),

• Ogni anno i fiumi portano in mare 60 km3 di Terra

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Altitudine media delle terre emerse

Superficie del mare

Profondità media del mare

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Milioni di tonnellate per anno

Qunado Ponza nacque la nostra antenata Lucy era già scomparsa da 1.5 milioni d’anni... e stava nascendo l’Homo erectus

Ovunque sulla Terra si vedono tracce d’erosione

La Terra solo pianeta del sistema solare con un’erosione così forte, perché nessun altro pianeta ha un’atmosfera simile

Un esempio Ponza: Sorta dal mare 2 miloni di anni faOggi quasi interamente distrutta dall’erosione

Con

tinen

ti

Continenti

Nucleo

Con

tinen

ti

Continenti

Nucleo

La deriva dei continenti è il meccanismo che ci restituisce le terre

erose

Oggi i movimenti delle placche continentali si

misurano direttamente

ISLANDAAttraversata dalla dorsale oceanica

Per effetto della deriva dei continenti si stima che le terre emerse crescano oggi di 600 km3/anno 10 volte quanto perso per erosione

Molecole importanti per la vita biologica del pianeta come: CO2, H2O, CH4 e CO

Finiscono, con i sedimenti, nei fondi oceanici

Da queste molecole dipende.

• Ciclo biologico• effetto serra (Tluna -18 °C)

Un secondo effetto dell’erosione

La variazione della loro abbondanza nella atmosfera ha effetti drammatici sul Clima

I vulcani rimettono rapidamente in circolo molecole importanti per la vita biologica del pianeta come: CO2, H2O, CH4 e CO

Da cui dipende.

• effetto serra e quindi il clima • (Tluna -18 °C)• vita biologica

Il CO2, è uno dei principali regolatori del Clima

- si fissa nelle rocce con reazioni molto sensibili a T- nei vegetali e nel plancton con reazioni proporzionali alla sua abbondanza

I vulcani rimettono rapidamente in circolo molecole importanti per la vita biologica del pianeta come: CO2, H2O, CH4 e CO

Da cui dipende.

• effetto serra e quindi il clima • (Tluna -18 °C)• vita biologica

Tutte le grandi eruzioni vulcaniche del passato sono correlate con estinzioni di massa (lo si può dire anche per quella dei dinosauri )

LITOSFERA

DORSALE

OCEANICA

VULCANO

MAGMA

LITOSFERA

DORSALE

OCEANICA

VULCANO

MAGMA

Subduzione: un processo drammatico e vitale per la Terra: - ad esso sono legati i peggiori terremoti e le eruzioni vulcaniche

- senza questo processo, la vita non esisterebbe sulla Terra.

La subduziione

DORSALE

OCEANICA

VULCANO

MAGMA

DORSALE

OCEANICA

VULCANO

MAGMA

La mancanza di vulcanismo associato a fenomeni tettonici potrebbe essere la ragione per cui non c’è vita animale evoluta su Marte

Dipende dall’ atmosfera !

Se l’esistenza della vita sulla Terra

l’atmosfera !

Dipende dall’esistenza della vita sulla Terra

La Terra è il solo pianeta abitato da vitaanimale evoluta che conosciamo. Il solo che possiamo studiare. Esso è il risultato:

- della sua biologia che ha radicalmente cambiato la sua superfice e l’atmosfera

- della sua straordinaria geologia

- del suo posto nell’Universo

- del suo posto nel sistema solare

- 4 miliardiNascita Terra

Quando la Terra è nata la sua atmosfera era prevalentemente composta dagli elementi leggeri più abbondanti che erano:

H, O, C , N

Che si sono combinati formare :

H2O acquaCO2 anidride carbonicaNH3 ammoniacaCH4 metano

Con cui si è costruita la prima atmosfera della Terra

Una miscela mortale per tutte le specie animali che oggi abitano la Terra.

NON C ’ ERA OSSIGENO

73%

24,7%

- 4 miliardi

-3.5 miliardi

Oggi

Nascita Vita

Nascita Terra

In queste condizioni è nata la vita quando la Terra era ancora calda

- 4 miliardi

Oggi

-2 miliardi

Fotosintesi

Nascita Terra

Quelle cellule hanno cominciato la loro evoluzione e dopo 1.5 miliardi anniscoprirono la fotosintesi

Che cambiò l’atmosfera della Terra permettendo ad organismi più complessi di esistere

-3.5 miliardiNascita Vita

permettendo alla vita di nascere ed evolversi

L’atmosfera ha stabilizzato la temperatura attorno ai 15 gradi

batterio escherichia coli.

Pianeta e Clima terreste

Febbraio 2010

Schema

1) Introduzione

3) il clima oggi ..

2) L’origine dell’atmosfera

L’impatto delle attività umane sull’atmosfera sta modificando il clima

con gravi rischi per il nostro futuro

AATSR Fire Atlas - year 2003

Ogni anno scompaiono tra i 10 e i 13 milioni di ettari di foreste e con esse si riduce la capacità della natura di sottrarre anidride carbonica all’atmosfera e di produrre ossigeno.

CO2 atmosferica

C

CC

C

CCon la scomparsa delle foreste si riduce la capacità delle piante di fissare nel suolo la C dell’atmosfera

In un terreno incolto si accumulano 130 tonnellate di C per ettaro che vengono in gran parte segregati (70 t in quelli

coltivati)

Il risultato è l’aumento della CO2

nell’atmosfera

+ 12 %

L’aumento del livello dei mari

3 Settembre 2008 CORSO DI QUARRATA

20 cm

della terra

e del mare

1°

La crescita della temperatura

al polo

19791979NASA Goddard Space Flight Center

20020000

Riduzione dei ghiacci

Sulle Alpi

19201920

20020000

Il problema Groenlandia2005 2007

Giorni di ghiaccio sciolto rispetto alla media dal 1988

Numero di km2 x Numero di giorni in cui il ghiaccio è sciolto

Lo scioglimento dei ghiacci: - alzerebbe il livello dei mari di 7 metri - potrebbe fermare la corrente del golfo e iniziare una nuova glaciazione

provocando

la scomparsa di specie locali

e l’apparizione di specie

aliene

non sempre gradite

Cambiamenti che influenzano la biosfera

Si costruiscono corridoi sud-nord per facilitare lo spostamento degli animali, perchè le variazioni sono troppo veloci per permettere alle specie di adattarsi

Noi non ce ne rendiamo conto perchè viviamo in ambienti artificiali, ma le specie che vivono all’esterno lo sentono moltissimo

Petit et al. Nature 3 giugno 1999Milutin Milankovitch (1879-1958)

Oggi 380

Oggi 1780

Petit et al. Nature 3 giugno 1999Milutin Milankovitch (1879-1958)

Oggi 380

Oggi 1780

Petit et al. Nature 3 giugno 1999

L’ ERA GLACIALE DI WURM

-15.000 -70.000

Sapiens

La discussione è tra chi è convinto che:

•i gas serra serra emessi dall’uomo sono responsabili dei cambiamenti

climatici

•il riscaldamento è una causa esterna e la crescita dei gas serra una

conseguenza

Petit et al. Nature 3 giugno 1999Milutin Milankovitch (1879-1958)

Oggi 380

Oggi 1780

Causa del problema:

- la crescita della popolazione mondiale

- e del suo benessere

E di conseguenza: - l’aumento dei consumi energetici - la distruzione del territorio

Fenomeni destinati ad aggravarsi se non si cambia modello di società

Con la popolazione cresce - la domanda d’energia

- l’occupazione dell’uomo delle terre emerse- l’inquinamento

Anno popolazione 1500 0.5 mil. 300

anni1800 1 “ 125 “1925 2 “ 50 “1975 4 “

La crescita della popolazione avviene soprattutto nei paesi poveri

Uganda: 1962 7 Ml 2006 30 “ (50% matrimoni < 15 anni) 2050 130 “

Nigeria;1950 33 Ml2006 120 “2050 300 “ Africa :1950 280 ML2006 480 “ 8% pop. Mondo2050 2000 “ 25 %

Africa < 1 ton/abit/anno di CO2 I 8.2USA 19,8

La domanda d’energia cresceraà soprattutto per lo sviluppo dei paesi poveria cui non si può parlare di risparmio energetico....

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10000

100000

20 40 60 80 100

Vita media [anni]

Con

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[kW

h]

Africa

Asia

Europa Est

Europa NordAmer.

America Latina

il risparmio energetico non risolve il problema...

I paesi “poveri” sono dal 2000 i maggiori emettitori di gas serra Em

issio

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Poichè non si può impedire loro di svilupparsi, la soluzione ai gas serra può essere solo trovata in un modo diverso di produrre energia.

Il sorpasso nel 2000

Una situazione drammatica che potrebbe presto portare acambiamenti irreversibili perchè

E spesso si leggono sui giornali (ma non sulle riviste scientifiche)articoli che negano il problema

Non tutti sono però convinti della drammaticità della situazione

Il clima può richiedere migliaia di anniper tornare alle condizioni “normali”

Dopo l’estinzione dei dinosauri il ciclo del Carbomioè tornato ai valori precedenti in più di 100.00 anni

Nei sistemi complessi le valuta zioni sono date in modo probabilistico ed è quello che l’IPCC (International Panel on Climate Change) fa dal 1990*

Nel 2° rapporto (1995) stabilisce al 66% la responsabilita dell’ uomo nei cambiamenti climatici

Nel 3° rapporto (2001) stabilisce al 95% la responsabilita dell’ uomo nei cambiamenti climatici e nell’innalzamento osservato degli oceani

Nel 4° rapporto (2007) dichiara che: l’aumento della temperatura, del livello degli oceani, lo scioglimento dei ghiacci sono inequivocabilmente dovuti ad attività umane (probabilità > 99%).

La ragione è che non esistono modelli che spiegano in modo semplice il modo con cui l’atmosfera

regola il clima

Un fatto che crea molta confusione e permette di minimizzare il problema

Conclusioni

Anche se non ci sono modelli “soddisfacenti” per i cambaimenti climatici l’uomo è il responsabile più probabile.

- un nuovo tipo di società che massimizzi l’efficienza e, se possibile, minimizzi i consumi

- un nuovo modo per produrre energia che elimini le emissioni di gas serra (superando il tabù del nucleare)

- nuove forme di agricoltura che producano meno gas serra e non degradino il territorio

I rischi sono enormi per cui il principio di prudenza spinge a considerare il problema seriamente ed a cercare soluzioni che dovranno passare per:

- investimenti importanti in ricerca perchè molte soluzioni mancano

Anche se non ci fosse un’emergenza climatica, dobbiamo ricordare che i combustibili fossili finiranno, e queste soluzioni andranno comunque adottate

A noi la saggezza di evitare la fine deidinosauri FINE

La maggior parte delle specie del passatosi è estinto.

Qualche lettura..

L’uomo ha cambiato il clima e la Terra entra in una nuova era