Ciclo idrologico e cambiamenti climatici
di Fabio Catino*
Il ciclo idrologico, o ciclo dell'acqua, costituisce l'insieme dei processi che regolano la continua circolazione dell'acqua attraverso tutte le componenti del sistema integrato Terra: idrosfera, atmosfera, litosfera e biosfera. Costantemente alimentato dall'energia che la Terra riceve dal Sole, il passaggio dell'acqua dagli oceani all'atmosfera - per poi raggiungere le terre emerse, gli esseri viventi e quindi tornare al mare - si compie attraverso cambiamenti di stato fisico dell'acqua. In questo perpetuo movimento, l'acqua svolge funzioni di assoluta rilevanza per la regolazione del clima e per il sostentamento della vita.
Il ciclo idrologico
Il motore del ciclo idrologico è l'energia solare che riscalda l'acqua superficiale degli oceani causandone l'evaporazione. Gran parte della superficie terrestre è occupata dalle masse oceaniche, interessate dal fenomeno in modo particolarmente intenso nelle regioni calde tropicali. L'evaporazione delle acque oceaniche produce ingenti quantità di vapore (circa 4,53105 km3 l'anno), che si raccolgono nell'atmosfera e sono trasportate dai venti. L'atmosfera può contenere quantità limitate di vapore, variabili con la temperatura secondo un rapporto di proporzionalità inversa. Saturando l'atmosfera, il vapore si condensa, si formano le nuvole e si verificano le precipitazioni liquide o solide che ridistribuiscono le acque: delle acque evaporate dagli oceani annualmente, 4,093105 km3 precipitano direttamente in mare e 4,63104 km3 di acqua dolce raggiungono le terre emerse. Quest'ultima quantità è importante in quanto rappresenta il surplus idrico allo stato liquido (o solido) delle aree continentali rispetto alla massa di acqua che anche da queste si disperde in atmosfera per evapotraspirazione (evaporazione diretta e traspirazione vegetale, pari a circa 6,23104 km3 annui). Dalla superficie emersa, le acque tendono a chiudere il loro ciclo ritornando negli oceani e nei mari. Il deflusso avviene secondo due percorsi radicalmente diversi, sia per le modalità di scorrimento sia per i tempi di attuazione. Parte di queste acque sono infatti rapidamente convogliate nel reticolo idrografico dei torrenti e dei fiumi, e attraverso un deflusso superficiale raggiungono la loro destinazione - il mare - in periodi di pochi giorni. Parte penetra invece nel terreno e si infiltra in profondità nelle rocce andando ad alimentare le falde idriche. Qui segue un deflusso profondo, molto più lento di quello superficiale, che si conclude quando l'acqua riaffiora attraverso le sorgenti.
Il bilancio idrologico
Oltre a compiersi con tempi differenti, le fasi del ciclo idrologico si realizzano anche con intensità che variano secondo le fasce climatiche. Il bilancio idrologico - cioè il rapporto tra precipitazioni (P), deflusso superficiale (D), infiltrazione (I) ed evaporazione-traspirazione (ET), espresso in termini analitici dalla relazione P=D I ET - si mantiene naturalmente in equilibrio nel valore medio annuale globale, potendo presentare variazioni di anno in anno, e può essere caratterizzato da forti squilibri in aree limitate della superficie terrestre. Nelle zone a clima desertico arido, per esempio, prevale ampiamente la fase dell'evaporazione e quindi scarseggiano le acque superficiali. Altro effetto esemplare del condizionamento climatico sul bilancio idrologico regionale è la distribuzione geografica del limite delle nevi persistenti (la quota oltre cui la quantità di neve che si scioglie nella stagione estiva è inferiore a quella formata in inverno), che si trova al livello del mare nella regione antartica, a circa 300 m in Groenlandia, tra 2.400 e 3.200 m sulle Alpi e a quote superiori ai 4.000 m nelle zone equatoriali (Kilimangiaro). Lo studio del bilancio idrologico è particolarmente utile applicato ad aree ancora più ristrette, per la valutazione delle risorse idriche locali.
Incidenza dei cambiamenti climatici sul ciclo idrologico
Il ciclo naturale dell'acqua comporta trasferimenti e conversioni di energia che costituiscono fondamentali elementi di regolazione del clima, con importanti e complesse dinamiche di retroazione (feedback) sull'equilibrio del sistema climatico. Il ruolo del vapore acqueo atmosferico, per esempio, è determinante per il mantenimento della temperatura media superficiale terrestre a valori che consentono la vita sul pianeta. Esso, infatti, assorbe la radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre che si comporta come corpo radiante investito dalla radiazione elettromagnetica solare. Il vapore d'acqua rappresenta, quindi, il principale gas serra atmosferico e causa circa il 60% del surplus termico di cui beneficia la biosfera (effetto serra naturale): circa 21 K dei 33 K costituenti l'eccedenza rispetto alla temperatura superficiale terrestre che si avrebbe in assenza di atmosfera.
Il riscaldamento antropico del pianeta (effetto serra indotto) può interferire con il ciclo idrico naturale, alterandolo con ricadute difficili da prevedere. L'umidità relativa media in atmosfera, che varia localmente nel tempo in relazione alle condizioni meteorologiche, è in natura costante alla scala planetaria (1% circa). Il riscaldamento globale, causato dall'immissione antropica in atmosfera di gas serra (prevalentemente CO2 e CH4), sta determinando e, in assenza di più decisi interventi mirati, continuerà a determinare un aumento dell'evaporazione delle acque continentali e degli oceani e, conseguentemente, un aumento dell'umidità atmosferica con relativo incremento di piogge, nevi e temporali. Inoltre, una maggiore presenza di vapore acqueo in atmosfera tenderà ad avere un duplice effetto sulla tendenza al riscaldamento: da un lato amplificherà retroattivamente questa dinamica attraverso l'ulteriore assorbimento della radiazione infrarossa, dall'altro produrrà un effetto attenuante per l'aumento dell'albedo (potere riflettente rispetto alla radiazione solare incidente). Mentre nel panorama scientifico internazionale non c'è uniformità di vedute riguardo agli effetti climatici dell'incremento del contenuto di vapore atmosferico, si considerano altamente probabili modificazioni in particolare dei cicli idrologici regionali in seguito al riscaldamento globale. Il paventato scioglimento dei ghiacci polari costituisce un altro importante elemento perturbativo dell'equilibrio idrologico globale, con consistenti retroazioni di carattere climatico.
Le variazioni del ciclo idrologico comportano problematiche di notevole rilevanza sociale - criticità nella disponibilità dell'acqua (periodi siccitosi, intrusioni saline negli acquiferi costieri) per tutti gli usi civili; aumento dei fenomeni meteorologici estremi (uragani, piene, alluvioni) - e sono considerevoli gli sforzi della ricerca scientifica per approfondirne la conoscenza nei meccanismi fisici di base. Questa prospettiva anima l'attività di vari progetti internazionali, per es. il GEWEX (Global Energy and Water Cycle Experiment) nell'ambito del WCRP (World Climate Research Project). Particolare attenzione è rivolta allo studio del ruolo di nubi, precipitazioni e vapore acqueo nel condizionamento degli schemi di circolazione globale, evaporazione e precipitazione attraverso la ridistribuzione di sorgenti e pozzi di calore. Ne consegue la necessità di studiare in modo coordinato il ciclo dell'acqua su scale differenti (alveo fluviale, bacino, continente, globo). Il miglioramento dei sistemi di osservazione (sviluppo dei sensori per il telerilevamento da satellite) e delle tecniche per l'elaborazione di modelli previsionali contribuirà a definire un quadro più completo dei rischi di alterazione del ciclo idrologico indotti dalla tendenza al riscaldamento globale. Questo obiettivo scientifico è funzionale alla determinazione di corrette scelte politiche di contrasto al fenomeno.
*Energy editor di Erambiente Network per la comunicazione scientifica, laureato in Scienze geologiche e specializzato nella gestione delle fonti energetiche. Ha pubblicato diversi articoli di argomento scientifico e tecnico e collaborato con enti e aziende private per la redazione di documentazione tecnica.
Pubblicato il 23/2/2007
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