Le attività dell’essere umano stanno cambiando l’ambiente del nostro pianeta in modo profondo e in alcuni casi irreversibile. Questi cambiamenti sono dovuti non solo all’immissione di materiale inquinante nell’ambiente, ma anche ai cambiamenti nell’uso del territorio e alla conseguente perdita di habitat e riduzione della biodiversità. L’intervento umano sull’ambiente sta avvenendo a una velocità e a una scala spaziale così ampie da causare profondi cambiamenti dei processi dai quali dipendono il clima della Terra e la stessa vita sul pianeta.
Il Sistema Terra
La Terra può essere schematicamente rappresentata come un insieme di comparti fra i quali vi è un costante scambio di materia (Fig. 1). L’atmosfera è l’involucro gassoso che circonda il pianeta, mentre l’idrosfera comprende gli oceani e tutti i corpi idrici. La litosfera definisce l’insieme delle rocce sulla Terra, mentre il suolo e i sedimenti sono la parte più superficiale della litosfera in contatto, rispettivamente, con l’atmosfera e le acque. Ma la più importante caratteristica della Terra è certamente il fatto di essere l’unico pianeta (almeno fra quelli conosciuti) che supporti una biosfera, un insieme, cioè, di materia vivente che sussiste in tutti i comparti: l’atmosfera, le acque, il suolo.La biosfera costituisce un importante punto di raccordo fra i vari comparti che compongono il Sistema Terra. Questo è evidente se si confrontano le differenze fondamentali fra il nostro pianeta, che possiede un’ampia varietà di specie viventi, e gli altri pianeti dove non esiste vita. Questi ultimi si trovano per lo più in un perpetuo stato di equilibrio termodinamico, mentre la Terra si trova in uno stato di non equilibrio, principalmente a opera dalla biosfera. Solo per fare un esempio, in assenza della continua produzione di ossigeno dovuta alla fotosintesi, i processi di ossidazione nel suolo, nelle rocce e nei sedimenti consumerebbero lentamente l’ossigeno presente portando l’atmosfera verso uno stato di equilibrio. Il funzionamento del Sistema Terra è quindi intimamente legato alla vita e alla sua evoluzione.
Un esempio del ruolo importante della biosfera nel funzionamento del Sistema Terra è dato, appunto, dall’origine dell’ossigeno nell’atmosfera terrestre primordiale e la figura 2 mostra come l’evoluzione della concentrazione di questo gas sia intimamente legata all’evoluzione della vita. L’ossigeno nell’atmosfera primordiale iniziò a prodursi dalla fotodissociazione dell’acqua degli oceani dovuta all’intensa radiazione solare. Per milioni di anni però la sua concentrazione rimase molto bassa, dato che l’ossigeno prodotto veniva contemporaneamente consumato dai composti del ferro disciolti nelle acque. Solamente quando la velocità di produzione superò la velocità di consumo, l’ossigeno iniziò ad accumularsi nell’atmosfera. Questo fatto portò a una rivoluzione biologica in quanto stimolò le prime forme di vita allora esistenti, principalmente organismi semplici come i batteri, a utilizzare l’ossigeno prodotto e a sviluppare abilità fotosintetiche con conseguente aumento ulteriore della produzione di ossigeno.
All’incirca 350 milioni di anni fa venne quindi raggiunto il livello di ossigeno attualmente presente in atmosfera. Contemporaneamente all’aumento della concentrazione di ossigeno si sviluppò, come mostra la figura, anche lo strato di ozono (O3) stratosferico che iniziò a schermare la superficie terrestre dalla radiazione ultravioletta, letale per gli organismi viventi. La costituzione di questo schermo protettivo permise così lo sviluppo della vita anche sulla terraferma, fuori dalle acque dove si era inizialmente sviluppata. La Terra è un sistema chiuso dal punto di vista della materia. Infatti, con alcune trascurabili eccezioni, tutti gli atomi che sono presenti nelle fasi gassosa, liquida e solida del sistema, inclusi quelli che costituiscono il nostro corpo e quello di tutte le specie viventi, sono parte del sistema da quando la Terra si è formata, all’incirca 4,5 miliardi di anni fa. In ogni sistema chiuso vale il principio di conservazione della massa, il quale prevede che l’intera massa di materia nel sistema debba essere conservata e possa solo subire processi di trasformazione e/o trasferimento da un comparto all’altro.
Da quando esiste sulla Terra l’intera massa di acqua degli oceani, per esempio, è evaporata, ha prodotto precipitazioni ed è ritornata nell’oceano attraverso i fiumi molte migliaia di volte. E ossigeno e azoto, i maggiori costituenti dell’atmosfera, vengono continuamente riciclati nel sistema, principalmente a opera degli organismi viventi. Il “carburante” necessario per questi costanti processi di trasporto e trasformazione di materia nei vari comparti è l’energia che la Terra riceve dal Sole. Il fatto che il nostro pianeta si comporti come un sistema integrato e autoregolato è stato efficacemente evidenziato nel 1999 con la pubblicazione dei risultati delle analisi chimiche e isotopiche della “carota” di ghiaccio più profonda fino a ora ottenuta, proveniente dalla stazione antartica russa Vostok, che ci ha fornito informazioni relative agli ultimi 420.000 anni (Fig. 3).
Questi dati, certamente fra i più importanti prodotti dalla comunità scientifica nel XX secolo, forniscono un sorprendentemente efficace contesto cronologico dell’integrazione del Sistema Terra.Infatti, l’andamento della temperatura media globale, come risulta dai dati del carotaggio, mostra due stati climatici del pianeta ben definiti: ere glaciali e periodi interglaciali. Le temperature massime e minime nel corso dei quattro cicli glaciali della durata approssimativa di 100.000 anni ognuno, sono inoltre molto simili. Allo stesso modo, gli andamenti della concentrazione del biossido di carbonio (CO2) e del metano (CH4) mostrano profili molto simili lungo tutto il periodo rappresentato, indicando significative differenze nell’attività della biosfera fra i due stati climatici glaciale e interglaciale.
Questo comportamento sistematico è dovuto alla combinazione di perturbazioni esterne al sistema, principalmente variazioni del livello della radiazione solare, e ad una serie complessa di perturbazioni e retroazioni all’interno del sistema stesso.Le attività antropicheAlla naturale dinamica del sistema si sovrappongono le perturbazioni indotte dalle attività dell’essere umano che, all’interno del sistema, cambiano ulteriormente la distribuzione di materia fra un comparto e l’altro. L’Homo sapiens è presente sulla Terra da circa 100.000 anni, un tempo brevissimo se confrontato con l’età del pianeta, ma con il crescente progredire delle capacità tecnologiche ha causato profondi cambiamenti dell’ambiente a livello globale. Peraltro, fino a tempi molto recenti le attività umane hanno contribuito in modo poco significativo ai cambiamenti dell’ambiente a livello globale, mentre da circa un secolo a questa parte l’essere umano ha iniziato a interferire con il funzionamento del sistema in termini che di gran lunga eccedono quelli naturali.
L’entità, la scala spaziale e la velocità dei cambiamenti indotti dalle attività umane hanno raggiunto proporzioni mai verificatesi in precedenza. I processi ambientali indotti dalle attività umane ora eguagliano o eccedono quelli naturali, la loro scala spaziale è ormai quella globale e la velocità con cui questi cambiamenti hanno luogo è dell’ordine dei decenni, rispetto a una scala temporale di millenni caratteristica dei cambiamenti naturali.I cambiamenti dell’ambiente globale indotti dalle attività antropiche sono vari e diversificati (Fig. 4):in alcune generazioni umane, si stanno esaurendo le riserve di combustibili fossili che sono state generate su scala di diverse centinaia di milioni di anni; circa il 50 per cento della superficie terrestre è stata trasformata dalle attività umane, con pesanti conseguenze per la biodiversità, i cicli dei nutrienti, la struttura e biologia del suolo e il clima; più di metà delle riserve di acqua dolce vengono usate, direttamente o indirettamente, dall’essere umano e le riserve acquifere sotterranee sono già state esaurite in molte aree del pianeta; la concentrazione di gas a effetto serra in atmosfera, oltre a CO2 e CH4, è cresciuta in modo rilevante; gli habitat marini e costieri sono stati alterati in modo sostanziale e le zone umide si sono ridotte della metà; il 22 per cento delle riserve ittiche conosciute sono a rischio di estinzione, e un ulteriore 44 per cento sono al limite dello sfruttamento possibile; il livello di estinzione negli ecosistemi terrestri e marini sta rapidamente crescendo e la Terra si trova per la prima volta nella situazione in cui fenomeni di estinzione contemporanea di molte specie viventi sono causate dalle attività di una singola altra specie: quella umana.
Nei due secoli passati, sia la popolazione umana che la ricchezza economica complessiva a livello mondiale sono cresciute molto rapidamente. Questi due fattori hanno accresciuto in modo rilevante il consumo di risorse naturali in settori quali l’agricoltura e la produzione alimentare in generale, lo sviluppo industriale, il commercio, la produzione di energia, la mobilità, l’urbanizzazione e finanche le attività ricreative. Circa sei miliardi di persone abitano oggi il pianeta: tutti hanno bisogni e necessità fondamentali quali acqua, cibo, abitazione, salute e lavoro. I modi nei quali questi bisogni basilari vengono soddisfatti determinano le conseguenze ambientali a livello globale (Tabella 1). Nei paesi sviluppati in particolare, la ricchezza e la domanda di beni di consumo per la mobilità, le attività ricreative, le comunicazioni ecc. stanno ponendo una sempre più forte pressione sulle risorse naturali a livello globale.Fra il 1970 e il 2000 il consumo di energia a livello globale è cresciuto di più dell’80 per cento, così come è cresciuto enormemente il consumo di materie prime.
Mentre la popolazione mondiale è più che raddoppiata nella seconda metà del secolo scorso, la produzione di cereali nello stesso periodo è triplicata, la produzione di energia è quadruplicata e la produzione mondiale è quintuplicata. Benché gran parte di questa accelerazione dell’attività economica e del consumo energetico abbia avuto luogo nei paesi industrializzati, anche i paesi in via di sviluppo stanno iniziando ad avere un impatto crescente sulla disponibilità di risorse e sull’ambiente globale. Molta parte dell’energia necessaria per le attività dell’essere umano è derivata dai combustibili fossili e questo ha come effetto l’immissione in atmosfera di CO2, altri gas inquinanti e polveri.
L’industrializzazione ha portato grossi problemi di inquinamento dell’aria e delle acque dovuti alla produzione di materie prime, di beni di consumo e allo smaltimento dei rifiuti. Le sostanze chimiche in uso nell’industria sono oggi più di 100.000, un numero che sta comunque tuttora crescendo, e molte di queste sostanze possono avere rilevanti effetti sul funzionamento del Sistema Terra.Una ricerca globale Lo scopo degli studi sul complesso Sistema Terra è quello di poter spiegare i cambiamenti del passato e predire quelli futuri. La scienza deve potere individuare i fattori che controllano il clima e i meccanismi che regolano il flusso fra i vari comparti del sistema di elementi chimici come carbonio, azoto, zolfo, solo per indicare i principali, che sono essenziali per il sostentamento della vita, e ancora, i meccanismi secondo i quali questi cicli vengono perturbati dalle attività dell’essere umano.
Se la scienza non è in grado di integrare le conoscenze necessarie a descrivere il funzionamento del Sistema Terra è altamente improbabile che la società possa sviluppare soluzioni efficaci ai problemi creati dai cambiamenti globali di origine antropica.Alla conoscenza del Sistema Terra concorrono molte discipline scientifiche: dall’astronomia, alla fisica, alla chimica, alla biologia, alla geologia, solo per nominarne alcune. Queste diverse comunità scientifiche non parlano tradizionalmente lo stesso linguaggio e usano approcci scientifici a volte completamente diversi. Per questo la maggior parte de-gli studi sui cambiamenti globali adotta un approccio “riduzionistico”, semplificando e separando il problema scientifico generale in diverse parti che possano essere affrontate da un punto di vista disciplinare.
Al contrario, per un approccio scientifico efficace alle problematiche dei cambiamenti globali occorre raggiungere una vera sintesi interdisciplinare, ottenibile solamente se gli specialisti nelle varie discipline riescono a comunicare nello stesso linguaggio e a usare strumenti concettuali comuni e condivisi. In altre parole, gli scienziati dovrebbero da un lato comprendere cosa la propria disciplina possa portare per la conoscenza del sistema e, dall’altro, quali siano le necessità delle altre discipline che concorrono a questa conoscenza.Grazie alla collaborazione congiunta di molti scienziati provenienti da diversi ambiti disciplinari, negli ultimi anni si è affermata una nuova disciplina chiamata Earth System Science: Scienza del Sistema Terra.
Questa nuova disciplina è volta a elaborare le basi fisiche per la comprensione dell’ambiente in cui viviamo e nel quale l’umanità deve raggiungere uno sviluppo sostenibile. La Scienza del Sistema Terra si occupa perciò delle interazioni fisiche, chimiche e biologiche che determinano lo stato passato, presente e futuro del pianeta. La nascita di questa nuova disciplina è stata stimolata dal crescente impatto delle attività umane sull’ambiente globale, e le enormi possibilità di indagine fornite dallo sviluppo dei sistemi di osservazione globale da satellite stanno fornendo ulteriore impeto a questo approccio integrato.
Questa nuova scienza include, come detto, discipline fondamentali quali la chimica, la fisica, la biologia, la matematica e varie scienze applicate, ma trascende le tradizionali barriere disciplinari. Inoltre, dato che il concetto di Sistema Terra prende in considerazione la componente uma-na nel funzionamento del sistema stesso, questo approccio tende a diminuire le distanze che separano le scienze naturali dalle scienze sociali (storia, economia, sociologia, discipline giuridiche ecc.) che debbono, esse pure, concorrere alla conoscenza del sistema e alla previsione dei cambiamenti prodotti dalla crescente pressione antropica sull’ambiente planetario.
I programmi internazionali
L’International Council for Science (ICSU), l’organizzazione che coordina la cooperazione scientifica internazionale e che comprende rappresentanze di 101 paesi, ha promosso la costituzione di quattro grandi programmi internazionali sui cambiamenti ambientali a livello globale che hanno come base condivisa l’approccio alla Scienza del Sistema Terra.International Geosphere-Biosphere Programme (IGBP) ha lo scopo di descrivere i processi fisici, chimici e biologici che, in modo interdipendente, regolano il funzionamento del Sistema Terra, la sua capacità peculiare di supportare la vita, i cambiamenti che stanno avvenendo all’interno del sistema e il modo in cui questi processi sono influenzati dalle attività dell’essere umano. International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change (IHDP) ha lo scopo di promuovere e coordinare la ricerca internazionale per la comprensione della dimensione umana dei cambiamenti ambientali globali, focalizzando le cause e conseguenze delle attività umane individuali e collettive.
World Climate Research Programme (WCRP) ha lo scopo di comprendere il sistema climatico fisico e il livello di accuratezza con cui il clima può essere predetto, e di definire l’influenza antropica sul clima. International Programme of Biodiversity Science (DIVERSITAS) ha lo scopo di unificare i diversi approcci internazionali allo studio sulla biodiversità, dal ruolo della biodiversità nel funzionamento degli ecosistemi agli aspetti socioeconomici. Questi quattro programmi costituiscono la cosiddetta Earth System Science Partnership (ESSP) sotto il patronato, come detto, dell’ ICSU. Per inciso, la comunità scientifica italiana, ha una partecipazione nazionale organizzata nei programmi IGBP, IHDP e WCRP.
I quattro programmi sui cambiamenti dell’ambiente globale sono fortemente interdisciplinari e rispondono a tematiche per le quali l’approccio coordinato internazionale è l’unica via che possa portare risposte. Questi programmi si basano sul contributo di migliaia di gruppi di ricerca in tutti i continenti i cui contributi vengono valorizzati dal coordinamento e dall’integrazione che i programmi stessi realizzano. Le attività di integrazione comprendono lo sviluppo di reti internazionali su argomenti di ricerca focalizzati, la promozione di metodologie d’indagine standardizzate, la compilazione di serie di dati globali di qualità controllata, la intecomparazione di modelli, l’uso razionale delle risorse di ricerca. Scopo ultimo della ricerca integrata nell’ambito della ESSP è quello di contribuire a costruire le basi scientifiche per la sostenibilità dell’ambiente globale. Per questo, i quattro programmi, in occasione della Conferenza congiunta Challenges of a Changing Earth tenutasi ad Amsterdam nel luglio 2001, hanno stilato una mozione comune che ha preso il nome di Amsterdam Declaration (vedi box) con l’obiettivo di sensibilizzare i governi e l’opinione pubblica mondiale sulla realtà dei cambiamenti globali e l’urgente bisogno di azione in questo senso.
L’ICSU ha poi distribuito il testo della dichiarazione, tramite canali ufficiali, ai governi di tutto il mondo.L’approccio alla Scienza del Sistema Terra pone al mondo della ricerca e della formazione problemi non facili da affrontare, ma con i quali occorre misurarsi. Nessun Dipartimento/Facoltà o Istituto di ricerca può infatti avere il respiro e le competenze sufficienti per affrontare isolatamente questa complessa tematica. La collaborazione e l’integrazione di diverse competenze/discipline sono quindi indispensabili. Tutto questo però non significa che le discipline tradizionali debbano abdicare alle rispettive peculiarità; al contrario, le competenze specialistiche sono indispensabili per comprendere la complessità dei processi da indagare. La scommessa è quindi quella di integrare le diverse risorse di ricerca e formazione per creare un unicum che sia più efficace della somma delle singole componenti.
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