I gas serra e la produzione antropica di metano

Il metano rappresenta circa il 16% del forzante radiativo. Circa il 40% del metano è emesso nell'atmosfera da fonti naturali e circa il 60% proviene da fonti antropiche.

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I gas serra possono essere di origine sia naturale che antropica (cioè prodotti dalle attività umane)

I principali gas serra sono: Vapore acqueo (H₂O), anidride carbonica (CO₂), protossido di azoto (N₂O), metano (CH₄) ed esafluoruro di zolfo (SF₆) 

L'anidride carbonica (CO₂), il metano (CH₄) e il protossido di azoto (N₂O) sono naturalmente presenti nell'atmosfera ma sono stati notevolmente aumentati dall'attività umana nell'era industriale.

Il forzante radiativo è la misura dell'influenza di un fattore (ad esempio l'aumento dell'anidride carbonica o altri gas serra nell'atmosfera) nell'alterazione del bilancio tra energia entrante ed energia uscente nel sistema Terra-atmosfera. 

Il metano rappresenta circa il 16% del forzante radiativo calcolata come il contributo relativo del gas o dei gas menzionati all'aumento del forcing radiativo globale causato da tutti i gas serra a lunga vita dal 1750.

Circa il 40% del metano è emesso nell'atmosfera da fonti naturali (ad esempio zone umide e termiti) e circa il 60% proviene da fonti antropiche (ad esempio ruminanti, risicoltura, sfruttamento di combustibili fossili, discariche e combustione di biomasse)

 Il tasso di crescita annuale del metano (ppb anno⁻¹ ) 

 

La frazione molare di aria secca superficiale del metano atmosferico ( CH₄ ) ha raggiunto 1857 ppb nel 2018, circa 2,6 volte superiore al suo valore di equilibrio preindustriale stimato nel 1750.

Questo aumento è attribuibile in gran parte all'aumento delle emissioni antropiche derivanti principalmente dall'agricoltura (ad es. produzione di bestiame, coltivazione del riso, combustione di biomassa), produzione e uso di combustibili fossili, smaltimento dei rifiuti e alterazioni dei flussi naturali di metano dovute all'aumento delle concentrazioni atmosferiche di CO₂ e al cambiamento climatico. 

Il CH₄ atmosferico assorbe maggiormente la radiazione termica infrarossa emessa dalla Terra rispetto all'anidride carbonica (CO₂). 

Le emissioni di CH₄ contribuiscono alla produzione di ozono, vapore acqueo stratosferico e CO_2e. Il metano ha una vita breve nell'atmosfera (circa 9 anni); quindi una stabilizzazione o riduzione delle emissioni di CH₄ porta rapidamente, in pochi decenni, ad una stabilizzazione o riduzione della sua concentrazione atmosferica e quindi del suo forzante radiativo. La riduzione delle emissioni di CH₄ è quindi riconosciuta come un'opzione efficace per una rapida mitigazione dei cambiamenti climatici, specialmente su scale temporali decennali, a causa della sua durata più breve rispetto alla CO₂.

Definizione delle categorie di fonti

Il metano è emesso da diversi processi (cioè, biogenico, termogenico) e può essere di origine antropica o naturale. 

Il metano biogenico è il prodotto finale della decomposizione della materia organica da parte degli Archaea metanogeni in ambienti anaerobici, come suoli saturi d'acqua, paludi, risaie, sedimenti marini, discariche, impianti di depurazione e trattamento delle acque reflue, o all'interno dei sistemi digestivi degli animali. 

Il metano termogenico si forma su scale temporali geologiche dalla rottura della materia organica sepolta a causa del calore e della pressione nelle profondità della crosta terrestre.  Il metano termogenico raggiunge l'atmosfera attraverso le infiltrazioni di gas geologico marino e terrestre. Queste emissioni di metano sono aumentate dalle attività umane, ad esempio lo sfruttamento e la distribuzione di combustibili fossili. 

Il metano pirogenico è prodotto dalla combustione incompleta di biomassa e altro materiale organico. Gli incendi di torba, la combustione di biomassa in aree deforestate o degradate, gli incendi boschivi e la combustione di biocarburanti sono le maggiori fonti di metano pirogenico. 

Gli idrati di metano, gabbie simili al ghiaccio di metano intrappolato che si trovano nelle piattaforme continentali e nei pendii e sotto il permafrost sottomarino e terrestre, possono essere di origine biogenica o termogenica. Ognuna di queste tre categorie di processo ha componenti sia antropogeniche che naturali.

Fonti antropogeniche di metano

Il metano antropogenico può derivare dalle emissioni derivanti dalla produzione, trasmissione e distribuzione di combustibili fossili; fermentazione enterica del bestiame; gestione e applicazione del letame; coltivazione del riso; rifiuti solidi; e acque reflue. 

Produzione e uso di combustibili fossili

La maggior parte delle emissioni antropogeniche di metano legate ai combustibili fossili proviene dallo sfruttamento, dal trasporto e dall'utilizzo di carbone, petrolio e gas naturale. Le emissioni aggiuntive riportate in questa categoria includono piccoli contributi industriali come la produzione di prodotti chimici e metalli, incendi di combustibili fossili (ad esempio, incendi di miniere di carbone sotterranee e incendi di petrolio e gas del Kuwait) e trasporti (trasporto stradale e non stradale). 

Il settore rappresenta in media il 35% del totale delle emissioni antropogeniche globali.

Estrazione del carbone

Durante l'estrazione, il metano viene emesso principalmente dai pozzi di ventilazione, dove vengono pompati grandi volumi d'aria nella miniera per mantenere il rapporto di miscelazione del CH₄ al di sotto dello 0,5% per evitare l'accensione accidentale, e dalle operazioni di disidratazione. Nei paesi dell'Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (OCSE), il metano rilasciato dai pozzi di ventilazione è in linea di principio utilizzato come combustibile, ma in molti paesi viene ancora emesso nell'atmosfera o bruciato. Il metano viene rilasciato anche dai cumuli di rifiuti di carbone e dalle miniere abbandonate.

Nel 2017, quasi il 40% dell'elettricità mondiale era ancora prodotto dal carbone. Questo contributo è cresciuto negli anni 2000 al tasso di diversi punti percentuali all'anno, trainato dalla crescita economica asiatica dove esistono grandi riserve, ma il consumo globale di carbone è diminuito dal 2014. Nel 2018, le 10 maggiori nazioni produttrici di carbone rappresentavano ∼  90% delle emissioni mondiali totali di metano per l'estrazione del carbone; tra questi, i primi tre produttori (Cina, Stati Uniti e India) hanno prodotto quasi i due terzi (64%) del carbone mondiale.

Sistemi a petrolio e gas naturale

Questa sottocategoria include le emissioni derivanti dallo sfruttamento di petrolio e gas sia convenzionale che di scisto. Il gas naturale è composto principalmente da metano, quindi emissioni sia fuggitive che pianificate durante la perforazione di pozzi in giacimenti di gas, estrazione, trasporto, stoccaggio, distribuzione del gas, uso finale e incompleta combustione delle torce a gas. 

Per il decennio 2008-2017, si stima che le emissioni di metano dai settori a monte e a valle del petrolio e del gas naturale rappresentino circa il 63% delle emissioni totali di CH₄ fossile

Settori dell'agricoltura e dei rifiuti

Questa categoria principale include le emissioni di metano legate alla produzione zootecnica (vale a dire, fermentazione enterica nei ruminanti e gestione del letame), coltivazione del riso, discariche e trattamento delle acque reflue. Di questi, a livello globale e nella maggior parte dei paesi, il bestiame è di gran lunga la principale fonte di CH₄, seguito dalla gestione dei rifiuti e dalla coltivazione del riso. 

Si stima che le emissioni globali da agricoltura e rifiuti per il periodo 2008-2017 rappresentano il 56% delle emissioni antropogeniche totali.

Bestiame: fermentazione enterica e gestione del letame

I ruminanti domestici come bovini, bufali, pecore, capre e cammelli emettono metano come sottoprodotto dell'attività microbica anaerobica nei loro sistemi digestivi (Johnson et al., 2002). Le temperature molto stabili (circa 39  ∘ C) e i valori di pH (6,5–6,8) all'interno del rumine dei ruminanti domestici, insieme a un flusso costante di materia vegetale dal pascolo (il bestiame pascola molte ore al giorno), consentono agli Archaea metanogeni che risiedono nel rumine per produrre metano. Metano viene rilasciato dalle rumine principalmente attraverso la bocca di ruminanti multi-digerito (eruttazioni, ~  87% delle emissioni) o assorbito nel sistema sanguigno. Il metano prodotto nell'intestino e parzialmente trasmesso attraverso il retto è solo ∼  13 %.

Il numero totale del bestiame continua a crescere costantemente. Ci sono attualmente (2017) circa 1,5 miliardi di bovini a livello globale, 1 miliardo di pecore e quasi altrettante capre. I numeri del bestiame sono correlati in modo lineare alle emissioni di CH₄.

Le condizioni anaerobiche spesso caratterizzano la decomposizione del letame in una varietà di sistemi di gestione del letame a livello globale (ad es. liquido/liquame trattato in lagune, stagni, serbatoi o fosse), con le sostanze presenti nel letame che producono CH₄ . Al contrario, quando il letame viene maneggiato come un solido (p. es., in cataste o lotti asciutti) o depositato su pascoli, pascoli o paddock, tende a decomporsi aerobicamente e a produrre poco CH₄. Tuttavia la decomposizione aerobica del letame tende a produrre protossido di azoto ( N₂O), che ha un impatto maggiore sul riscaldamento rispetto al metano. La temperatura ambiente, l'umidità, il contenuto energetico del mangime, la composizione del letame e il tempo di conservazione o di permanenza del letame influiscono sulla quantità di CH₄ prodotta. 

 Per il periodo 2008-2017, la fermentazione enterica e la gestione del letame produce circa un terzo delle emissioni antropogeniche globali totali.

Coltivazione del riso

La maggior parte del riso mondiale viene coltivato in risaie allagate. I sistemi di gestione dell'acqua, in particolare le inondazioni, utilizzati per coltivare il riso sono uno dei fattori più importanti che influenzano le emissioni di CH₄ e uno degli approcci più promettenti per la mitigazione delle emissioni di CH₄: il drenaggio e l'aerazione periodici non solo causano l' ossidazione del metano esistente nel suolo, ma inibiscono anche l'ulteriore produzione di CH₄. Le risaie montane non sono in genere allagate e quindi non sono una fonte significativa di CH₄. Altri fattori che influenzano  le emissioni di metano dalle risaie allagate includono pratiche di fertilizzazione, temperatura del suolo, tipo di suolo, varietà di riso e pratiche di coltivazione. 

Le maggiori emissioni dalla coltivazione del riso si trovano in Asia. 

Si stima che le emissioni globali di metano dalle risaie sia circa l'8% delle emissioni antropogeniche globali totali.. 

Gestione dei rifiuti

Questo settore include le emissioni da discariche gestite e non gestite e il trattamento delle acque reflue, dove vengono depositati tutti i tipi di rifiuti. La produzione di metano dai rifiuti dipende dal pH, dall'umidità e dalla temperatura del materiale. Il pH ottimale per l'emissione di metano è compreso tra 6,8 e 7,4. Lo sviluppo di acidi carbossilici porta a un pH basso, che limita le emissioni di metano. Rifiuti alimentari o organici, foglie e sfalci d'erba fermentano abbastanza facilmente, mentre il legno e i prodotti del legno generalmente fermentano lentamente e la cellulosa e la lignina ancora più lentamente.

La gestione dei rifiuti è stata responsabile di circa l'11% delle emissioni globali di metano di origine antropica nel 2000. 

Si stima che le emissioni globali di metano dai rifiuti sia circa il 12% delle emissioni antropogeniche globali totali.

Combustione di  biomasse e biocarburanti

Rientrano in questa categoria le emissioni di metano da biomasse bruciate in foreste, savane, praterie, torbiere, residui agricoli, e la combustione di biocarburanti nel settore residenziale (stufe, caldaie, caminetti). La combustione di biomassa e biocarburanti produce metano in condizioni di combustione incompleta (cioè, quando la disponibilità di ossigeno è insufficiente per una combustione completa). 

Combustione di biomassa

Il fuoco è un importante evento di disturbo negli ecosistemi terrestri a livello globale e può essere di origine naturale (tipicamente ∼  10% degli incendi, innescato da fulmini o avviato accidentalmente) o antropico ( ∼  90%, incendi provocati dall'uomo). Gli incendi antropici sono concentrati nei tropici e subtropicali, dove foreste, savane e praterie possono essere bruciate per liberare la terra per scopi agricoli o per mantenere pascoli e pascoli. I piccoli incendi associati all'attività agricola, come l'incendio dei campi e la combustione dei rifiuti agricoli, spesso non sono ben rilevati dai metodi di telerilevamento e sono invece stimati in base all'area coltivata.

Si stima che le emissioni globali di metano da combustione della biomassa sia circa il 5% delle emissioni antropogeniche globali totali.

Combustione di biocarburanti

La biomassa utilizzata per produrre energia per scopi domestici, industriali, commerciali o di trasporto è di seguito denominata combustione di biocarburanti. 

Una frazione in gran parte dominante delle emissioni di metano dai biocarburanti proviene dalla cucina domestica o dal riscaldamento in stufe, caldaie e caminetti, principalmente nei fuochi di cottura all'aperto dove vengono bruciati legna, carbone, residui agricoli o sterco animale. 

Si stima che più di 2 miliardi di persone, per lo più nei paesi in via di sviluppo, utilizzino i biocarburanti solidi per cucinare e riscaldare le loro case ogni giorno.

Si stima che le emissioni globali di metano da combustione di biocarburanti sia circa il 3% delle emissioni antropogeniche globali totali.

Principali fonti di metano antropogenico per il periodo 2008-2017

Fonti naturali

Le fonti naturali di metano includono le emissioni delle zone umide vegetali e i sistemi di acque interne (laghi, piccoli stagni, fiumi), le fonti geologiche terrestri, animali selvatici, disgelo terrestre e marino permafrost e fonti oceaniche (biogene, geologiche e idrate). 

Negli ecosistemi saturi d'acqua o allagati, la decomposizione della materia organica esaurisce gradualmente la maggior parte dell'ossigeno nel suolo, determinando condizioni anaerobiche e produzione di metano.  Nel suo percorso verso l'atmosfera, nel suolo o nelle colonne d'acqua, il metano può essere parzialmente o completamente ossidato da un gruppo di batteri chiamati metanotrofi, che utilizzano il metano come unica fonte di energia e carbonio. Allo stesso tempo, il metano dall'atmosfera può diffondersi nella colonna del suolo ed essere ossidato.

 

 

WMO GREENHOUSE GAS BULLETIN, No. 16 | 23 November 2020

Marielle Saunois et al., The Global Methane Budget 2000–2017, Earth Syst. Sci. Data, 12, 1561–1623, 2020