Legame "Attività vulcanica - Clima"

Nel seguente articolo abbiamo analizzato lo stretto legame esistente tra l'attività vulcanica e il clima, e quanto quest'ultimo possa dipendere dalla gas e dalla cenere vulcanica emessa durante le eruzioni.

Nel corso degli ultimi 100.000 anni, innumerevoli volte la temperatura media del globo ha subito fluttuazioni a causa di catastrofiche eruzioni vulcaniche.
Dalla più memorabile, generata da vulcano Toba, avvenuta solo 74.000 anni fa' e tanto intensa da ridurre la specie umana a pochi migliaia di individui, sino alla più recente (del vulcano Pinatubo) risalente al 1991 e nota per aver provocato una riduzione della temperatura media del pianeta di 0.3 °C.

Secondo numerosi studi sul nostro pianeta esistono oltre 1500 vulcani attivi (molti dei quali riportati nella nostra mappa vulcani), molti non hanno mai prodotto eruzioni catastrofiche ma ad alcuni basterebbe un solo episodio eruttivo per influenzare il clima a livello globale.
Prima di analizzare tale dinamica con maggiore accuratezza, ai fini della comprensione stessa dell'articolo, è necessario descrivervi brevemente un processo fisico che sta alla base dell'attività climatica del nostro pianeta.

Tale processo è detto equilibrio radiativo o più comunemente conosciuto come "bilancio energetico sole-terra".
Come intuibile dal nome, si tratta di un processo fisico che descrive come il nostro pianeta scambia energia, sotto forma di radiazione, con lo spazio esterno. Nell'equilibrio radiativo è possibile distinguere un flusso di radiazione entrante (ovvero la radiazione solare) e un flusso di radiazione uscente ovvero la radiazione termica che il sistema climatico terrestre emette verso lo spazio, e che comprende la radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre che riesce a passare attraverso l'atmosfera (in parole povere il calore "disperso" dal pianeta).

Del flusso entrante, ovvero la radiazione solare che colpisce il nostro pianeta, circa il 70% viene assorbito (da superficie terrestre ed atmosfera), mentre il restante 30% viene riflesso all'indietro dal pianeta.
Come avrete intuito non esiste un vero e proprio equilibrio tra flusso entrante e flusso uscente, bensì il flusso uscente risulterà minore del flusso entrante, e quindi in termini quantitativi dei 342 W/m2 di radiazione solare incidente sul pianeta, solo 1/3 (ovvero 112 W/m2) verra' riflesso verso lo spazio.
Pertanto affinché vi sia un equilibrio radiativo tale da permettere la vita, così come la conosciamo, la radiazione infrarossa uscente deve presentare un valore medio globale di circa 112 W/m2.

Qualsiasi processo in grado di alterare l'equilibrio tra flusso entrante e flusso uscente di radiazione, provocherebbe una forzatura positiva o negativa a seconda dei casi.
Basti pensare che se tale processo fisico fosse assente, la temperatura globale media del nostro pianeta non sarebbe di 15 °C bensì di -20 °C !


Forzatura positiva:

• Se aumenta il flusso entrante;
• Se diminuisce il flusso uscente (effetto serra).

Risultato: aumento della temperatura media atmosferica

Forzatura negativa:

• Se diminuisce il flusso entrante;
• Se aumenta il flusso uscente.

Risultato: diminuzione della temperatura media atmosferica

Quindi una forzatura negativa, cioè una diminuzione della temperatura media globale, sarebbe possibile qualora si verificassero processi in grado di ridurre il flusso entrante (cioè la radiazione assorbita dal nostro pianeta) o aumentare il flusso uscente (cioè una maggiore dispersione di calore).

Per i più tecnici ciò sarebbe possibile se dovesse verificarsi un calo della radiazione solare assorbita dal pianeta (diminuzione del flusso entrante).
Ciò sarebbe possibile solo se il pianeta riflettesse maggiore radiazione solare, registrando così un aumento dell'albedo planetaria.
L'albedo indica il potere riflettente di una radiazione incidente da parte di una superficie.
Tradotto: se l'estate indossate una T-shirt nera avrete più caldo perchè la vostra maglietta avrà un'albedo molto bassa (assorbirà tutto il "calore" solare) mentre d'inverno la temperatura cala notevolemente se a terra c'è della neve (che avendo un'albedo molto è in grado di riflettere la radiazione).

L'albedo planetaria puà aumentare, causando una forzatura negativa, se dovessero aumentare le distese nevose o qualore ci fosse un incremento dell'albedo delle nuvole (ciò avviene con un corposo aumento della copertura nuvolosa costituita prevalentemente da nubi ricche di solfati).

Le particelle costituite da solfati (di origine marina, eolica, antropica), dotate di proprietà dielettriche tali da produrre forte scattering (diffusione dell'onda elettromagnetica) e debole assorbimento della radiazione solare, possano aumentare l'albedo delle nuvole (qualora in essi presenti) a differenza delle particelle carboniose (che se presenti diminuirebbero l'albedo del corpo nuvoloso).

Come accaduto già in passato catastrofiche eruzioni vulcaniche possono emettere delle nubi vulcaniche in grado di modificare la composizione chimica delle nuvole, incrementando la quantità di solfati, di conseguenza aumentando l'albedo planetaria, e infine provocando una forzatura negativa dell'equilibrio radiativo.
Infatti una nube vulcanica è costituita oltre che da solfati anche e sopratutto da:

• H2o (in media 60%)
• Co2
• Co
• Hcl (ecc. ecc.)

in caso di eruzioni vulcaniche così violente da creare una colonna di cenere vulcanica tanto alta fino alla bassa stratosfera, il contenuto stratosferico di particelle di AEROSOL potrebbe variare incidendo fortemente sul clima terrestre.
Dopo un paio di mesi dall'eruzione la nube vulcanica e la cenere sarebbe estesa su un'ampia fascia del pianeta e nella nube stessa si registrerebbe una concentrazione di goccioline composte per il 75% di acido solforico (H2SO4) e per il 25% da H2O.

Queste particelle, a seconda dell'intensità dell'eruzione vulcanica, possono restare per mesi o anni in stratosfera, prima di cadere, aumentando così l'albedo delle nuvole.

Inoltre con un aumento delle nubi vulcaniche, e quindi un aumento dell'acido solforico con cui le ammine presenti in atmosfera possono combinarsi ("6 ottobre New Paper della rivista Nature”- esperimento Cloud – CERN di Ginevra), potrebbe essere facilitata la formazione dei nuclei di condensazione, attorno a cui il vapore acqueo andrebbe ad addensarsi, favorendo la formazione di nuove nuvole che andranno a riflettere la radiazione solare incidente provocando un ulteriore aumento dell'albedo planetaria.

Ciò ci fa capire come le particelle presenti in una nube vulcanica, e in particolare i solfati, andando ad aumentare l'albedo delle nuvole provocherebbero un generale raffreddamento globale.
Ma i solfati potrebbero influenzare il clima globale non solo aumentando l'albedo dei corpi nuvolosi ma anche indirettamente distruggendo lo strato di ozono.
Infatti essi sono in grado di convertire facilmente i clorofluorocarburi (CFC) in composti molto più attivi e capaci di accelerare la distruzione dello strato di ozono.
Di conseguenza, una perdita di ozono provocherebbe un raffreddamento stratosferico, che a sua volta comporterebbe un rafforzamento del vortice polare nella stratosfera e (molto probabilmente) in troposfera, tale da aumentare in un primo momento l'estensione dei ghiacciai (e quindi aumentando l'albedo superficiale e ulteriormente l'albedo planetaria) qualora la suddetta figura barica fosse centrata nel proprio polo geografico, e in un secondo momento, a causa di resistenze in troposfera che farebbero assumere al vortice polare una forma assiale, assisteremmo ad un raffreddamento a latitudini ben più basse, provocando nuovamente un ulteriore aumento dell'albedo superficiale e planetaria.

Inoltre le nubi vulcaniche, una volta ricadute (e quindi non più sospese nell'atmosfera) continuerebbero, seppure indirettamente, a forzare negativamente l'equilibrio radiativo, provocando un aumento della copertura nuvolosa e di conseguenza un incremento dell'albedo planetaria.
Per comprendere quest'ultimo processo è necessario conoscere cosa sia l'aerosol atmosferico.


L'aerosol atmosferico e' composto da particelle e corpuscoli in sospensione all'interno dell'atmosfera,di natura chimica variabile in base alla propria origine.
Esso può essere immesso in atmosfera dall'azione dei venti sui deserti, oppure dall'azione del vento sugli oceani (o dai vulcani, come visto precedentemente).

• gli aerosol costituiscono dei nuclei di aggregazione per le molecole di vapor acqueo e quindi contribuiscono alla formazione delle nuvole.




• aerosol costituiscono un ruolo importantissimo nel processo di scattering della radiazione solare.

Il numero di particelle di aerosol decresce all'aumentare delle dimensioni delle particelle.
In particolare le particelle di origine marina ed eolica hanno proprietà dielettriche tali da produrre forte scattering e debole assorbimento della radiazione solare.
Tra le prime sorgenti di aerosol globale vi e' il mare.

L'aerosol marino (detto anche spray marino) si origina grazie all'azione dei venti sul pelo dell'acqua.
La composizione chimica ( "classica" ) dell'aerosol marino, è suddivisa in frazione fine (diametro 1um), dove oltre il 90% della frazione fine è costituita dal solfato, mentre il 100% della frazione grossolana dal sale marino.
In passato però, alcuni esperimenti evidenziarono la presenza di materiale organico nella frazione fine dell'aerosol marino.
Ulteriori studi dimostrarono che le proprietà fisiche e chimiche dell'aerosol marino variano in modo stagionale analogamente alle variazioni dell'attività biologica marina, in particolare alla fioritura del fitoplancton marino.
La componente organica (prevalentemente costituita da composti organici insolubili) domina la frazione fine del Aerosol marino durante il periodo di fioritura del fitoplancton marino.
Queste particelle organiche sono immesse in atmosfera dall'esplosione delle bollicine d'aria prodotte dal moto ondoso degli oceani.

Questa nuova sorgente di materiale organico aumenta la disponibilità di nuclei di condensazione delle nubi dell'atmosfera ed influenza il clima del pianeta.
Nel periodo di bassa attività biologica nella frazione grossolana domina il sale marino (circa il 100%), mentre nella frazione fine il sale marino e' presente per circa 75% e solo il 20% circa è costituito da materiale organico (solubile e insolubile).
Nel periodo di alta attività biologica della frazione grossolana domina il sale marino, anche se è presente una quantità di materiale organico (solubile e insolubile) pari a circa il 4%, mentre nella frazione fine domina la presenza di materiale organico (circa il 63%) e in particolare la quantità di materiale organico insolubile prevale sulla quantità di materiale organico solubile.

Attualmente i modelli climatici considerano l'aerosol marino composto unicamente da solfato e sale marino.
Questa nuova sorgente di materiale organico tensioattivo, maggiore durante il periodo di fioritura del fitoplancton, aumenta la disponibilità di nuclei di condensazione delle nubi nell'atmosfera, permettendo così anche un aumento della copertura nuvolosa.
La fioritura del fitoplancton avviene grazie al sole (attraverso cui è possibile la fotosintesi) e alla quantità di nutrienti presenti in acqua.

Secondo alcuni studi, la concentrazione del fitoplancton aumenterebbe notevolmente in presenza di acque ricche di ferro.
Quindi, in questo processo la cenere vulcanica agirebbe da fertilizzante per gli oceani, rilasciando varie sostanze (tra cui il ferro), considerate nutrienti per il fitoplancton.
Si ritiene inoltre che il fitoplancton possa rimuovere dall'atmosfera all'incirca la stessa quantità di anidride carbonica assorbita dalla vegetazione terrestre, esplicando così un'azione di contrasto nei confronti dell'effetto serra e del riscaldamento globale.

A tal proposito, al fine di mitigare l'effetto serra, alcuni scienziati vorrebbero fertilizzare gli oceani con il ferro e provocare quindi un aumento del fitoplancton.

Quindi concludendo, è possibile asserire che le ceneri vulcaniche agendo da fertilizzante per gli oceani del nostro pianeta, favorirebbero l'aumento della concentrazione di fitoplancton, che a loro volta attraverso le dinamiche sopradescritte, potrebbero provocare (indirettamente) un aumento della copertura nuvolosa, un conseguente aumento dell'albedo planetaria e infine una forzatura negativa nell'equilibrio radiativo.




(L'immagine è stata scattata dal satellite Aqua della Nasa. Le macchie verdi indicano la presenza del fitoplancton a largo della penisola russa di Kamchatka lunga oltre 1250 chilometri e costellata da numerosi vulcani come l'Avachinsky, il vulcano Sheveluch e il vulcano Klyuchevskoy)


Con le dettagliate descrizioni dei numerosi processi di natura chimico-fisica presenti nel suddetto articolo, e' possibile affermare, forse anche con assoluta certezza, che un'ipotetica eruzione del supervulcano Yellowstone (o di qualsiasi altro vulcano) se abbastanza violenta e duratura, potrebbe provocare un raffreddamento globale o addirittura un'era glaciale.
Allo stesso modo con altrettanta sicurezza si può ipotizzare che sarebbe comunque una fase transitoria, perché come già successo in passato, la natura e il nostro pianeta troveranno sempre il modo per autoregolarsi e far si che la vita rinasca ancora una volta.

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Giovanni Borgia - BORJA

Fonti

http://it.wikipedia.org/wiki/Teoria_della_catastrofe_di_Toba
http://www.volcanodiscovery.com/it/volcanoes/faq/how_many_volcanoes.html
http://it.wikipedia.org/wiki/Indice_di_esplosivit%C3%A0_vulcanica
http://press.web.cern.ch/press-releases/2013/10/cerns-cloud-experiment-shines-new-light-climate-change
http://it.wikipedia.org/wiki/Bilancio_energetico_Sole_-_Terra
http://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&cd=9&ved=0CF8QFjAI&url=http%3A%2F%2Fwww.ati2000.it%2Findex.php%3Fpage%3Ddownload%26t%3Dpubblicazioni%26id%3D4956&ei=FhQnU5-GO-OQ0AX0sYDwDw&usg=AFQjCNEWA-R-qSgUFmIkzT5j8OD9__W6xg
http://www.coboldi.it/dionex/milano_060607/PDF/Facchini.pdf
http://www.repubblica.it/scienze/2013/06/04/foto/russia_pennellate_di_van_gogh_sul_mare_esplosione_di_fitoplancton-60331934/1/