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Se le piante e l’oceano assorbono CO₂, perché si accumula nell’aria? Prima della Rivoluzione industriale, ciò che la natura toglieva all’aria veniva restituito nella stessa misura. Le emissioni umane sono un flusso in più, senza contropartita. Piante e oceano reagiscono all’eccesso e cominciano ad assorbire di più, ma solo una parte. Nel simulatore, dei circa 750 GtC emessi dal 1850 al 2025, circa il 42% è rimasto nell’aria, il 26% è andato nell’oceano e il resto, circa un terzo, nelle piante e nei suoli (quasi quanto la deforestazione aveva tolto loro). Guardalo nel grafico Destinazione.
Se l’oceano è così grande, perché non assorbe tutta la CO₂ in più? Per tre motivi. Solo lo strato superiore (circa 100 m) scambia CO₂ con l’aria, e l’acqua impiega decenni per raggiungere lo strato intermedio e circa mille anni per arrivare sul fondo. Poi, la CO₂ che si scioglie reagisce con l’acqua e con il carbonato disciolto in essa; più carbonio l’oceano ha già assorbito, meno carbonato rimane per questa reazione, e ogni GtC in più diventa più difficile da assorbire (fattore di Revelle, da 9,5 a circa 11 oggi; è la stessa chimica dell’acidificazione degli oceani). Infine, l’acqua più calda scioglie meno gas. Nello scenario Emissioni costanti, l’oceano assorbe più carbonio all’anno nel 2100 che oggi (4,2 contro 3,5 GtC/anno), ma, per ogni ppm di CO₂ in più nell’aria, ne assorbe solo la metà di quanto ne assorbe oggi.
Che cosa mostra il grafico ΔT × GtC? Il riscaldamento cresce quasi in proporzione diretta al totale di carbonio già emesso, e non al ritmo delle emissioni. Nel simulatore, sono circa 1,6 °C ogni 1000 GtC (l’IPCC stima 1,65 °C, con un intervallo probabile da 1,0 a 2,3 °C). Da qui nasce l’idea di budget di carbonio: per restare al di sotto di un certo riscaldamento, si può emettere solo una quantità totale limitata, e il riscaldamento smette di salire solo quando le emissioni arrivano vicino allo zero.
Che cosa succede quando le emissioni si azzerano? Nello scenario Zero in 25 anni, il riscaldamento arriva a circa 1,4 °C verso il 2050 e poi cala lentamente (1,3 °C nel 2100). Due effetti quasi si annullano: la CO₂ dell’aria diminuisce, perché piante e oceano continuano ad assorbirla, ma l’oceano profondo, ancora più freddo della superficie, assorbe sempre meno calore. La CO₂ non torna a 280 ppm: nello scenario Impulso, circa il 43% del carbonio liberato è ancora nell’aria dopo 100 anni, e il 21% dopo 1000 anni.
Perché il simulatore considera solo la CO₂? La CO₂ è il gas che contribuisce di più al riscaldamento e quello che resta più a lungo nell’aria, ed è l’unico che circola tra i serbatoi mostrati qui. Altri gas, come il metano e il protossido di azoto, riscaldano anch’essi il pianeta, e gli aerosol dell’inquinamento lo raffreddano. Per questo, il ΔT del simulatore è il riscaldamento causato dalla CO₂, e non va confrontato direttamente con il riscaldamento totale osservato. Le linee di 1,5 °C e 2 °C nei grafici Temperatura e ΔT × GtC indicano gli obiettivi dell’Accordo di Parigi, che valgono per il riscaldamento totale (con tutti questi effetti): servono da riferimento, non da confronto esatto.
Modello a scatole con cinque serbatoi di carbonio (riserve in GtC; 1 ppm di CO₂ ≈ 2,124 GtC) e due strati di temperatura, integrato con Runge-Kutta del 4° ordine (passo di 0,25 anni).
Carbonio. Atmosfera $C_A$, vegetazione $C_V$, suoli $C_S$, oceano superficiale $C_M$ (fino a 100 m) e oceano profondo, diviso in strato intermedio $C_I$ (da 100 a 1000 m) e fondo $C_P$ (il simulatore mostra la somma $C_I + C_P$):
$$\begin{aligned} \dot C_A &= R_V + R_S + F_{\text{out}} - P\\ &\quad - F_{\text{in}} + E_{\text{fos}} + E_{\text{def}}\\ \dot C_V &= P - R_V - L - E_{\text{def}}\\ \dot C_S &= L - R_S\\ \dot C_M &= F_{\text{in}} - F_{\text{out}} + F_{\text{up}} - F_{\text{down}}\\ \dot C_I &= F_{\text{down}} - F_{\text{up}} + G_{\text{up}} - G_{\text{down}}\\ \dot C_P &= G_{\text{down}} - G_{\text{up}} \end{aligned}$$Sommando le sei equazioni resta solo $E_{\text{fos}}$: il carbonio totale aumenta solo con la combustione dei combustibili fossili; la deforestazione ($E_{\text{def}}$) trasferisce carbonio dalla vegetazione all’atmosfera.
Flussi terrestri. Fotosintesi $P$, respirazione delle piante $R_V$, caduta di foglie e rami $L$ e respirazione del suolo $R_S$:
$$\begin{aligned} P &= P_0\,[1 + \beta \ln(C_A/C_{A0})]\\ R_V &= P/2\\ L &= \tfrac{P_0}{2}\,C_V/C_{V0}\\ R_S &= \tfrac{P_0}{2}\,(C_S/C_{S0})\,Q_{10}^{\,T/10} \end{aligned}$$con $P_0 = 120$ GtC/anno; il fattore $Q_{10}^{\,T/10}$ entra solo con la retroazione del suolo attiva.
Flussi oceanici. Scambio con l’aria ($F_{\text{in}}$, $F_{\text{out}}$), rimescolamento della superficie con lo strato intermedio ($F_{\text{down}}$, $F_{\text{up}}$) e dello strato intermedio con il fondo ($G_{\text{down}}$, $G_{\text{up}}$):
$$\begin{aligned} F_{\text{in}} &= k\,p_{\text{atm}}\\ F_{\text{out}} &= k\,p_{\text{oc}}\\ p_{\text{oc}} &= p_q(D)\,e^{0{,}0423\,T}\\ F_{\text{down}} &= \frac{C_{I0}}{\tau_{\text{mix}}}\,\frac{C_M}{C_{M0}}\\ F_{\text{up}} &= \frac{C_I}{\tau_{\text{mix}}}\\ G_{\text{down}} &= \frac{C_{P0}}{\tau_{\text{deep}}}\,\frac{C_I}{C_{I0}}\\ G_{\text{up}} &= \frac{C_P}{\tau_{\text{deep}}} \end{aligned}$$con $k = 80/280$ GtC/anno per ppm, $p_{\text{atm}} = C_A/2{,}124$ e $p_{\text{oc}}$ in ppm, e $\tau_{\text{deep}} = 1000$ anni (età dell’acqua profonda secondo il carbonio-14). Il fattore $e^{0{,}0423\,T}$ (4,2% per °C) entra solo con la retroazione dell’oceano attiva.
Chimica dei carbonati. La CO₂ disciolta reagisce con l’acqua ($\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^- \rightleftharpoons 2\text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$), e solo la piccola frazione che resta come CO₂ torna nell’aria. Il carbonio inorganico disciolto della superficie è $D = D_0\,C_M/C_{M0}$ ($D_0 \approx 1986$ µmol/kg). Con l’alcalinità fissa ($A_T = 2300$ µmol/kg), si ricava $[\text{H}^+]$ da
$$\begin{aligned} A_T &= D\,\frac{K_1[\text{H}^+] + 2K_1K_2}{[\text{H}^+]^2 + K_1[\text{H}^+] + K_1K_2}\\ &\quad + \frac{B_T K_B}{K_B + [\text{H}^+]} + \frac{K_w}{[\text{H}^+]} - [\text{H}^+] \end{aligned}$$e quindi $p_q = D\,[\text{H}^+]^2 / \{K_0\,([\text{H}^+]^2 + K_1[\text{H}^+] + K_1K_2)\}$, con le costanti di equilibrio dell’acqua di mare a 18 °C e salinità 35. Il fattore di Revelle, $\xi = (\Delta p_q/p_q)/(\Delta D/D)$, viene dal calcolo: ≈ 9,5 nell’era preindustriale, e cresce man mano che l’oceano assorbe carbonio (≈ 11 oggi); ogni GtC in più diventa più difficile da assorbire. Con il fattore di Revelle disattivato, $p_q = 280\,C_M/C_{M0}$ (la CO₂ si scioglierebbe come un gas qualsiasi, $\xi = 1$).
Emissioni. $E_{\text{fos}}$ e $E_{\text{def}}$ seguono i dati storici fino all’ultimo anno con dati; dopo, i valori del pannello «Emissioni umane», ridotti negli scenari di taglio. Nello scenario «Impulso», tutto il carbonio entra nel primo anno.
Clima. Bilancio energetico a due strati: superficie (atmosfera + strato di rimescolamento dell’oceano, anomalia $T$) e oceano profondo ($T_p$):
$$\begin{aligned} C_s\,\dot T &= \Delta F - \lambda T - \gamma\,(T - T_p)\\ C_p\,\dot T_p &= \gamma\,(T - T_p) \end{aligned}$$con forzante $\Delta F = 5{,}35\,\ln(C_A/C_{A0})$ W/m², $\lambda = F_{2\times}/S$ ($F_{2\times} = 5{,}35 \ln 2 \approx 3{,}7$ W/m² e $S$ la sensibilità climatica), $C_s = 0{,}094\,h$ ($h$ in metri), $C_p = 106$ W·anno/(m²·°C) e $\gamma = 0{,}73$ W/(m²·°C).
Equilibrio preindustriale. $C_{A0} = 594{,}7$ (280 ppm), $C_{V0} = 450$, $C_{S0} = 1700$, $C_{M0} = 900$, $C_{I0} = 9000$ e $C_{P0} = 28\,000$ GtC, con $T = T_p = 0$: tutte le derivate si annullano (per esempio, l’atmosfera riceve 60 + 60 + 80 e perde 120 + 80 GtC/anno).
Il carbonio di origine fossile è seguito come un tracciante in tutti i serbatoi (ogni flusso porta con sé la frazione fossile del serbatoio da cui esce). Le riserve fossili partono da 5000 GtC, l’ordine di grandezza delle risorse stimate. Il modello è didattico: considera solo la CO₂ (senza altri gas serra e senza aerosol). Le emissioni storiche annuali (combustibili fossili e cemento, al netto della carbonatazione; cambiamento nell’uso del suolo) sono quelle del Global Carbon Budget 2025, dal 1850 al 2024, più la proiezione per il 2025.
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