Curva di Keeling: l’aumento di anidride carbonica (CO2) in atmosfera

“Le misure di Keeling sull’aumento della CO2 nell’atmosfera del pianeta hanno costruito le basi profonde per la consapevolezza che oggi esiste del cambiamento climatico. Rappresentano il singolo più importante risultato scientifico raggiunto nel campo delle scienze ambientali nel ventesimo secolo.”

Charles Kennel – professore emerito di climatologia

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L'andamento della concentrazione dell'anidride carbonica (CO2) in atmosfera. I dati, aggiornati a giugno 2022, sono raccolti dal 1958 dall'osservatorio di Mauna Loa (isole Hawaii). Fonte: NOAA.

Introduzione alla Curva di Keeling

Almeno una volta avrete posato gli occhi su questo grafico. Quella curva protesa verso l’alto è l’emblema della nostra epoca. L’agognata crescita economica? La popolazione mondiale in aumento? Non proprio, ma in qualche modo il significato di questo andamento è strettamente legato a ciò.

Il grafico, chiamato Curva di Keeling, mostra l’aumento della concentrazione di anidride carbonica (CO2) nell’atmosfera del nostro pianeta. È il simbolo tangibile e inequivocabile dell’impatto che le attività umane hanno sulla Terra. Si può ben dire che la Curva di Keeling è uno dei prodotti scientifici più importanti e simbolici della nostra epoca.

Questo articolo è dedicato alla storia del grafico, al suo significato e allo stretto rapporto che unisce l’andamento della concentrazione atmosferica di anidride carbonica al clima del nostro pianeta.

Monitorare la CO2 in atmosfera: l’idea di Charles David Keeling

Gli inizi

Alla fine degli anni ’50 Charles David Keeling, fresco di laurea, aveva appena iniziato a interessarsi alla geochimica, la branca della chimica che studia le componenti della Terra utilizzando i concetti e gli strumenti propri della chimica. A quell’epoca la concentrazione di anidride carbonica (o biossido di carbonio o più semplicemente ancora CO2, la sua formula stechiometrica) in atmosfera non era nota con precisione. Le misure riportate oscillavano tra 250 e 500 parti per milione.

Si pensava che l’incertezza fosse dovuta alla scarsa accuratezza degli strumenti che ancora non riuscivano a misurare in modo efficace un gas la cui concentrazione in atmosfera è inferiore allo 0.1 % del volume totale. Cento parti per milione (ppm) corrispondono infatti a una concentrazione percentuale di 0.01 %.

L'osservatorio di Mauna Loa alle isole Hawaii. Dal 1958 registra giornalmente la concentrazione di anidride carbonica in atmosfera. Fotografia di Alan L.

Vista la poca e approssimativa conoscenza dell’anidride carbonica in atmosfera, Keeling decise di costruirsi da sé gli strumenti necessari per farlo e iniziò una puntigliosa campagna di misure nella regione costiera della California.

I risultati non tardarono ad arrivare. Keeling scoprì che la concentrazione di CO2 in atmosfera non è costante ma segue delle oscillazioni giornaliere. La concentrazione misurata nella bassa atmosfera è bassa e stabile durante il giorno e aumenta di notte.

Spiegare questo fenomeno non fu difficile. Di giorno le piante consumano l’anidride carbonica per compiere la fotosintesi clorofilliana. Di notte la producono con la respirazione. Inoltre, di giorno i moti convettivi innescati dal riscaldamento solare creano turbolenze che rimescolano l’atmosfera, facendole assumere un valore uniforme. Di notte l’atmosfera stratificata rende la concentrazione più instabile e soggetta a fluttuazioni.

David Keeling nel suo laboratorio all'istituto Scripps di Oceanografia. Crediti: Università della California.

Con questi primi studi Keeling aveva spiegato perché la concentrazione di CO2 non è costante, ma cambia seguendo cicli diurni marcati. Il primo passo di un’avventura scientifica che sarebbe durata oltre quarant’anni.

L’osservatorio di Mauna Loa di Keeling: nasce la Curva di Keeling

Gli studi di David Keeling attirarono l’attenzione di molti istituti ricerca. Diversi laboratori offrirono una posizione a Keeling per continuare le misurazioni dell’anidride carbonica in atmosfera. Si intuiva che quel campo di indagine sarebbe stato fondamentale per comprendere l’impatto delle attività umane sul sistema climatico.

Il logo dell'Anno Geofisico Internazionale.

Keeling si trasferì all’istituto Scripps di Oceanografia, vicino a San Diego in California, uno dei più prestigiosi istituti di ricerca sulle Scienze della Terra. Proprio in quell’anno, il 1957, venne proclamato l’Anno Geofisico Internazionale. L’obiettivo era quello di coordinare delle campagne scientifiche internazionali volte alla comprensione di fenomeni poco conosciuti. Fu la stessa iniziativa che aveva portato alla scoperta delle Motagne Gamburtsev sepolte dai ghiacciai Antartici.

La comprensione del comportamento dell’anidride carbonica in atmosfera era uno di questi fenomeni. Venne quindi proposto a Keegan di realizzare un avamposto di misurazione della CO2 alle Hawaii, sulle pendici del gigantesco vulcano Mauna Loa.

La scelta del grande vulcano fu tutt’altro che casuale, fu anzi il frutto di attente considerazioni. Keeling aveva mostrato che nella bassa atmosfera la concentrazione di CO2 è estremamente variabile. Piante, turbolenze atmosferiche, emissioni da parte dei motori termici. Questi fattori rendono difficile misurare valori stabili di CO2 in bassa atmosfera. Le caratteristiche del Mauna Loa risolvevano in buona parte questi problemi.

Le piante non crescono nella parte alta del vulcano, inoltre la posizione remota al centro del Pacifico rende le Hawaii un luogo poco influenzato dalle attività umane. Ultimo fattore, le correnti atmosferiche prevalenti che circolano intorno al vulcano spirano dall’alta quota verso il mare. Ciò limita ulteriormente l’effetto di disturbo portato dalle lussureggianti foreste che prosperano nella regione costiera del Mauna Loa.

Fu identificata un’unica potenziale interferenza: le emissioni prodotte dal vulcano stesso. Il Mauna Loa è un vulcano attivo che rilascia abbondanti emissioni gassose in atmosfera. Tra queste c’è anche la CO2 e la cosa preoccupò non poco Keeling e i suoi collaboratori. Ben presto gli scienziati si resero però conto che i picchi di concentrazione dovuti all’anidride carbonica vulcanica erano talmente evidenti da essere facilmente riconoscibili e facili da scartare.

Grazie a questi indubbi vantaggi, fu deciso di installare sul Mauna Loa un osservatorio permanente per la misura dell’anidride carbonica in atmosfera. Gli strumenti furono sistemati a 3400 metri, circa 800 metri sotto alla cima del vulcano.

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L'andamento della concentrazione di CO2 in atmosfera misurata all'Osservatorio di Mauna Loa durante un evento di origine vulcanica (evidenziato in rosso), da Pales & Keeling (1965).

Le misure iniziarono nella primavera del 1958. Il giovane scienziato si impegnò affinché fin da subito la precisione dei suoi strumenti si aggirasse intorno al decimo di parte per milione. Molti suoi colleghi sorrisero, pensando che tale precisione sarebbe stata inutile vista la variabilità della concentrazione di CO2 in atmosfera. Si sarebbero presto ricreduti. 

Da allora, e sono trascorsi 64 anni, gli strumenti non hanno mai smesso di funzionare, dando vita alla più completa e longeva serie di misurazioni di anidride carbonica in atmosfera. Probabilmente David Keeling non realizzò che il suo esperimento sarebbe stato uno dei più importanti successi scientifici di tutti i tempi.

L'Osservatorio dell'Anidride Carbonica in atmosfera installato sulle pendici del Mauna Loa. Fotografia di Ivtorov.

Come varia l’anidride carbonica in atmosfera?

Le oscillazioni annuali: il respiro della Terra

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I dati ottenuti da Keeling all'Osservatorio del Mauna Loa durante i primi due anni dell'esperimento. Nel 1958 le misure sono ancora discontinue. Da Pales & Keeling (1963).
Nel 1958 Keeling non riuscì a ottenere un record di misurazioni continuo. A causa di alcuni guasti i dati presentavano delle interruzioni. I valori sono mostrati qui a fianco. Keeling rimase sorpreso perché i pochi valori misurati in primavera erano più alti di quelli osservati in estate. Inoltre, sembrava che la concentrazione di anidride carbonica salisse durante l’autunno.
 
 

Gli strumenti sembravano funzionare correttamente ma era difficile capire cosa stesse succedendo. Per vederci chiaro Keeling dovette aspettare il 1959, quando riuscì ad acquisire una serie annuale completa. I nuovi dati, riportati qui sopra, mostrano che i trend intravisti nel 1958 erano confermati. Keeling stava osservando le oscillazioni stagionali della concentrazione di anidride carbonica in atmosfera.

Essa raggiunge un massimo in primavera e tocca il minimo in autunno. Perché? Come spiegò lo stesso Keeling: «eravamo per la prima volta testimoni del sequestro di anidride carbonica dall’atmosfera da parte della crescita estiva delle piante e del suo successivo ritorno durante l’inverno».

L’oscillazione può essere poeticamente definita il respiro della Terra ed è dovuta alla asimmetria delle foreste terrestri, più sviluppate nell’emisfero boreale che in quello australe.  La concentrazione di CO2 raggiunge il massimo in primavera, prima che le piante entrino nella fase vegetativa. La crescita estiva delle foglie consuma la CO2 che aumenta nuovamente in autunno quando le piante perdono le foglie. L’entità dell’oscillazione è contenuta, 5 parti per milione, a fronte di una concentrazione totale che negli anni ’60 era di circa 315 ppm (1.5 %).

Ancora oggi, a 60 anni dall’inizio delle misurazioni, le oscillazioni annuali della CO2 sono ben riconoscibili. Le si può apprezzare nel grafico a fianco, aggiornato con gli ultimi dati provenienti dall’osservatoria di Mauna Loa.

Oltre alle oscillazioni, evidenziate dalla curva rossa, risulta però evidente un secondo pattern. Parlo ovviamente della salita continua dei valori (curva nera) ben evidenziata dalla Curva di Keeling.

C’è una differenza sostanziale tra i due trend. Le oscillazioni stagionali sono un fenomeno naturale. La salita che di anno in anno spinge i livelli di anidride carbonica verso l’alto è invece un processo di origine antropica. Esso non ha nulla a che fare con la variabilità climatica e ambientale della Terra.

L'andamento della concentrazione di CO2 negli ultimi anni. Al netto dell costante aumento (curva nera), sono ben visibili le oscillazioni annuali già identificate da Keeling negli anni '50. Fonte: NOAA.

Il trend di lungo periodo: il fattore antropico

La serie completa e aggiornata dei dati di concentrazione atmosferica di anidride carbonica iniziata da Keeling. Fonte: NOAA.

Pochi anni dopo aver iniziato le misure, Keeling si accorse di un fenomeno importante. Anno dopo anno la concentrazione di CO2 in atmosfera aumentava. Non solo, man mano che gli anni passavano la salita accelerava. Se negli anni ’60 l’incremento annuale era di 0.7 ppm, attualmente la crescita è di oltre 2 ppm per anno.

David Keeling dedicò decenni per studiare l’andamento della CO2 ricostruito grazie ai suoi dati. Interpretò l’aumento alla luce del massiccio utilizzo di combustibili fossili da parte della civiltà umana. Carbone, gas, petrolio, bruciati per alimentare industrie, città, veicoli. Il sistema economico globale si regge sullo sfruttamento di tali risorse, la cui combustione produce anidride carbonica. Usiamo gli idrocarburi perché sono un formidabile concentrato di energia, facile da estrarre e da utilizzare.

In viola la curva di Keeling (CO2 in atmosfera), in blu la concentrazione di CO2 negli oceani e in azzurro il loro pH. Fonte: Smithsonian Institution.

Il problema è che lo sfruttamento umano è stato così rapido e massiccio da consumare in pochi decenni i combustibili fossili che la geologia ha impiegato centinaia di milioni di anni ad accumulare. 

Keeling stimò che per giustificare l’aumento di CO2, bisogna considerare che metà dell’anidride carbonica prodotta dalla combustione dei fossili finisce in atmosfera. L’altra metà è invece assorbita dagli oceani.

Se tutta la CO2 fosse finita in atmosfera, la sua concentrazione non sarebbe di 420 ppm ma di almeno 500 ppm. Il fatto che gli oceani abbiano incamerato enormi quantità di anidride carbonica ha però determinato la loro acidificazione con gravi conseguenze sugli ecosistemi marini. L’anidride carbonica in acqua si trasforma infatti in acido carbonico. 

Salita della CO2 in atmosfera, perché è un problema?

Non era possibile concludere questo articolo senza spendere qualche parola sul legame che lega la CO2 al clima del pianeta.

È proprio questo il nodo centrale. Il fatto che la concentrazione di anidride carbonica stia aumentando non è soltanto un curioso fenomeno da studiare. Le conseguenze di questo fenomeno le viviamo sulla nostra pelle giorno dopo giorno, dando loro il nome di Cambiamento Climatico. Dall’epoca pre-industriale la temperatura planetaria è aumenta di 1.5 °C. Il motivo è il rilascio di CO2 in atmosfera, uno dei più importanti gas a effetto serra. La curva di Keeling è il racconto in diretta del Cambiamento Climatico.

La CO2 assorbe con efficacia la radiazione infrarossa. Un’atmosfera ricca di anidride carbonica è più opaca nella regione infrarossa dello spettro elettromagnetico. Ciò ostacola il trasferimento di energia dalla Terra allo spazio esterno. Questo semplice meccanismo è il nocciolo del Cambiamento Climatico di origine antropogenica che stiamo attraversando.

Qualcuno dirà “Il clima è sempre cambiato e sempre cambierà, non c’è nulla di strano“. Questa affermazione è corretta. Il clima è un sistema dinamico in continua evoluzione. Ciò che accade oggi è però fuori scala rispetto alla variabilità climatica naturale. Come facciamo a saperlo? È stata la curva di Keeling a dircelo!

Nel grafico qui sotto (lo prometto, è l’ultimo) la Curva di Keeling è accoppiata ai dati forniti delle carote di ghiaccio. La combinazione ha permesso di ricostruire l’andamento nelle ultime centinaia di migliaia di anni. Ci sono vistose oscillazioni. Periodi con elevate concentrazioni di CO2 corrispondono ai periodi caldi interglaciali (come quello attuale). I momenti con valori più bassi sono invece i glaciali (come quello terminato 20.000 anni fa). Tra i due estremi climatici la CO2 oscilla tra 200 e 300 ppm. Oggi siamo a oltre 420 parti per milione. Ecco svelato l’arcano. Il clima cambia, è suo mestiere farlo, ma non è mai cambiato come accade ora.

L’utilizzo degli idrocarburi ha portato i livelli di CO2 in atmosfera a valori che non venivano raggiunti da milioni di anni. Il celebre riscaldamento globale (che preferisco definire cambiamento climatico, come spiegato qui) è la risposta del clima a tale perturbazione. Se oggi questi fatti sono certezze scientifiche condivise da migliaia di scienziati di tutto il pianeta, lo dobbiamo a David Keeling e alla sua curva. Una salita verso un clima che non conosciamo.

La concentrazione di anidride carbonica in atmosfera nelle ultime centinaia di migliaia di anni. I dati in blu provengono dalle carote di ghiaccio, quelli rossi vengono invece dalla curva di Keleing. Fonte: Skeptical Science.

Fonti e approfondimenti

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