I dati mostrati in figura evidenziano l’esistenza di una correlazione tra l’aumento di anidride carbonica presente nell’atmosfera e le emissioni di CO₂ dovute all’utilizzo di combustibili fossili (circa 36 miliardi di tonnellate nel 2021 che si aggiungono ai circa 3.000 miliardi di tonnellate già presenti nell’atmosfera).

Si stima che, annualmente, circa metà delle emissioni di CO₂ di origine antropica (uso di combustibili fossili e deforestazione) siano compensate da un incremento della quantità di anidride carbonica assorbita dagli ecosistemi terrestri e dagli oceani, mentre l’altra metà vada ad aumentare la concentrazione di CO₂ nell’atmosfera.

Le emissioni di CO2 provocate dall’utilizzo dei combustibili fossili sono responsabili del fenomeno del riscaldamento globale provocato dal cosiddetto “effetto serra“. A seconda di quello che verrà fatto per limitare le emissioni originate dai combustibili fossili, si possono prevedere diversi scenari da oggi fino al 2100:

Per renderci conto della rapidità con cui la concentrazione della CO₂ atmosferica sta aumentando basta vedere come è cambiato il dato durante gli ultimi 800mila anni:

Coloro che negano l’origine antropica del riscaldamento globale pensano che la correlazione tra l’uso dei combustibili fossili e il rapido e inusuale aumento del livello di anidride carbonica nell’atmosfera sia del tutto casuale.

Secondo questi negazionisti il recente aumento della CO₂ atmosferica potrebbe essere stato causato da un qualche fenomeno naturale che avrebbe alterato il ciclo che governa l’interscambio di CO₂ tra i 3 grandi serbatoi terrestri (atmosfera, eco-sistemi terrestri e oceani):

Chi sostiene tali posizioni non spiega quali potrebbero essere le cause naturali che avrebbero determinato il fenomeno, ma ne ipotizza solo l’esistenza. Se si trattasse di una disputa tra scienziati all’interno di un laboratorio potremmo pensare di ripetere l’esperimento fino a che tutti non si saranno convinti della bontà delle spiegazioni fornite per descriverlo. Ma nel caso del riscaldamento globale noi e nostri figli facciamo parte dell’esperimento e se le cose dovessero andare secondo i peggiori scenari ipotizzati dalla grande maggioranza dei climatologi, la stessa esistenza dell’umanità potrebbe essere messa in pericolo. L’esperimento sarebbe uno solo ed avrebbe esiti infausti.

Partendo da considerazioni di questo tipo, molti ricercatori si sono posti la domanda se sia possibile distinguere la CO₂ prodotta dalla combustione dei combustibili fossili rispetto a quella emessa dagli ecosistemi terrestri e dagli oceani. La risposta è – almeno parzialmente – sì.

Il metodo sviluppato per identificare l’anidride carbonica generata dai combustibili di origine fossile si basa sull’analisi della composizione isotopica del carbonio presente nelle molecole della CO₂ atmosferica. La misura senz’altro più delicata è quella che riguarda la concentrazione relativa delle molecole che contengono il raro isotopo ¹⁴C. Il metodo è una estensione del sistema di datazione basato sul carbonio, ben noto per le sue applicazioni in archeologia.

La quantità che viene riportata come risultato della misura viene indicata con l’espressione Δ¹⁴C ed indica lo spostamento relativo (espresso in parti per mille) del rapporto ¹⁴C / ¹²C atmosferico attuale rispetto al rapporto r₀ = 1,35 x 10^-12 che – convenzionalmente – rappresenta il valore di ¹⁴C / ¹²C che si sarebbe potuto ottenere analizzando la CO₂ atmosferica in epoca pre-industriale:

Δ¹⁴C = 1000 * [(¹⁴C / ¹²C ) / r₀ – 1]

Si noti che quando l’isotopo ¹⁴C è completamente assente, otteniamo Δ¹⁴C = -1000 ‰, mentre nel caso in cui il rapporto isotopico ¹⁴C / ¹²C diventi doppio rispetto a quello che si aveva in epoca pre-industriale avremmo Δ¹⁴C = 1000 ‰.

A proposito di r₀ ho usato l’espressione “convenzionalmente” perché – ovviamente – non abbiamo misure dirette fatte più di 200 anni fa. Il valore assegnato ad r₀ è stato dedotto dall’analisi di materiali botanici risalenti alla metà del ‘700. Va quindi inteso come un riferimento utile per normalizzare i dati, ma è solo indicativo del valore del rapporto isotopico esistente nell’atmosfera prima che l’umanità iniziasse a fare un uso intensivo dei combustibili fossili (anche perché tale rapporto isotopico fluttua nel tempo a causa di diversi fenomeni fisici che discuterò qui di seguito).

Ci sono molti eventi che possono produrre una variazione di Δ¹⁴C. In particolare:

1. Per un breve periodo nel corso degli anni ’50 del secolo scorso la concentrazione atmosferica dell’isotopo ¹⁴C è quasi raddoppiata a causa della sperimentazione di nuovi ordigni nucleari en plein air. Questo ha portato il valore del Δ¹⁴C atmosferico a sfiorare quota 1000 ‰.
2. Poiché l’isotopo ¹⁴C è formato dai raggi cosmici, il livello di Δ¹⁴C dipende dall’attività solare e dall’andamento del campo magnetico terrestre. Questi fenomeni possono dare luogo a variazioni significative di Δ¹⁴C, ma non abbiamo evidenza che processi di questo tipo abbiano prodotto effetti particolarmente rilevanti nel corso degli ultimi decenni.
3. La CO₂ emessa dagli oceani ha un Δ¹⁴C più basso rispetto a quello dell’atmosfera perché in parte contiene anidride carbonica che gli oceani avevano assorbito molte centinaia o migliaia di anni prima e quindi ha subito un certo decadimento radioattivo. Il valore del Δ¹⁴C atmosferico potrebbe scendere se si attivasse un meccanismo che provochi, da parte degli oceani, un enorme aumento dell’interscambio di CO₂ con l’atmosfera (aumentando il tasso di scambio tra la CO₂ atmosferica ad alto Δ¹⁴C con quella di origine marina caratterizzata da un Δ¹⁴C più basso). Come vedremo più avanti, questa ipotesi può essere scartata se si va a vedere come è cambiato nel tempo un altro rapporto isotopico della CO₂ atmosferica, quello tra i 2 isotopi stabili del carbonio ¹³C / ¹²C.
4. Le emissioni di origine vulcanica (largamente inferiori rispetto ad 1 miliardo di tonnellate di CO₂ all’anno e quindi troppo basse per poter spiegare l’aumento della CO₂ atmosferica) contengono carbonio privo dell’isotopo ¹⁴C. Tuttavia nel corso degli ultimi decenni non è stata osservata una variazione delle emissioni di origine vulcanica tale da poter provocare una significativa variazione del Δ¹⁴C atmosferico.

Dopo l’approvazione del trattato che vietava i test nucleari nell’atmosfera (1963), l’eccesso di ¹⁴CO₂ presente nell’atmosfera a causa delle esplosioni nucleari ha incominciato a diminuire grazie alla dispersione dell’anidride carbonica atmosferica negli oceani e nella biosfera terrestre. Tuttavia, nel corso degli ultimi 4 decenni, il declino del Δ¹⁴C atmosferico è stato più rapido di quanto si potesse aspettare a causa del solo effetto di diluizione.

La misura dell’andamento di Δ¹⁴C è uno strumento prezioso per monitorare l’andamento delle emissioni provocate dall’uso di combustibili fossili. Infatti, maggiore è la presenza nell’atmosfera di CO₂ prodotta da sorgenti fossili, più basso sarà il valore di Δ¹⁴C perché – lo ricordo – il carbonio delle sorgenti fossili è completamente privo dell’isotopo 14 (la CO₂ di origine fossile ha un Δ¹⁴C = -1000 ‰).

Si calcola che il valore di Δ¹⁴C della CO₂ atmosferica scenda di un importo pari a circa il 3 ‰ per ogni ppm di anidride carbonica di origine fossile che viene dispersa nell’atmosfera.

Le figure seguenti riportano alcuni esempi dell’andamento del Δ¹⁴C atmosferico in diversi periodi storici e includono una proiezione sul possibile andamento da oggi fino alla fine del secolo:

Per completare il quadro, andiamo a vedere come è cambiato nel tempo il rapporto isotopico della CO₂ atmosferica se consideriamo i 2 isotopi stabili ¹³C e ¹²C. Analogamente a quanto fatto per il ¹⁴C, si può definire un indicatore (δ¹³C) corrispondente alla variazione espressa in ‰ del rapporto ¹³C / ¹²C della CO₂ atmosferica rispetto al valore che si ottiene analizzando un materiale standard assunto come riferimento (a differenza di quanto si fa per il Δ¹⁴C il riferimento non ha a nulla che fare con il rapporto isotopico esistente prima della rivoluzione industriale ed infatti a metà del ‘700 δ¹³C era uguale a circa -6,5 ‰).

Il processo di sintesi clorofilliana delle piante è più efficiente quando avviene con ¹²CO₂ piuttosto che con ¹³CO₂ a causa di una mera questione legata alla massa dei reagenti. Per questo motivo i materiali di origine vegetale hanno un valore di δ¹³C inferiore rispetto a quello della anidride carbonica atmosferica. Questo valore inferiore rimane inalterato anche dopo la morte delle piante perché i 2 isotopi ¹³C e ¹²C sono ambedue stabili. Questo fenomeno è noto come “¹³C Suess effect“.

Attualmente la CO₂ atmosferica ha un valore di δ¹³C pari a circa -8,5 ‰ abbastanza simile rispetto alla anidride carbonica emessa dagli oceani (δ¹³C pari a circa -10 ‰). Le emissioni che provengono dall’ecosistema terrestre hanno un valore di δ¹³C pari a circa -26 ‰, nettamente più basso rispetto a quello della CO₂ atmosferica a causa dell’arricchimento di ¹²C provocato dal processo di fotosintesi. Un valore simile (-28 ‰) si ritrova nei combustibili fossili che sono comunque costituiti da materiale di origine vegetale.

Se andiamo a vedere come è variato il valore medio di δ¹³C della CO₂ atmosferica nel corso degli ultimi secoli, si nota una evidente discesa in corrispondenza con l’aumento dell’utilizzo dei combustibili fossili:

Adesso abbiamo tutti gli elementi necessari per comporre il puzzle:

1. L’aumento della concentrazione della CO₂ atmosferica è compatibile con la quantità di anidride carbonica emessa a causa della combustione di materiali fossili.
2. La discesa del valore del δ¹³C ci dice che l’aumento della CO₂ atmosferica è stato provocato da CO₂ proveniente da materiali di origine vegetale. Si può escludere che ci sia un rilevante contributo della CO₂ rilasciata negli oceani perché il suo δ¹³C è poco più basso rispetto a quello della CO₂ atmosferica.
3. La discesa del Δ¹⁴C ci dice che i materiali che hanno generato l’aumento della CO₂ atmosferica sono di origine fossile.

In conclusione, l’aumento di CO₂ atmosferica (con relativo impatto sulla temperatura a causa dell’effetto serra) si può spiegare assumendo che sia stato causato da materiali fossili di origine vegetale: carbone, petrolio e gas naturale!

Concludo, ricordando che la misura del Δ¹⁴C atmosferico può servire anche come strumento di verifica del rispetto degli accordi internazionali in tema climatico.

Uno dei punti più controversi del recente accordo di Parigi riguarda infatti l’effettivo rispetto degli impegni di riduzione delle emissioni da parte di alcuni Paesi. Poiché i calcoli delle emissioni sono elaborati sulla base dei consumi di combustibili fossili dichiarati da ciascun Paese, potrebbe succedere che qualcuno continui a bruciarne grandi quantità pur dichiarando il contrario. Una mappatura del valore del Δ¹⁴C atmosferico può aiutarci a stabilire quale sia il livello reale delle emissioni originate dai combustibili fossili.