CO2 SUOLI - Paolo Bartolomei CATTURA NEI SUOLI - WARBO
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CO2 SUOLI CATTURA NEI SUOLI Paolo Bartolomei Laboratorio Tracciabilità
Incremento CO2 in atmosfera
Laboratorio Tracciabilità
Serbatoi di carbonio
MRT=6Yr
MRT=5Yr
MRT=400Yr
MRT=25Yr
1 PgC = 1×1015g = 3.67 GtCO2
R. Lal, Phil. Trans. R. Soc. B 2008
LAND USE ED EMISSIONI
estimates of the net annual emissions of carbon from land use and land-cover change
R. A. Houghton et Al., Biogeosciences, 9, 5125–5142, 2012
Capacità del suolo come carbon sink
Serbatoio totale SOC a -2m prof. = 2500 Pg
Aumento del 10% al 2100 = 250 Pg
1 Pg = 0.47 ppm
miglioramento = 117 ppm
Lal, 2004
NUOVA POLICY (16 anni dopo Kyoto)
DECISIONE N. 529/2013/UE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO
del 21 maggio 2013
sulle norme di contabilizzazione relative alle emissioni e agli assorbimenti di gas a
effetto serra risultanti da attività di uso del suolo, cambiamento di uso del suolo e
silvicoltura e sulle informazioni relative alle azioni connesse a tali attività
Articolo 1
Oggetto e ambito di applicazione
La presente decisione fissa le norme di contabilizzazione applicabili alle emissioni e agli
assorbimenti di gas a effetto serra risultanti da attività di uso del suolo, cambiamento di
uso del suolo e silvicoltura («LULUCF») come primo passo verso l'inclusione di tali
attività nell'impegno di riduzione delle emissioni dell'Unione, ove opportuno.
CONTABILITà DELLE EMISSIONI-ASSORBIMENTI
Articolo 3
Obbligo di predisporre e mantenere una contabilizzazione LULUCF
1. Per ciascun periodo di contabilizzazione … seguenti categorie:
a) imboschimento;
b) rimboschimento;
c) disboscamento;
d) gestione delle foreste.
2. Per il periodo di contabilizzazione che inizia il 1° gennaio 2021 e i successivi,
… seguenti categorie:
a) gestione delle terre coltivate;
b) gestione dei pascoli.
radiocarbonio
8
Bologna 10-10-2012
Ogni anno vengono prodotti in questo modo 7.5 Kg di 14C
che si diffondono omogeneamente nell’atmosfera.
Questo isotopo decade con l’emissione di una particella b di
bassa energia (max 154 KeV) secondo lo schema
14C = 14N + b-
Il tempo di dimezzamento accettato attualmente è di 5730 ±
40 anni che corrisponde ad una vita media di 8290 anni. In
termini approssimati la velocità di disintegrazione è
dell’1 % in 83 anni.
Si crea una situazione di equilibrio tra il radiocarbonio
prodotto dai raggi cosmici e quello perso a causa del
decadimento radioattivo che, per un tasso di produzione di
7.5 Kg/anno corrisponde a 62 tonnellate (concentrazione
circa 10-12) che si distribuiscono nei serbatoi naturali.
9
Bologna 10-10-2012
10
DEFINIZIONI RADIOCARBONIO
14 14
14
a=
eff - misurata Asample
=
Asample 14 0
ARN = 0, 9514 AOX1N
0
=13, 56 ± 0, 007 dpm
14
eff - misurata Aref
14
Aref
gC
æ 2 (d 13C + 25) ö æ 2 (d13C +19) ö
ASN = AS ç1- ÷ AON = 0, 9514 AOx1N = 0, 9514 AOx1 ç1- ÷
S HOx1
ç 1000 ÷ ç 1000 ÷
è ø è ø
ASN
t = -8033lg basato su T1/2=5580
AON
ASN ASN
pMC = 100 = l ( y-1950)
100 l=1/8267y-1 basato su T1/2=5730
AABS AAON eTest nucleari
I test nucleari danno il secondo contributo (dopo i raggi cosmici) alla
concentrazione di 14C in atmosfera
Ogni megaton del totale dell'energia nucleare (fissione + fusione) produce (2
± 1) 1026 atomi di 14C se esplode nella libera atmosfera e la metà del
valore se esplode in superficie (Machta, L., et al,. 1964)
Alla fine del 1962, sono stati effettuati test per un totale di 511 megatoni
(406 megatoni nella libera atmosfera e 105 megatoni alla superficie
terrestre) (federale, 1962).
La produzione calcolata per i test è quindi 91.7x1027 atomi di 14C o 9.51x106
Ci (3,5x1017 Bq)
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Bologna 10-10-2012SITI DEI TESTS TERMONUCLEARI ATMOSFERICI
NOVAYA ZEMLIA
Barents Sea
1953-62, 220 Mt
LOP NOR
Sinkiang Desert
1967-80, 7 Mt
BIKINI
ENIWETOK
CHRISTMAS Is.
1957-58, 15 Mt Marschall Is.
1952-62, 85 Mt
FANGATAUFA
MUROROA
Tuamotu Is.
1968-70, 2 MtRadiocarbonio prodotto dai test nucleari negli ultimi 50 anni
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Bologna 10-10-2012time series of atmospheric D14CO2 measured at Wellington, New Zealand from 1954 to 2005.
16 Bologna 10-10-2012
DEFINIZIONI Turnover time ( ) è il tempo necessario per una la SOC di decomporsi completamente se non vi è alcun ulteriore ingresso. Il tempo medio necessario per rinnovare completamente la SOC in un serbatoio è misurato da MRT, che è uguale a allo stato stazionario (Six e Jastrow 2002. Torn et al 2009). La MRT varia da pochi mesi a millenni (Jenkinson e Rayner 1977; Coleman e Jenkinson 1996; Parton 1996).
Dinamica del radiocarbonio nei suoli
Il radiocarbonio fornisce informazioni sullo scambio C tra
ecosistema terrestre e l'atmosfera: da la misura diretta del
tempo trascorso dal momento in cui viene fissato
dall'atmosfera come materia organica, integrando diversi
fattori (modalità di conferimento del C al sistema suolo, la
natura e le capacità della comunità microbica del suolo, i
tipi di meccanismi di stabilizzazione che operano nel
terreno dato, i tassi relativi di processi di accumulazione o
di lisciviazione)Dinamica del radiocarbonio nei suoli
Approach:
Use bomb 14C as a tracer of
carbon cycling in complex
environments.
Or use natural level 14C to
date carbon in various pools.
Gaudinski et al., 2000Dinamica del radiocarbonio nei suoli
Dinamica del radiocarbonio nei suoli Il 14C viene utilizzato per quantificare processi associati al ciclo del C nel suolo in diversi modi: 1.Strumento di datazione per determinare l’età di un oggetto che non ha scambiato con l’ambiente circostante 2.Indicatore dell’origine ad esempio della CO2 derivante dai processi di respirazione del suolo 3.Indicatore della velocità di scambio del carbonio in comparti che sono continuamente in scambio con la CO2 atmosferica. La materia organica dei suoli rappresenta un sistema aperto nel quale il materiale viene continuamente apportato e rimosso. La datazione del 14C della sostanza organica prima del 1960 può essere utilizzata per stimare la velocità media di decomposizione.. 4.Tracciante per studiare i meccanismi di migrazione su scale temporali di qualche
Dinamica del radiocarbonio nei suoli
Modello utilizzato per il calcolo delle variazioni di radiocarbonio in SOM (materia organica nel suolo)dovute
All’incorporazione del radiocarbonio da bombe. IL, IR sono tassi di ingresso inferiore e superiore.
IW e IS sono i tassi di ingresso da sottoprodotti microbici (M) a serbatoi di materia organica
OM debolmente (W) e fortemente (S) stabilizzati.
Tassi di decomposizione sono assunti, con decadimento costante di primo ordine kS e kW
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Bologna 10-10-2012Dinamica del radiocarbonio nei suoli
(b) L'evoluzione dell’ingresso del 14C nel suolo (M, W, S) per le piante annuali
(c) L'evoluzione dell’ingresso di 14C nel suolo quando metà del carbonio viene aggiunta
annualmente e metà risiede nella pianta per 10 anni prima di essere aggiunto al suolo.
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Bologna 10-10-2012CALCOLO DEL MRT
Metodologia per separazione
fisica di aggregati (Rabbi et al., 2013)
• Essicazione e frantumazione
• Dissoluzione in acqua distillata (uso di agitatore magnetico
• Setacciatura a umido con setacci di 2000, 1000, 500, 250, 125 e
53 micron.
• Essicazione delle diverse frazioni
• Ricombinazione degli aggregati per formare due frazioni:
250-2000 micron (macroaggregati)
e 53-250 micron (microaggregati)CALCOLO DEL MRT Metodologia per separazione fisica di aggregati (Rabbi, 2013) l'obiettivo della separazione fisica degli aggregati in macro e microaggregati è isolare i serbatoi SOC con differenti valori di MRT Nei microaggregati si ritiene che la SOC sia inaccessibile ai microbi ed enzimi (von Lutzow et al. 2006). L’adsorbimento di SOC su particelle di argilla e la complessazione con metalli contribuisce alla stabilizzazione di SOC in microaggregati (Kaiser e Guggenberger 2003;Kögel-Knabner et al. 2008). È stato stimato che la SOC può essere protetta in microaggregati per 10-100 anni e in alcuni casi> 100 yr (von Lutzow et al. 2006).
CALCOLO DEL MRT
Modello (Hsieh,1993): assume che la decomposizione SOC
segua una legge cinetica di primo ordine e che non vi sia alcun ritardo
tra la fissazione del C e l’incorporazione nel suolo:
Aagg = attività del 14C dell’aggregato in pMC
Ai = attività del 14C in atmosfera in pMC
Per una soluzione stabile per Aagg, il periodo di simulazione (y-b)
dovrebbe essere di circa 3 volte la lunghezza del MRTagg atteso di SOCPOLICY 20-20-20 Vantaggi del metodo: 1.Applicabilità generale 2.Affidabilità e possibilità di quantificazioni abbastanza precise 3.Possibilità di valutazioni retrospettive Quindi il 14C è idoneo come strumento di policy per la quantificazione delle emissioni- assorbimento della CO2 dai suoni come previsto dalla nuova normativa comunitaria 529/2013/UE
POLICY 20-20-20
Precedente: la norma ASTM 6866 sulla certificazione dei prodotti
“biobased” prevede l’uso del radiocarbonio per quantificare la quantità di
carbonio rinnovabile (bio) presente nei diversi prodotti (bioplastiche,
biocombustibili, cosmetici, ecc)
Una particolare applicazione della norma è
La verifica della quota di combustibile rinnovabile
Utilizzata negli impianti a combustibili misti e
Nei termovalorizzatori
L’ASTM D6866 è raccomandato e talvolta persino imposto come metodo per la
quantificazione della CO2 biogenica in vari regolamenti e protocolli compresi US EPA, EU-
ETS (Sistema europeo di Scambio delle Emissioni), AB32 della California, Western Climate
Initiative, Climate Registry e il Meccanismo di Sviluppo pulito dell’ONU.IL RADIOCARBONIO Nonostante i grandi vantaggi il 14C è uso strumenti che attualmente è ancora sottoutilizzato per i seguenti motivi 1.Culturale. Le possibilità della tecnica sono tutt’ora largamente ignorate 2.Costi delle misure (tra 300 e 1000 euro/misura) 3.Complessità delle misure. Il 14C viene misurato solo in laboratori specializzati 4.Chiusura della comunità. La prima norma ASTM è la 6866 del 2004 e tutt’ora non esistono meccanismi di accreditamento di laboratori radiocarbonio
IL LABORATORIO – METODO AMS
Laboratorio TracciabilitàIL LABORATORIO - METODO TRADIZIONALE
COMBUSTIONE
CARBURO DI LITIO
ACETILENE
BENZENE
Laboratorio TracciabilitàIL LABORATORIO – METODO SEMPLIFICATO
COMBUSTIONE
ASSORBIMENTO
DIRETTO SU
AMMINE
CO2 COCKTAIL
Laboratorio TracciabilitàIL LABORATORIO – METODO SEMPLIFICATO
• Realizzato nell’ambito del progetto CARBONCHECK
• Discriminazione componente fossile/biogenica
(emissioni, biocombustibili, biomateriali..)
• Presentazione in congressi e riviste internazionali
• Tecnica semplice, veloce, sicura, economica
• Possibilità di utilizzo in lab non specializzati ed in situ
• Limiti in termini di sensibilità e Minima Attività
Rilevabile
• Valutazione dell’applicabilità al caso specifico
Laboratorio TracciabilitàIL LABORATORIO – METODO SEMPLIFICATO
POSSIBILITA’ DI
MIGLIORAMENTO/SUPERAMENTO
DEI LIMITI
•Utilizzo di altre ammine con
maggior capacità di carico della CO2
•Utilizzo di altri composti in grado di
intrappolare la CO2: LIQUIDI IONICI
TASK SPECIFIC (gruppo amminico)
•Ricerca di altri possibili materiali
innovativi
Laboratorio TracciabilitàEROSIONE DEI SUOLI I modelli attualmente utilizzati per il calcolo di erosione sono: a) modelli di erosione empirici (USLE, RUSLE, MUSLE). Da pochi dati di input ed un modello strutturalmente abbastanza semplice, l'output non può che risultare una stima abbastanza grossolana, spesso aggregata a scala temporale, come la perdita di suolo annuo. b) modelli concettuali (AGNPS, EROSET), caratterizzati dalla rappresentazione di un bacino attraverso serbatoi interni. I parametri sono solitamente ottenuti per calibrazione sui dati osservati, solitamente in chiusura di bacino. Possibilità di validazione limitate e difficoltosa identificabilità fisica dei valori dei parametri. Rappresentano un buon compromesso tra i modelli empirici e quelli fisicamente basati. c) modelli fisicamente basati (WEPP, EUROSEM, SWAT). Modellazione del processo fisico modellato (equazioni per il trasporto di sedimento, di nutrienti basate sulla conservazione della massa). Necessità di numerosi dati di input e la necessità di una taratura di questi sull'osservato, rende molto alta l'incertezza su questi dati, che si riflette sull'output finale. d) modelli basati sugli isotopi radioattivi, caratterizzati dall'uso di radionuclidi ambientali come marcatori del suolo.
EROSIONE DEI SUOLI La tecnica maggiormente sviluppata prevede l'uso del 137Cs, un radionuclide artificiale con un tempo di dimezzamento di 30.2 anni, prodotto nella fissione nucleare e immesso nell'atmosfera in seguito ai test nucleari. La distribuzione globale del 137Cs nell’ambiente è cominciata con gli esperimenti atomici atmosferici negli anni ’50 ed è continuata, in misura minore, fino agli anni ’80. Il 137Cs ed altri radionuclidi vennero rilasciati nella stratosfera, dove si distribuirono globalmente, e poi tornarono nella troposfera e sulla superficie terrestre come fallout. L’importanza della deposizione dipese dalla concentrazione atmosferica e dalle precipitazioni (Ritchie e Ritchie, 1995). Il 137Cs è di gran lunga il più diffuso radionuclide nelle ricerche di erosione dei suoli e di sedimentazione in virtù del suo forte adsorbimento sulle particelle di suolo fini, del suo relativamente lungo tempo di dimezzamento e del ben definito modo di deposizione.
EROSIONE DEI SUOLI Misure di contenuto in Cesio nel suolo: prelievo, di carote di suolo di ampio diametro sino a profondità di alcune decine di centimetri dalla superficie Walling e Quine (1993). I campioni vengono prelevati ad intervalli regolari di profondità oppure il sedimento totale di un sondaggio viene miscelato ed “omogeneizzato” per una unica determinazione. Nel primo caso la determinazione produce un “profilo”, nel secondo caso un “valore totale”. I campioni vengono essiccati, frantumati e setacciati prima di essere analizzati in spettrometria gamma attraverso un rivelatore al germanio. La valutazione della redistribuzione del 137Cs è comunemente basata sul confronto tra l’attività misurata per unità di area nel punto di prelievo e la stima dell’attività rappresentativa della ricaduta totale atmosferica sulla zona, tenendo in conto il comportamento diverso dei suoli coltivati e non coltivati. Poiché la misura diretta delle ricadute atmosferiche è raramente disponibile, la ricaduta totale, valore di riferimento, viene di solito stabilita attraverso la misura dell’attività in un sito vicino indisturbato, supposto non soggetto ad erosione né ad accumulo, in genere a prato permanente. .
EROSIONE DEI SUOLI Quando l’attività misurata nel sito studiato è minore di quella di riferimento si può ipotizzare una perdita di 137Cs e quindi di suolo; allo stesso modo un’attività superiore a quella di riferimento indica un aumento della quantità di suolo per sedimentazione. Per ottenere una valutazione quantitativa del tasso di erosione e di sedimentazione a partire dalla misura del 137Cs è necessario stabilire una relazione fra la deviazione dal riferimento e la quantità di suolo eroso o accumulato. Poiché si dispone raramente di relazioni empiriche, si usano relazioni teoriche o modelli per scrivere queste relazioni. Una discussione critica su questi modelli è stata fatta da Walling e Quine (1990)
EROSIONE DEI SUOLI Porto,2001
PROPOSTA DI MONITORAGGIO
CONCLUSIONE
Importanza delle TECNICHE ISOTOPICHE nelle POLICY
GRAZIE
paolo.bartolomei@enea.it
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