Ciclo del Carbonio e Surriscaldamento Globale - Cause ed Effetti

Sebbene in molti parlino di Effetto Serra e di Surriscaldamento Globale, solo in pochi conoscono realmente l'argomento che, tra l'altro, presenta ancora alcuni aspetti non completamente chiariti.

Nelle prossime righe vorrei fornire una descrizione semplice e lineare di come il Carbonio, nelle sue varie forme, influenzi il clima della nostra Terra.

PREMESSA

Il Carbonio (C) è un atomo formato da 6 protoni, 6 elettroni e, di norma, 6 neutroni. Esso può formare diversi tipi di legami chimici con altri atomi, formando così un numero molto elevato di molecole, ognuna delle quali ha specifiche caratteristiche chimico-fisiche.

Il Carbonio è l'elemento base della vita, infatti la sostanza organica di tutti i viventi contiene questo atomo, chimicamente legato ad altri atomi quali Ossigeno (O), Azoto (N) ed Idrogeno (H)

Quali Sono i Composti Principali del Carbonio ?

Fare un elenco di tutte le molecole che contengano un atomo di Carbonio sarebbe impossibile, qui mi limito a citare quelle più importanti a livello biologico, nonché quelle più utili per capire il Ciclo del Carbonio.

Anidride Carbonica (CO₂ ) : questa molecola è formata da 1 atomo di Carbonio legato a 2 atomi di Ossigeno. L'Anidride Carbonica è un Gas naturale, presente nella nostra atmosfera con una percentuale pari a circa 0,04 %. La CO₂ forma una sorta di "barriera" che intrappola il calore terrestre, limitandone la dispersione verso lo spazio; viene dunque facile intuire che un aumento della sua concentrazione provochi un surriscaldamento del nostro pianeta (il famoso Effetto Serra).

L'Anidride Carbonica viene prodotta dalla respirazione (si, anche noi produciamo CO₂) o dalla combustione di legno, petrolio, carbone etc.

Metano (CH₄ ) : molecola formata da 1 atomo di Carbonio legato a 4 atomi di Idrogeno. Presente in piccole quantità nell'atmosfera, causa in proporzione un Effetto Serra 30 volte maggiore rispetto alla CO₂ . Il Metano viene prodotto dalla degradazione di materia organica in ambiente anaerobico, ovvero privo di ossigeno (ad esempio sottoterra).

Petrolio : Con questo termine si intende una varietà enorme di composti, tutti contenenti atomi di carbonio legati ad atomi di idrogeno e formatisi in milioni d'anni partendo da composti organici (piante, animali etc.). La Benzina, ad esempio, è una miscela di esano (C₆ H₁₄) e ottano (C₈ H₁₈).

Glucosio (C₆ H₁₂ O₆ ) : E' lo zucchero base ed è formato da 6 atomi di Carbonio, 12 atomi di Idrogeno e 6 Atomi di Ossigeno. Il Glucosio è la principale fonte di energia per gli organismi che respirano; esso viene infatti "consumato/bruciato" in presenza di ossigeno, producendo energia, acqua ed anidride carbonica. Altri tipi di zucchero formano lo "scheletro" dei nostri Acidi Nucleici (DNA, RNA etc.).

Cellulosa : è un polisaccaride formato dall'unione di centinaia di molecole di Glucosio. Questo composto organico è prevalentemente di tipo vegetale. La parete delle cellule vegetali è infatti costituita da Cellulosa e se andassimo a far un'analisi chimica di un pezzo di legno scopriremmo che è in gran parte costituito da Cellulosa e dai suoi derivati.

Acido Carbonico (H₂ CO₃) : si forma nei mari e negli oceani, dalla reazione tra acqua ed anidride carbonica.

Carbonato di Calcio (CaCO₃) : questo è il sale derivante dall'Acido carbonico. E' solido, poco solubile in acqua ed è il maggior componente del calcare disciolto in acqua (la famosa "Durezza dell'Acqua"). Inoltre è utilizzato da molti animali marini (es. Molluschi e Coralli) per costruire scheletri e conchiglie. 

Com'è Distribuito il Carbonio sulla Terra ?

Iniziamo col dire che la quantità totale di Carbonio presente il giorno dopo la formazione della Terra è la stessa che abbiamo oggi. Nessuna reazione chimica porta alla formazione od alla distruzione di atomi di Carbonio, semplicemente sposta quelli atomi da una molecola ad un'altra.

Però, come abbiamo visto sopra, i derivati del Carbonio differiscono in quanto a proprietà chimico-fisiche e, dunque, hanno un diverso impatto sull'ambiente e sul clima.

Il Carbonio, un po' come tutti gli altri elementi, compie un ciclo ed è presente, sotto forma di  diversi composti, nell'Atmosfera (Aria), nella Litosfera (Suolo), nell'Idrosfera (Acqua) e nella Biosfera (Viventi).

La concentrazione atmosferica di CO₂ sulla Terra non è costante, basti pensare che prima della comparsa dei batteri fotosintetici (i primi viventi) la sua quantità era ben superiore a quella attuale; il susseguirsi delle diverse Ere geologiche fu infatti caratterizzato da enormi fluttuazioni di questo Gas.

La concentrazione di Anidride Carbonica nell'aria è strettamente correlata alla temperatura. Infatti, ad un picco di anidride carbonica è sempre corrisposto un picco delle temperature e viceversa.

Non a caso il pianeta Venere, con ben il 96% di CO₂, è in assoluto il più caldo del nostro Sistema Solare.

L'effetto più evidente di questo surriscaldamento è la diminuzione dei ghiacci che, riversando in mare milioni di tonnellate di acqua dolce, contribuisce all'innalzamento del livello degli oceani, minacciando di allagare vaste aree costiere; inoltre il ghiaccio riflette più luce dell'acqua (albedo), quindi si genera un effetto a catena, in cui più ghiaccio si scioglie, più calore viene assorbito.

"Ma quindi l'aumento della CO₂ è un fatto naturale ?"

Che la concentrazione di anidride carbonica segua un andamento ciclico è risaputo, il problema è che mai in nessun'altra epoca la variazione è stata (e continua ad esserlo) così repentina.

Fotosintesi e Respirazione :

Per poter comprendere il Ciclo del Carbonio è essenziale conoscere i meccanismi che governano la Fotosintesi e la Respirazione, le due principali reazioni degli esseri viventi.

La respirazione, compiuta dagli organismi eterotrofi (es. Animali), è un processo che, utilizzando Glucosio ed Ossigeno, produce Energia, Anidride Carbonica ed Acqua, come evidenziato nella seguente reazione (non bilanciata) :

 C₆ H₁₂ O₆        +        O₂                 ------>           Energia       +        CO₂       +         H₂ O

La fotosintesi, compiuta dagli organismi autotrofi (es. Piante), produce Glucosio ed Ossigeno, partendo dall'Energia solare, dall'Anidride Carbonica e dall'Acqua.

Energia solare       +        CO₂       +         H₂ O          ------>           C₆ H₁₂ O₆        +        O₂         
        

Osservando queste due reazioni possiamo trarre qualche conclusione :

• Fotosintesi e Respirazione sono reazioni opposte, ovvero una delle due consuma ciò che l'altra produce.

• La Respirazione richiede Glucosio (preso direttamente od indirettamente dalle Piante) ed Ossigeno (preso dall'aria o dall'acqua) e produce energia (che ci serve per vivere).

• La Fotosintesi non è una reazione spontanea e richiede una fonte di energia (quella del Sole) affinché avvenga.

• Durante la Fotosintesi il Carbonio "strappato" all'Anidride Carbonica (Gassosa) viene utilizzato per la produzione di Glucosio (Solido), mentre nella Respirazione succede l'opposto.

• Queste due reazioni trasferiscono del Carbonio dall'Atmosfera alla Biosfera e viceversa.

Ciclo del Carbonio sulla Terra :

Se l'aumento dell'Anidride Carbonica fosse semplicemente dato dal rapporto tra quella prodotta dalla Respirazione e consumata dalla Fotosintesi, all'equilibrio non dovrebbero esserci variazioni; tuttavia la cosa è un po' più complicata di quello che sembra.

Finché una pianta è in vita svolge la fotosintesi clorofilliana, preleva quindi CO₂, trasformandola in Glucosio, che a sua volta viene convertito in Cellulosa (una "catena" di Glucosi).

Il legno di una pianta, costituito in gran parte da Cellulosa, è dunque un enorme serbatoio di Carbonio solido, sottratto a quello atmosferico.

Supponiamo che la pianta muoia, bene ora tonnellate di legno giacciono nel sottobosco e pian piano batter, funghi ed altri organismi saprofiti se ne approfittano iniziando a decomporlo.

Durante questo processo, che avviene in presenza di ossigeno, il Carbonio "solido" del legno viene in gran parte riconvertito in Carbonio "volatile", ovvero Anidride Carbonica che si accumulerà nell'atmosfera.

Solo una piccola parte di legno viene convertito in humus, cioè quella parte di materia organica più difficilmente degradabile, che rimane nel suolo per un tempo più o meno lungo a seconda di vari fattori ambientali (temperatura, presenza di ossigeno etc.).

Tuttavia con il tempo anche l'humus viene usato come substrato e convertito in materia inorganica, rilasciando  CO₂.

Nel medio termine un legno bruciato od uno lasciato marcire all'aria aperta avranno più o meno le stesse conseguenze sull'aumento dell'Effetto Serra.

Quindi non stupitevi, una foresta all'equilibrio (cioè in cui nascono tanti alberi quanti ne muoiono) non è un buon mezzo per "rubare" Anidride Carbonica all'atmosfera, poiché al netto e sul medio-lungo termine non vi sarà accumulo di Carbonio nel suolo.

E' infatti noto che senza interventi esterni (es. concimazioni, deforestazione) la quantità totale di sostanza organica in un determinato bioma rimane costante nel tempo.
In altre parole il bilancio netto  (CO₂ consumata/CO₂ prodotta) di questa tipologia di foresta sarà vicino (se non uguale) allo zero.

Attenzione : il discorso appena fatto vale all'equilibrio, boschi a crescita attiva ed in espansione producono più Ossigeno (e meno Anidride Carbonica) di quanto ne consumino.

Visto fin qua non si capisce come l'uomo abbia incrementato i Gas serra, ma ci manca un pezzo.

Vi ho appena detto che un legno che marcisce restituisce all'atmosfera il carbonio che ha accumulato in vita, però non è sempre detto che un pezzo di legno segua il destino appena descritto.

Infatti i residui vegetali (legni, radici etc.), grazie ai vari moti terrestri, potrebbero esser inglobati nella Litosfera (sottoterra), in un ambiente privo di ossigeno e, nei milioni di anni successivi, trasformati in combustibili fossili (es. Petrolio, Metano etc.) ad opera di batteri anaerobi.

Questo è proprio ciò che è accaduto ed, approssimando, potremmo asserire che un pozzo di Petrolio altro non è che una foresta "confinata" sotto terra, in cui il legno, invece che marcire, si è trasformato in Petrolio. (N.B. la questione è più complessa, in alcuni casi la materia organica iniziale è rappresentata da Zooplancton o Fitoplancton e non dal legno degli Alberi, ma il concetto è analogo).

Il carbonio atmosferico (CO₂ ) prelevato da quelle piante tramite la Fotosintesi non è tornato presto libero nell'aria, poiché intrappolato nel sottosuolo per milioni di anni. In altre parole è stato tolto dall'atmosfera ed immagazzinato altrove a lungo termine.

L'Anidrite Carbonica è disciolta anche nell'acqua dei nostri mari ed oceani. Nel corso dei millenni molti organismi acquatici hanno imparato ad utilizzarla, insieme al Calcio (Ca), per costruire i propri gusci o scheletri, fatti prevalentemente di Carbonato di Calcio (CaCO₃).

Tra questi organismi non possiamo non menzionare i Coralli che, producendo Carbonato di Calcio, formano la Barriera Corallina; quest'ultima è infatti costituita da uno spesso strato calcareo ottenuto dagli "scheletri" dei coralli morti, su cui crescono nuovi coralli.

Una barriera corallina in continua crescita sequestra la CO₂ acquatica (a sua volta derivante da quella atmosferica) per la costruzione dello scheletro dei Coralli.

Molte barriere coralline furono seppellite nei fondali oceanici ed oggi intrappolano parte del Carbonio acquatico/atmosferico sotto forma di rocce calcaree.

Schematizzando potremmo riassumere dicendo che il Carbonio, nelle sue varie forme, si può dividere in due categorie :

• Carbonio disponibile nel breve termine : Anidride Carbonica nell'atmosfera e nei mari, humus nel suolo, biomassa (es. il legno, ma anche ogni altro essere vivente, uomo compreso), etc.

• Carbonio NON disponibile nel breve termine : è rappresentato da quel Carbonio prelevato dall'atmosfera ed immagazzinato a lungo termine nei vari sedimenti (Petrolio, Rocce Calcaree etc.) oppure immagazzinato nelle foreste, sia "all'equilibrio" che in crescita.

E Quindi Perché C'è l'Effetto Serra ?

Semplice, la diminuzione di CO₂ atmosferica è avvenuta in milioni di anni, poco per volta, lasciando all'ambiente il tempo per adattarsi.

Ora, da circa 200 anni, stiamo attingendo da quel serbatoio di Carbonio immagazzinato sottoterra (Combustibile Fossile) e, bruciandolo, stiamo liberando grandi quantità di Anidride Carbonica nell'atmosfera.

Tra pochi decenni tutto quel Carbonio contenuto nel Petrolio si sarà legato all'Ossigeno, volerà via e rientrerà a far parte del ciclo del Carbonio nel breve termine.

Supponete che ci siano voluti in media 10 milioni di anni per produrre il Petrolio e che esso venga consumato in 100 anni.

Facendo due semplici conti scoprirete che stiamo liberando CO₂ nell'atmosfera ad un ritmo circa 100.000 volte superiore rispetto a quello con cui fu catturata ed intrappolata.

Come se non bastasse stiamo "prelevando" anche dalla biosfera terrestre, un altro serbatoio naturale. La deforestazione incontrollata sta reimmettendo nell'atmosfera grandi quantità di Carbonio, prima confinate nel legno delle piante che le formavano.

Nella realtà dei fatti le cose son ben più complesse, sono coinvolte molte più molecole a base di Carbonio e vi è un continuo scambio tra diversi ambienti ed organismi; tuttavia, questo articolo cerca di riassumere i meccanismi base più elementari che, una volta appresi, permetteranno di approfondire l'argomento.