Charles David Keeling

Charles David Keeling è da noi considerato un “supereroe” del cambiamento climatico per l’impatto che hanno avuto i suoi studi su questo tema.

Agli inizi degli anni ’50 Keeling scopre una tecnica per misurare con precisione la CO2 presente in atmosfera, facendo installare all’osservatorio di Mauna Loa un dispositivo che ne rileva il valore.

Raccogliendo dati per 50 anni Keeling si accorse che i livelli di CO2 oscillavano a seconda delle stagioni, perché quando gli alberi crescono e mettono le foglie assorbono CO2, mentre in inverno gli alberi ne assorbono di meno e la CO2 si accumula nell’atmosfera.

Keeling registrò anche l’aumento progressivo dei picchi di CO2 sia d’inverno che d’estate e tale dato spiegaca come l’impiego dei combustibili fossili aveva contribuito all’aumento dei livelli di questa composto nell’atmosfera.

In pratica è sua la notevole scoperta dei cicli naturali stagionali dell’anidride carbonica atmosferica sovrapposti alla sua crescente crescita causata dalla combustione di combustibili fossili e dai cambiamenti nell’uso del suolo.

La “curva di Keeling” è diventata famosa quando un ex studente di Harvard, Al Gore, divenuto vicepresidente degli USA, la pubblicò nel libro “Una scomoda verità” e la mostrò nel film dallo stesso titolo.

Il Nobel per la pace assegnato ad Al Gore nel 2007 contribuì a portare maggiormente questo problema all’attenzione del grande pubblico.

Ma andiamo a conoscerlo meglio, questo grande personaggio della Storia.

Nato a Scranton, Pennsylvania, il 20 aprile 1928, e si laurea nel 1948 in arti liberali generali presso l’ University of Illinois.

Consegue un dottorato di ricerca in chimica presso la Northwestern University nel 1954 edun post-dottorato in geochimica presso il California Institute of Technology nel 1953-56.

Affiliato alla Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego, dal 1956 fino alla sua morte nel 2005.

Nel 1968 è stato nominato professore di oceanografia.

Durante la sua permanenza a Scripps, Keeling è stato Guggenheim Fellow presso il Meteorological Institute dell’Università di Stoccolma, Svezia (1961-62) e professore ospite presso lo Zweites Physikalisches Institut dell’Università di Heidelberg, Germania (1969-70) ed il Physikalisches Institut dell’Università di Berna, Svizzera (1979-80).

È stato autore di oltre 100 articoli di ricerca e ha ricevuto numerosi premi.

Keeling ha ricevuto nel 1981 il premio “Second Half Century Award” della American Meteorology Society per il suo lavoro fondamentale e di vasta portata sulla misurazione dell’anidride carbonica atmosferica.

È stato eletto Fellow dell’Accademia Americana delle Arti e delle Scienze nel 1986. Nel 1991 ha ricevuto la medaglia Maurice Ewing dell’American Geophysical Union e nel 1993 ha ricevuto il Blue Planet Prize dal Science Council of Japan e dalla Asahi Foundation.

Nel 1994 è stato eletto membro dell’Accademia Nazionale delle Scienze.

Nel 1997, Keeling è stato insignito, nel corso di una cerimonia alla Casa Bianca, dall’allora Vice Presidente Al Gore, di un premio speciale “…per quarant’anni di eccezionale ricerca scientifica associata al monitoraggio dell’anidride carbonica atmosferica in relazione all’Osservatorio di Mauna Loa”.

Nel 2002, il presidente George W. Bush ha scelto Keeling per ricevere la Medaglia Nazionale della Scienza, il più alto riconoscimento della nazione per i risultati ottenuti alla vita nella ricerca scientifica.

Nel 2005, Keeling ha ricevuto il Tyler Prize for Environmental Achievement, generalmente considerato il premio più importante al mondo per la scienza ambientale.

Parliamo anzitutto dei suoi interessi: le sue principali aree di interesse comprendevano la geochimica del carbonio e dell’ossigeno e altri aspetti della chimica atmosferica, con particolare attenzione al ciclo del carbonio in natura e all’abbondanza e al ricambio dell’aria e del mare dell’anidride carbonica.

Durante i suoi studi post-dottorato con Harrison Brown al Cal Tech, Keeling ha sviluppato un accurato sistema per misurare la concentrazione di anidride carbonica nell’aria che ha sfruttato, insieme a uno spettrometro di massa messo a disposizione nel laboratorio di Sam Epstein, per analizzare campioni d’aria raccolti nelle foreste e in altri ambienti rurali.

Charles David Keeling

Questi studi hanno portato alla scoperta che la concentrazione di CO2 e la composizione isotopica nell’aria delle foreste subiscono un ciclo giornaliero regolare che riflette le influenze della fotosintesi, della respirazione e della miscelazione atmosferica.

Inoltre hanno anche prodotto uno strumento per rilevare la composizione isotopica dell’aria respirabile, utilizzando un approccio grafico ormai classico chiamato “Keeling Plot” (da non confondere con “Keeling Curve”, di cui parleremo dopo)

L’approccio di Keeling alla caratterizzazione dell’aria respirabile era rimasto in gran parte inascoltato per molti anni, ma recentemente ha acquisito importanza come strumento standard nel campo della fisiologia degli ecosistemi.

Infine, gli studi post-dottorato di Keeling hanno suggerito che, lontano dalle influenze della vegetazione e dell’inquinamento urbano, la concentrazione di anidride carbonica era notevolmente costante da un luogo all’altro e nel tempo.

Questo risultato contraddiceva i precedenti studi meno accurati che mostravano una variabilità molto maggiore.

La scoperta di Keeling del “background atmosferico“, fu di grande importanza, perché motivò i suoi successivi studi climatologici sull’anidride carbonica atmosferica della terra nel suo complesso.

A titolo di esempio, la scoperta di un fondo atmosferico ha infine motivato anche gli studi globali di altri scienziati su altri gas serra come il metano e il protossido d’azoto e su gas che distruggono l’ozono come i clorofluorocarburi.

Ne è seguito il lavoro per il quale Keeling è giustamente più famoso.

Nel 1958, con il supporto di Harry Wexler del Servizio Meteorologico degli Stati Uniti e di Roger Revelle di Scripps, Keeling iniziò un’ampia indagine sulla concentrazione di anidride carbonica nell’aria di fondo, comprese le misurazioni nell’aria e a bordo delle navi, e le misurazioni presso l’Osservatorio di Mauna Loa e altre stazioni terrestri – misurazioni che sono continuate fino ad oggi sotto la sua guida.

Questo lavoro è stato motivato dal suggerimento, originariamente fatto da Svante Arrhenius, che i livelli di anidride carbonica nell’atmosfera potrebbero aumentare a causa della combustione di combustibili fossili con potenziali conseguenze sul clima globale.

All’epoca, tuttavia, il suggerimento era controverso, in parte perché non era chiaro fino a che punto gli oceani potessero tamponare l’aumento di CO2 nell’atmosfera.

Nel giro di pochi anni dalle misurazioni, il record di Mauna Loa aveva cambiato il concetto di aumento della CO2 atmosferica da una questione di teoria a una questione di fatto.

Questo è stato un risultato di enorme importanza sociale e politica, e all’interno della comunità scientifica ha stimolato il coinvolgimento di ricercatori sul clima come Suki Manabe per quantificare con maggiore precisione l’impatto dell’aumento di CO2 sul clima globale.

Il disco Mauna Loa, o “Keeling Curve“, come viene talvolta chiamato, è diventato un’icona standard che simboleggia l’impatto dell’uomo sul pianeta.

Con ostinata persistenza, Keeling è riuscito a sostenere il suo programma di misurazioni dell’anidride carbonica atmosferica nel tempo, producendo così un’estesa climatologia chimica di immenso valore.

Alla fine degli anni ’70, Keeling è riuscito, attraverso una stretta collaborazione con Willem Mook di Gronigen, a far misurare regolarmente la composizione isotopica della CO2 sui suoi campioni: conoscere la composizione isotopica avrebbe aiutato a distinguere le influenze delle piante terrestri e degli oceani sull’andamento della CO2.

I suoi record di concentrazione di CO2, insieme ai record isotopici, hanno costituito la base per una serie di scoperte sugli impatti del clima sul ciclo globale del carbonio

Una di queste scoperte, che era già evidente entro un anno dalle prime misurazioni a Mauna Loa, era l’esistenza di un ciclo stagionale regolare nell’anidride carbonica atmosferica.

Keeling ha anche mostrato che il ciclo nella concentrazione di CO2 era accompagnato da un ciclo nel rapporto 13C/12C, che portava la chiara firma della fotosintesi terra-pianta e della respirazione che aveva osservato in precedenza nell’aria della foresta.

Ciò ha dimostrato in modo convincente che il ciclo era causato principalmente dal ciclo stagionale di crescita e decadimento delle piante terrestri.

Questo ciclo è ora registrato in decine di stazioni in tutto il mondo e costituisce un prezioso punto di riferimento per testare la nostra comprensione della risposta degli ecosistemi terrestri al cambiamento climatico.

Recentemente, ad esempio, Keeling e i suoi collaboratori hanno attirato l’attenzione sul fatto che l’ampiezza e la fase di questo ciclo sono cambiate in modo significativo negli ultimi decenni, dimostrando che la primavera nell’emisfero settentrionale arriva ora circa una settimana prima di quella degli anni Sessanta.

Un’altra scoperta recente è stata che il tasso di crescita della CO2 atmosferica variava in modo significativo da un anno all’altro.

Nel 1976, Bob Bacastow, che lavorava nel gruppo di Keeling, fece notare che queste piccole variazioni interannuali erano evidentemente associate strettamente ai fenomeni di oscillazione di El Nino/Sud.

Con l’aggiunta di misure isotopiche e registrazioni più lunghe, Keeling è stato in grado di dimostrare che le fluttuazioni relative a El Nino erano guidate in gran parte da variazioni interannuali nella crescita e nel decadimento della vegetazione sulla terraferma, con una minore componente di contrasto dovuta agli oceani.

Queste fluttuazioni forniscono quindi un secondo importante test, insieme al ciclo stagionale, della risposta climatica degli ecosistemi terrestri, e sono oggi ampiamente utilizzate per studi di validazione dei modelli.

A metà degli anni ’70, il tasso di crescita a lungo termine della CO2 è stato stabilito in modo sufficientemente accurato da quantificare la cosiddetta “frazione di aria” (a volte chiamata “frazione di Keeling”), cioè la frazione delle emissioni di combustibile fossile che rimane nell’atmosfera.

Combinando le sue misurazioni del tasso di crescita dell’anidride carbonica con la sua meticolosa (e presto ufficialmente adottata) metodologia per valutare la quantità di emissioni da combustibili fossili che bruciano a livello globale, ha calcolato una frazione di circa il 55%, un numero che è rimasto abbastanza costante nel tempo.

Questa frazione osservata nell’aria è un punto di riferimento critico per i modelli di prova per la previsione dei futuri aumenti di CO2, che costituiscono, ad esempio, la base delle valutazioni standard fornite dal Gruppo Intergovermentale sui Cambiamenti Climatici.

Anche le osservazioni di Keelings si sono estese nel corso della sua carriera per includere le misurazioni dell’anidride carbonica nell’acqua di mare.

Ispirato dalla sua dimostrazione di successo dell’aumento delle concentrazioni di CO2 nell’aria, ha visualizzato la possibilità di documentare anche il corrispondente aumento del contenuto di anidride carbonica negli oceani superiori, che era previsto come risposta all’aumento dei livelli nell’aria.

Keeling partecipò alle prime ampie indagini sulla pressione parziale di CO2 dell’acqua di mare negli anni ’60, e perfezionò la determinazione del contenuto totale di carbonio e dell’alcalinità nell’acqua di mare come necessario per risolvere i cambiamenti a lungo termine.

La visione di Keeling di osservare l’aumento di CO2 oceanica non ha avuto lo stesso livello di successo delle sue osservazioni atmosferiche, in gran parte perché la lenta miscelazione degli oceani richiede un programma di osservazione su una scala troppo grande per essere condotto da un singolo scienziato o laboratorio.

Keeling ha tuttavia esercitato forti pressioni per l’importanza di tale programma, che ha dato i suoi frutti nel recente Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS) e nel World Ocean Circulation Experiment (WOCE), l’esperimento mondiale sulla circolazione del carbonio.

Le rigorose tecniche di misurazione dell’acqua di mare di Keeling hanno costituito un punto di riferimento per la convalida di questi programmi più estesi. Keeling è stato anche un pioniere nella creazione di misurazioni di serie temporali oceaniche, conducendo il più lungo programma in corso dei parametri del carbonio oceanico vicino ad un sito delle Bermuda – misurazioni che successivamente hanno ispirato le più estese serie temporali JGOFS iniziate circa un decennio dopo vicino alle Hawaii e alle Bermuda.

Oltre a effettuare misurazioni nel corso della sua carriera, Keeling ha anche partecipato a importanti progressi nella modellazione del ciclo globale del carbonio.

Il primo studio di questo tipo ha comportato una collaborazione con Bert Bolin, che ha portato alla realizzazione di un classico lavoro sulla miscelazione atmosferica basato sui modelli delle variazioni dell’anidride carbonica atmosferica.

In una serie di articoli dei primi anni ’70 con i colleghi, Keeling ha avanzato la modellazione del ciclo globale del carbonio, essendo questi studi i primi a sfruttare la frazione atmosferica osservata per valutare l’assorbimento del carbonio terrestre e oceanico.

In questi documenti ha anche rotto un terreno importante nella modellazione della risposta della vegetazione all’anidride carbonica con l’introduzione del cosiddetto “fattore beta”, un approccio ancora in uso.

In una serie di articoli del 1989, Keeling e i suoi collaboratori hanno mostrato come i flussi di anidride carbonica possano essere dedotti utilizzando le osservazioni atmosferiche combinate con i modelli di trasporto atmosferico.

Questi lavori furono i primi a sottolineare l’importanza del gradiente interemisferico nord-sud dell’anidride carbonica come vincolo globale alla distribuzione regionale delle fonti di CO2 e dei pozzi di assorbimento e i primi a sottolineare l’esistenza di un flusso naturale di anidride carbonica attraverso gli oceani dall’emisfero nord all’emisfero sud.

Queste caratteristiche sono al centro di continue controversie sull’entità dei pozzi di assorbimento del carbonio dell’emisfero nord.

Antonio Bernabei

Antonio Bernabei

Laureato in Giurisprudenza, si specializza in Knowledge management nel campo dell'economia e dell'informazione. Sta sviluppando un modello di analisi nel campo dell' Io Digitale per la gestione, raccolta ed utilizzo dei dati come patrimonio individuale. Si occupa di raccogliere dati sull'informazione scientifica legata al mondo dell'alimentazione biologica e cambiamento climatico.



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