Atmosfera e biosfera: effetto serra, riscaldamento globale ed ecosistemi terrestri

IL nostro pianeta è di fronte ad una emergenza ambientale di grande portata. L'attività dell'uomo nei comparti industriale, energetico e dei trasporti ha determinato e sta determinando un incremento senza precedenti, nella concentrazione atmosferica, di gas definiti ad effetto serra; le conseguenze potenziali di questa modifica nella composizione dell'atmosfera terrestre sono oggetto di studio a livello internazionale: climatologi, fisici dell'atmosfera, biologi, ecologi e tecnologi sono impegnati a tutto campo per valutare e quantificare i rischi che tale mutamento globale del pianeta potrà avere per le società umane e per la sostenibilità degli ecosistemi terrestri e marini. Le nazioni sono impegnate, attraverso il meccanismo delle convenzioni internazionali, a fronteggiare l'emergenza anche con l'adozione di provvedimenti drastici di riduzione delle misure di gas serra. Il protocollo siglato a Kyoto un anno fa rappresenta l'impegno più significativo in questa direzione.

	Le immagini mostrano due diversi particolari della stazione "eddy-correlation" realizzata nel 1997 in Sardegna, nel Parco Regionale dell'Arca di Noè (Alghero)

È indubbio, e proprio queste convenzioni internazionali lo dimostrano, che le ripercussioni del cambiamento globale in atto e la sua intensità dipenderanno molto dall'interazione che esiste fra biosfera, atmosfera ed i diversi fattori di cambiamento. Atmosfera, clima e biosfera sono di fatto dei sistemi accoppiati, in grado di rispondere l'uno a mutamenti che avvengono nell'altro. In questa prospettiva complessa, la ricerca scientifica è chiamata a dare rapidamente risposte esaustive sui vari meccanismi che regolano e governano l'accoppiamento fra il sistema climatico e gli ecosistemi marini e terrestri. Le grandi domande a cui è urgente rispondere riguardano la capacità attuale della biosfera terrestre e marina di assorbire la CO₂ atmosferica e "sequestrarla" all'interno della "biomassa" vegetale, e la previsione dell'impatto del cambiamento proprio su questa capacità.

Ma andiamo con ordine, e vediamo dapprima cosa vuol dire valutare l'attività globale della biosfera nel sequestro di CO₂ atmosferica: un bosco, una foresta ma anche un prato o una prateria di Posidonia oceanica sono biomasse costituite per lo più da carbonio. Tutto il carbonio dei rami delle foglie e dei tronchi degli alberi, ma anche tutto il carbonio che si trova sottoterra sotto forma di radici, microrganismi e lettiera, proviene dall'atmosfera. Questo accumulo è opera di una reazione foto-biochimica (la fotosintesi) che è la reazione più diffusa su questo pianeta e da cui la vita su questo pianeta dipende. Ma mentre può apparire semplice capire che la biosfera utilizza CO₂ atmosferica per crescere, è senz'altro più difficile determinare quanta di questa CO₂ venga scambiata nel corso del tempo fra i due sistemi. Da un punto di vista intuitivo, la quantità di carbonio sequestrata ogni anno da un foresta è uguale al suo incremento di volume, peso e biomassa. Potrebbe bastare misurare quest'incremento e moltiplicare poi la superficie delle foreste per avere una stima del sequestro, di questo "pozzo" o sink per la CO₂. Ma le cose, in realtà, non stanno proprio così, ed il fattore chiave che rende insufficiente questa semplificazione è che gran parte del carbonio assimilato con la fotosintesi viene trasferito nella frazione sotterranea dell'ecosistema e lì entra a far parte di una serie di processi di degradazione, respirazione ma anche di immobilizzazione che è difficile quantificare. Insomma, "chiudere" o "far tornare" le equazioni del bilancio del carbonio in un ecosistema è un obiettivo estremamente complesso che va ben al di là della stima della biomassa "in piedi" di un bosco. Negli ultimi anni, tuttavia, la ricerca scientifica ha messo a disposizione nuovi strumenti di misura che possono aiutare a risolvere questo problema. Si parla, in questo caso, di misure di flussi, e cioè di metodi micrometeorologici che servono a quantificare gli scambi netti di CO₂ fra l'ecosistema e l'atmosfera (Moncrieff et al., 1996). E si tratta essenzialmente di tecniche che, mettendo in relazione fra loro la direzione del moto dell'aria al di sopra di una copertura vegetale e la massa di gas trasportata in questo moto, riescono a calcolare con buona precisione lo scambio netto dell'ecosistema. Il principio di queste tecniche, che prende il nome di eddy correlation, è di calcolare il sequestro netto di CO₂ di un ecosistema come differenza tra la CO₂ che è entrata e quella che è uscita. Il netto di questo bilancio ci dà una misura precisa del sink di un ecosistema. Il mondo scientifico conosce tali metodi da ormai diversi decenni, e da tempo è impegnato a concretizzare e standardizzare questo tipo di misure affinché esse possano servire a quantificare bene l'attività dei sink.

Il nostro Paese ha assunto da tempo la leadership in questo settore della ricerca anche con il significativo contributo dell'Istituto di Agrometeorologia ed Analisi Ambientale (IATA). I due maggiori progetti europei, che si occupano di misurare i sink delle foreste del centro-nord Europa (EUROFLUX, http://www.unitus.it/eflux/euro.html) e dell'area Mediterranea (MEDEFLU, http://www.iata.fi.cnr.it/Medeflu/minute.htm), sono coordinati da ricercatori italiani dell'Università e dello IATA e l'esperienza maturata in questi progetti costituisce un punto di riferimento per altri paesi avanzati come gli Stati Uniti d'America o il Giappone.

Ma spiegare, capire e misurare l'attività della biosfera oggi è solo una parte del compito che bisogna svolgere. Infatti, i vari fattori di mutamento ambientale ed in primis il costante aumento di concentrazione della CO₂ atmosferica può contribuire ad alterare questi bilanci in modo anche molto significativo. È noto da più di cento anni che la fotosintesi di una pianta esposta ad alte concentrazioni di CO₂ atmosferica aumenta in modo molto significativo. È un fatto ormai incontrovertibilmente dimostrato che una coltura vegetale esposta a concentrazioni atmosferiche di CO₂ pari a quelle che ci saranno fra 50 o 100 anni è in grado di crescere anche del 20-40% in più. In questa prospettiva è, quindi, lecito attendersi che fra 50 o 100 anni la capacità dei sink biosferici potrà essere maggiore di oggi. Questo potenziale fattore di stimolazione, anche se piccolo, potrà avere enormi ripercussioni sui bilanci aggregati di emissioni. È facile capire che anche solo il 10% di aumento di un flusso di CO₂ dall'atmosfera verso la biosfera, che è stimato oggi intorno a 3-4 miliardi di tonnellate annue, non può essere trascurato nei calcoli. E questa considerazione spiega perché i paesi occidentali stanno investendo notevoli risorse umane e finanziarie nel tentativo di quantificare (se esiste) questo fattore di stimolazione dovuto all'aumento di CO₂ atmosferica.

Negli USA, in Giappone ed in Italia vengono fatti esperimenti molto avanzati che hanno il compito di chiarire se l'ormai inevitabile aumento di CO₂ atmosferica stimolerà la crescita delle piante coltivate e della vegetazione forestale. E ci sono già le prime prove che tale fattore di stimolazione potrebbe effettivamente realizzarsi almeno per foreste ben gestite ed in rapido accrescimento.

Le ricerche in corso di svolgimento presso lo IATA rappresentano un contributo di primissima importanza nello scenario internazionale. I ricercatori del CNR, anche attraverso un'estesa rete di collaborazioni, sono stati in grado di effettuare prove sperimentali in condizioni di pieno campo, che non hanno precedenti in Europa. Presso lo IATA sono stati sviluppati apparati sperimentali e tecnologici che consentono di simulare in un ambiente aperto e naturale la composizione chimica dell'atmosfera che avremo domani sul pianeta; grazie a queste tecnologie è stato studiato l'effetto di elevate concentrazioni di CO₂ sulle principali colture agrarie dell'area mediterranea, compresa la vite.

È stata anche analizzata la vegetazione forestale di aree dove le concentrazioni atmosferiche di CO₂ sono naturalmente più elevate che altrove a causa di emissioni di gas dal sottosuolo. Questi studi, che hanno attratto molti ricercatori da tutto il mondo, stanno dimostrando che la risposta degli ecosistemi ad elevata concentrazione CO₂ atmosferica può essere inferiore alle attese nel medio-lungo periodo. Proprio le piante forestali, oggetto di studio in queste zone, hanno consentito di comprendere l'esistenza di fenomeni di acclimatamento alle alte concentrazioni di CO₂ che non erano ancora stati documentati.

In conclusione, la ricerca svolta dal nostro laboratorio in questo campo si è imposta a livello nazionale ed internazionale. Documentano tale successo le molte pubblicazioni su riviste altamente qualificate, le dimensioni e la qualità delle collaborazioni, la partecipazione a diversi progetti europei di ricerca anche con funzioni di coordinamento. Le tecnologie sviluppate presso il nostro Istituto hanno attratto l'interesse di molti altri Paesi, sono state "esportate" in molte nazioni europee (Francia, Germania, Olanda, Regno Unito, Irlanda, Svezia, Finlandia ed Ungheria) e sono oggetto di progetti svolti in collaborazione con Istituti universitari americani ed enti di ricerca giapponesi ed indiani.