Clima e Ambiente: Una riflessione per il futuro

Oggi…

Oggi, appunto: il 15 Marzo 2019.

Durante questa giornata, seguendo l’esempio di Greta, migliaia di studenti scenderanno nelle piazze di tutto il mondo, e diranno, a sé stessi ed a noi, una cosa importante: l’ambiente, il clima, ci sono, e sono “anche noi”. Dobbiamo prendercene cura.

Se vogliamo continuare ad esistere, come specie.

Strano, no? Siamo la specie predatrice al vertice della catena alimentare. Siamo diffusi dall’Artide all’Antartide, con qualche puntata sulla Luna e, in un futuro prossimo, sui Pianeti vicini.

Non si direbbe che Homo sapiens sia una specie minacciata di estinzione.

Eppure…

Logica, ed esperienza, dovrebbero indurci a qualche cautela.

Proprio in questo periodo, stiamo assistendo standone dentro ad una delle più rapide estinzioni di massa di tutta la storia della vita. C’è poco dubbio che uno degli autori principali di ciò siamo proprio noi, gli umani.

Ma c’è anche poco dubbio, a giudicare da quello che è accaduto nelle estinzioni di massa del passato, che nessuno può prevedere se tra duecento, o trecento anni, la nostra specie sarà una di quelle da aggiungere alla lista dei “fu”.

Accettiamolo. Siamo vulnerabili. Non diversamente da ogni pianta, o animale, che calchi od abbia calcato queste plaghe, possiamo sopravvivere in un ristrettissimo intervallo di condizioni ambientali.

Le stesse, dicono alcun*, che in Natura si trovano (o, chissà, si trovavano) sull’Altopiano di Afar, culla della nostra specie. Le stesse, che cerchiamo di conservare intorno a noi tramite vestiti, condizionatori, riscaldamento.

Non potremmo, banalmente, vivere in un ambiente troppo diverso dal nostro.

Ed in più, abbiamo altre ragioni molto specifiche di preoccupazione. Intanto, siamo mammiferi placentati. Il che vuol dire che per vivere abbiamo bisogno di una enorme quantità di energia (ancora più grande, nei giorni di picco del ciclo mensile). Energia, uguale prede naturali.

E qui veniamo ad un secondo punto interessante: siamo in molti, ed in rapido aumento. La produzione delle ingenti quantità di cibo che servono per sfamare la specie dipende in larghissima misura da tecnologie sofisticate, ed ha un impatto enorme sul resto della biosfera.

Più le nostre attività degradano l’ambiente, e più noi, i predatori di vertice, ne concentriamo i veleni. Abbiamo tutti sentito parlare delle tossine presenti negli orsi polari, o nei pesci. Provate per un attimo ad immaginare cosa accadrebbe, se queste misure le compissimo su di noi. Ed in realtà, le hanno ben compiute, lasciando poco spazio al dubbio.

Avanti così, quindi, inseguendo illusioni di profitto, pensando all’oggi, non facendo nulla di concreto, e non prepareremo per i nostri discendenti un semplice mondo infernale: li condanneremo alla non-esistenza.

E la vita, a quel punto, uscirà con fatica dalla crisi attuale, assestandosi verso qualche nuovo equilibrio.

Allora cosa? Come?

Inutile lo dica io, o qualcun altro.

Sono cose già piuttosto conosciute.

Basta prendersi, come al solito, il tempo per leggere, e concedersi la fatica di comprendere.

I riferimenti sono facili da accedere – per chi conosce l’Inglese (interessante: una causa di possibile estinzione accelerata potrebbe essere l’insipienza culturale della “classe dirigente” che, magari, l’Inglese non lo sa).

Se desiderate farvi, o far fare, un’idea, potete cominciare da qui:

https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/sites/2/2018/07/SR15_SPM_version_stand_alone_LR.pdf

Questo è il capitolo introduttivo del rapporto IPCC che descrive le conseguenze e le possibilità di mitigazione e …, legate all’aumento della temperatura di 1.5 °C previsto con altissima confidenza tra il 2030 ed il 2052.

E’ una facile lettura, destinata in special modo agli autori di politiche (a questo, e non all’intrattenimento televisivo, servirebbero i politici, dopotutto).

La tecnologia ci salverà?

Lo dicono in tanti.

Quanto a me, mi permettete qualche dubbio?

La tecnologia ci salverà, certo. Nel breve periodo. Ed a costi mostruosi, che non tutti al mondo (ed in Italia) si potranno permettere.

Nel medio periodo? Ancora più avanti?

Permettetemi di assumere, per un attimo, la sgradevole veste della mentalità militare. Un nemico altamente tecnologico è molto più facile da colpire d’uno “arretrato”.

Perché?

Perché dalla tecnologia dipende.

E la tecnologia è facile da obliterare, con sforzi limitatissimi.

Usando le tecnologie (appunto) della guerra moderna, e andando a mettere fuori uso centrali elettriche, ospedali, catene di rifornimenti di cibo…

Il mondo futuro, qualcuno dirà, magari sarà più civile, e relegherà le guerre al passato. Ma, anche qui, permettetemi di dubitare. Vediamo già adesso scoppiare conflitti su scala “limitata” per l’accesso a risorse naturali chiave – l’acqua, il cibo. Figuriamoci in futuro, con la pressione dovuta alla polazione umana ancora più ingente di adesso, ed il deterioramento indotto dai cambiamenti climatici. Immagino che quelle che oggi sono guerre locali a medio-bassa intensità, un giorno non lontano potrebbero mutarsi in conflitti regionali su vasta scala.

Immagino, anche, che lo scopo di queste guerre cambierà. Non si cercherà tanto di assoggettare e se possibile assimilare una qualche popolazione, ma, semmai, di annientarla completamente. Si tornerà, magari, alla funesta teoria dello “Spazio Vitale”.

E la cosa sarà tanto più facile da attuarsi, quanto più deboli e separate saranno le comunità. I leader dei movimenti “sovranisti” se lo ricordino, e magari, già che ci sono, invece di limitarsi al loro attuale ruolo di tribuni della plebe, studino la storia e la strategia militare. Si assumano, una volta nella vita, una responsabilità. Prendano a cuore qualcosa di diverso, da sé stessi.

Se si vuole trovare un bel tema di Sicurezza Nazionale, è questo. L’ambiente. Il clima. Le conseguenze del loro degradarsi. Nei prossimi cinque, dieci, trenta, cinquant’anni – un tempo ancora breve, alla fine del quale la maggior parte degli studenti oggi in piazza, speriamo, ci sarà ancora.

Né di destra, né di sinistra

No, non è uno slogan.

Purtroppo.

I meccanismi del pianeta, le leggi fisiche e degli ecosistemi, sono oggettive. Violarle non comporta alcun reato penale: molto più banalmente, il suicidio. Con la speranza, almeno, di non aver passato i propri geni difettosi, e le idee bacate, alla generazione futura.

Le leggi fisiche, poi, hanno la spiacevole caratteristica di non lasciarsi connotare in alcuna direzione. L’aria va dalle zone ad alta pressione a quelle a bassa, che l’osservatore sia di destra o di sinistra, o che esista. La Natura è meraviglia, vibrazione, fonte d’infinito stupore. Ma, anche, è completamente indifferente ai destini di una specie, o dell’altra, o persino della vita stessa.

C’è, in tutto questo, almeno un elemento di speranza: il cruccio, se non è di destra né di sinistra, potremmo assumerlo tutti noi.

 

I modelli di dispersione e gli odori.

Prima parte: i modelli stazionari

Cosa sono i “modelli stazionari“?

Spesso accade di voler stimare la concentrazione di una sostanza odorifera in tutti i punti del suolo, cosa impossibile per via di misura dato il carattere locale delle misure stesse.

In casi come questo dobbiamo fare uso di un modello matematico. Tra i modelli matematici capaci di descrivere la concentrazione di un inquinante, o di una sostanza odorifera, i più utilizzati sono i modelli di dispersione.

E tra i modelli di dispersione, un tipo ancora oggi utilizzato è quello più semplice, rappresentato dai modelli stazionari, tra i quali AERMOD è un esempio famoso.

Ma: cos’è un modello “stazionario”, e quali sono le ipotesi che gli soggiacciono?

Per comprenderlo dobbiamo fare un salto indietro nel tempo, agli anni ’60 e ’70 del secolo scorso, quando i calcolatori elettronici erano ancora rarissimi, ed i calcoli erano compiuti usando le tavole numeriche, il regolo, e per i più fortunati una calcolatrice elettromeccanica.

Se volete farvi un’idea della tecnologia allora disponibile, e non lo avete già fatto, potete guardare lo splendido film Il diritto di contare. Guardandolo con attenzione, non vi sfuggirà che la versione originale del calcolo delle orbite nei primi voli del programma Mercury era compiuta usando metodi “analitici”, poi soppiantati dai metodi “numerici”, imposti dalle circostanze quando l’uso di lanciatori più potenti, ed i primi voli ad orbita multipla, richiesero di considerare effetti più complessi.

Ecco: il desiderio di una soluzione analitica. Di una formula che si possa, volendo, tabulare una volta per tutte. Tradurre in una collezione di nomogrammi, o di regoli calcolatori.

Ed in effetti, i primissimi modelli di dispersione non erano, come oggi, programmi per calcolatore, ma manuali comprendenti tavole numeriche, regoli, diagrammi. Nel mio ufficio, a Servizi Territorio srl, ne ho ancora uno, di provenienza ESSO, del 1972.

Ma: soluzione analitica di cosa? Delle equazioni di trasporto e diffusione in atmosfera dei traccianti gassosi non reattivi.

Queste equazioni, che potete trovare su ogni libro di testo che si occupi di dispersione di inquinanti in aria, e su Wikipedia, sono costituite dall’accoppiamento delle equazioni di Navier-Stokes, che descrivono l’andamento temporale e spaziale del campo di vento, e dalle equazioni di trasporto e diffusione vere e proprie. Prese come sono, queste equazioni differenziali alle derivate parziali non ammettono una soluzione esprimibile in forma chiusa. Perché si possa ottenere quest’ultima, occorre apportare alle equazioni originali delle semplificazioni piuttosto drastiche, fondate su alcune ipotesi. Tra queste:

  • L’emissione è costante nel tempo (per l’eternità).
  • Il vento è costante nel tempo (per l’eternità) e uniforme nello spazio.
  • La distribuzione delle concentrazioni nei punti dello spazio ha una forma Gaussiana.
  • La rapidità con cui avviene la diffusione degli inquinanti per effetto della turbolenza è piccola rispetto alla velocità del vento.

Se si ammettono vere queste ipotesi, e si trasformano le equazioni di trasporto e diffusione in modo da tenerne conto, si arriva ad una soluzione analitica, indipendente dal tempo (“stazionaria”), e dalla forma abbastanza semplice da poterla riportare in tavole numeriche abbastanza agili da poterle trasportare a mano.

Che cosa “esce” da un modello stazionario?

Prendiamo, ad esempio, AERMOD, un modello stazionario molto famoso.

Dal suo manuale possiamo vedere che nel modello “entrano” come dati di ingresso una o più “emissioni”, ciascuna caratterizzata da una posizione, da una geometria e da un rateo emissivo, e “la meteorologia”, nella forma di un file contenente i valori medi orari del vento e di altre grandezze che controllano i processi di trasporto e diffusione.

Se finiamo al modello questi dati di ingresso, e lo attiviamo, vediamo che questo produce in uscita una successione di campi di concentrazione, uno per ciascuna ora presente nel file dei dati meteorologici.

Qual’è il vero significato dei campi di concentrazione prodotti dal modello stazionario?

Ottenuti dal modello i nostri campi di concentrazione, viene fortissima la tentazione di credere che ciascuno di essi contenga la “media oraria” delle concentrazioni.

Ebbene, le cose non stanno così.

Le ipotesi che abbiamo vedute, e che soggiacciono alla soluzione analitica, rivelano come stanno in realtà le cose.

Intanto, sappiamo che emissione e vento sono “costanti per l’eternità” (e nello spazio, nel caso del campo di vento). Ogni campo “orario”, quindi, è quello che otterremmo rilasciando per un tempo infinito la medesima emissione nello stesso vento: emissione, e vento, “di quell’ora lì”.

Non stiamo parlando, quindi, di una concentrazione media, ma del risultato di un passaggio al limite, per il tempo che tende ad infinito.

Ed infatti, controprova. Se prendiamo le equazioni della concentrazione stazionaria, così come possiamo vederle per esempio su Wikipedia, e ne calcoliamo l’integrale di volume, troviamo un risultato infinito. Se la concentrazione fosse stata la media oraria di concentrazioni istantanee prodotte da emissioni finite, invece, avremmo dovuto trovare un valore finito, e uguale alla massa rilasciata complessivamente dalle sorgenti emissive.

Che l’integrale di volume delle concentrazioni stazionarie sia infinito non sorprende, se riflettiamo un attimo: l’emissione è avvenuta, a rateo finito, per un tempo infinito. Quindi la massa rilasciata è in effetti infinita.

Se osserviamo l’equazione della concentrazione stazionaria, poi, vediamo che contiene la velocità del vento a denominatore. Se operiamo un passaggio al limite con il tempo che tende a zero, vediamo che i valori locali della concentrazione stazionaria tendono ad infinito. Questo fenomeno è descritto dagli esperti dicendo che “la concentrazione diverge con il diminuire della velocità del vento”.

Ora, in effetti, nei modelli come AERMOD e ISC vediamo che esiste una velocità limite, che viene confrontata ora per ora con la velocità letta dal file dei dati meteorologici. Se quest’ultima risulta inferiore alla velocità limite, allora viene sostituita con la velocità limite.

Se guardiamo bene, vediamo che il valore di questa velocità limite non è prossimo a zero, ma altissimo, uguale nel caso di ISC ad 1 m/s. Una leggenda metropolitana molto diffusa afferma che la presenza della velocità limite è legata al fenomeno della divergenza della concentrazione di cui ho appena scritto.

La realtà, però, è differente. L’ultima ipotesi afferma che perché esista una soluzione analitica, la velocità del vento deve essere maggiore della velocità di retro-diffusione. Che, in condizioni normali, è di regola piuttosto elevata, e che può raggiungere (e qualche volta superare, in condizioni di convezione particolarmente intensa) 1 m/s. Guarda un po’ il caso…

Il fenomeno della divergenza, quindi, è una specie di artefatto matematico: è vero, se la velocità del vento tende a zero l’equazione della concentrazione stazionaria tende ad infinito. Ma molto prima di arrivarci, a zero, l’equazione… smette di esistere!

E gli odori?

Proviamo a tirare le somme.

Abbiamo visto che un modello stazionario, per sua natura costruttiva, produce concentrazioni al suolo che non sono medie orarie, ma situazioni-limite riferite ad un tempo infinito.

La percezione degli odori, invece, avviene alla scala temporale di un singolo ciclo di inspirazione-espirazione: circa 12 secondi, od anche meno.

Non c’è che dire: confrontando queste due scale temporali vediamo che l’uso di un modello stazionario nel caso degli odori ci porta completamente fuori strada.

Eppure, i modelli stazionari sono stati usati piuttosto spesso, nel caso della dispersione di sostanze odorifere. La ragione di ciò è da rintracciare nella forza dell’abitudine (i modelli stazionari erano molto usati per stimare la qualità dell’aria sino a poco fa – diciamo una decina d’anni), e della loro semplicità, che permette di compiere i calcoli con elaboratori piccoli e relativamente economici.

Resta però il fatto che i campi “orari” prodotti dai modelli stazionari non hanno alcun rapporto identificabile con i picchi quasi istantanei che interessano nel caso degli odori.

E così, dopo un lento declino, siamo arrivati ai nostri giorni nei quali si assiste alla tendenza ad una rapidissima estinzione.

Decisamente, nel caso degli odori i modelli stazionari non sono il futuro…