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Il ciclo del carbonio: cos'è e perché è importante.

 

 

 

Il biossido di carbonio atmosferico (CO2) è aumentato notevolmente negli ultimi anni. A luglio 2017, la media mondiale di CO2 era di 406 ppm. Il metano (CH4) è aumentato da un'abbondanza preindustriale di circa 700 parti per miliardo (ppb) di aria secca a oltre 1.850 ppb a partire dal 2017, con un aumento di oltre il 160%.

 Il ciclo del carbonio: cos'è e perché è importante. In questa sessione si esamina lo stato attuale, le tendenze e le potenziali direzioni future del bilancio del carbonio.

 

 

Il ruolo del carbonio nel sistema terrestre

Il carbonio è un componente essenziale del sistema terrestre

Il carbonio è un componente essenziale del sistema terrestre. È fondamentale per l'esistenza della vita sulla Terra a causa della sua capacità di combinarsi con altri elementi importanti, come ossigeno, azoto e fosforo, e con l'idrogeno per formare le molecole organiche che sono essenziali per il metabolismo cellulare. Il carbonio atmosferico sotto forma di anidride carbonica (CO2) e metano (CH4) aiuta a regolare il clima terrestre "intrappolando" il calore nell'atmosfera. Questo intrappolamento di energia è noto come effetto serra e CO2 e CH4, insieme ad altri gas serra (GHG) come il vapore acqueo e il protossido di azoto (N2O), mantengono il clima della Terra in un intervallo abitabile.

Il carbonio riveste anche un'importanza socioeconomica significativa poiché la combustione di combustibili fossili a base di carbonio è attualmente il mezzo globale dominante per la produzione di energia. La produzione e il consumo di carbone, petrolio e gas naturale rilasciano CO2, CH4 e altri gas nell'atmosfera.

Nel 2011, il forzante antropogenico radiativo globale totale (cioè causato dall'uomo) rispetto all'anno 1750 era di 2,8 W/m2. A partire dal 2017, le osservazioni atmosferiche di importanti specie in tracce radiativamente attive (CO2, CH4, N2O, CFC-11, CFC-12 e 15 gas alogenati minori) suggeriscono che il forzante radiativo antropogenico è aumentato a 3,1 W/m2, un ulteriore 11%. La temperatura globale nel 2016 rispetto alla media tra il 1880 e il 1920 è maggiore di 1,25°C in risposta a questo aumento del forzante radiativo.

 

 

 

Forze radiative (relative al 1750) a causa dei principali gas a effetto serra (GHG).  I calcoli di forzatura radiativa si basano su misurazioni di GHG nell'aria intrappolata nella neve e nel ghiaccio in Antartide e Groenlandia prima del 1980 circa e misurazioni atmosferiche prese da allora.

 

 

Il sistema climatico sta cambiando in risposta all'aumento del forzante radiativo modificando la quantità, la distribuzione e la tempistica delle precipitazioni, con eventi idrologici estremi sempre più frequenti, intensi e diffusi.

 

Questi cambiamenti possono avere effetti significativi sulla produzione alimentare globale. Ad esempio, le regioni attualmente produttive potrebbero non essere in grado di sostenere l'agricoltura in futuro, soprattutto se la disponibilità di acqua diventa limitata. Lo stress da calore può anche influire in modo significativo sull'agricoltura, specialmente alle latitudini tropicali e subtropicali ma anche a medie latitudine.

 

Anche se l’anidride carbonica può comportare un aumento della produttività delle piante terrestri (vale a dire la "fertilizzazione con CO2"), si prevede che gli impatti negativi dei cambiamenti climatici sull'agricoltura prevaleranno.

 

 


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Nota 1.

 

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. Esso è indice del peso di un fattore nel meccanismo dei mutamenti climatici. Un forzante positivo è associato ad un riscaldamento della superficie terrestre, mentre un forzante negativo è associato ad un raffreddamento. È generalmente espresso in W/m2.

 

 

 

 

Il ciclo naturale del carbonio

Nel Sistema Terra, il carbonio è immagazzinato nelle rocce (come carbonati), nei sedimenti, nell'oceano e nelle acque dolci, nei suoli e nella biomassa terrestre e nell'atmosfera. Di gran lunga il più grande serbatoio di carbonio è l'acqua profonda dell'oceano, che si ritiene contenga circa l'80% del carbonio del Sistema Terra (esclusa la roccia). Si ritiene che i sedimenti oceanici contengano il 4%. Le acque superficiali oceaniche e l'atmosfera detengono ciascuna circa il 2% dei serbatoi di carbonio del sistema terrestre. Si ritiene che le riserve di petrolio, gas e carbone contribuiscano per un altro 3%. I suoli e il permafrost contengono rispettivamente il 5% e il 4% del carbonio globale, mentre il carbonio immagazzinato nella vegetazione aggiunge circa l'1%.

Il ciclo globale del carbonio comprende tutti i processi meccanici, chimici e biologici che trasferiscono il carbonio da un serbatoio all’altro. Alcuni di questi flussi di carbonio sono sensibili al clima e le loro conseguenti risposte al clima sono noti come "feedback sul ciclo del carbonio e sul clima".

Un feedback positivo può verificarsi quando i flussi di carbonio nell'atmosfera aumentano a causa, ad esempio, dell'aumento delle temperature. Una maggiore quantità di carbonio nell'atmosfera porta a un ulteriore riscaldamento del clima, probabilmente aumentando ulteriormente i flussi di carbonio nell'atmosfera.

 

 

L’anidride carbonica

Il ciclo globale del carbonio comprende un ciclo rapido del carbonio, con scambi relativamente rapidi tra oceano, biosfera terrestre e atmosfera e un ciclo lento del carbonio, che coinvolge scambi con serbatoi geologici come suoli profondi, oceano più profondo e rocce.

 

Lo scambio di carbonio tra l'atmosfera e la biosfera terrestre avviene tramite fotosintesi e respirazione. Il carbonio viene rimosso dall'atmosfera mediante fotosintesi e fissato dalle foglie, radici, steli e dalla biomassa legnosa. Viene restituito all'atmosfera attraverso la respirazione autotrofica (pianta) e la respirazione eterotrofica (microbica) dei rifiuti vegetali e del carbonio del suolo.

Gli incendi e altri disturbi come le epidemie di insetti e la raccolta del legname possono essere considerati processi accelerati di respirazione e la quantità che entra in atmosfera da questi processi varia di anno in anno.

Lo scambio di gas tra l'atmosfera e l'oceano dipende dalla differenza tra la pressione parziale della CO2 nelle acque superficiali e quella della CO2 nell'atmosfera (ΔpCO2). L'anidride carbonica si dissolve nell'acqua dell'oceano per formare acido carbonico (H2CO3), che quindi forma bicarbonato (HCO3) e carbonato (CO32–). Queste reazioni accoppiate tamponano chimicamente l'acqua dell'oceano, regolando così la pressione pCO2 e il pH dell'oceano.

Poiché il pCO2 può variare spazialmente. Nelle regioni in cui vi è un aumento delle acque ricche di nutrienti e dove le acque oceaniche sono calde, il carbonio viene de-assorbito. Nel Nord Atlantico, dove l'acqua è fredda prevale l’assorbimento dell’anidride carbonica dall’atmosfera.

L'oceano meridionale (latitudini a sud di 44°S), anch’esso freddo, è un'altra area in cui viene assorbito il carbonio.

Il ciclo lento del carbonio opera su scale temporali di decine di millenni o più. I flussi nell'atmosfera dovuti al vulcanismo, la rimozione di CO2 dall'atmosfera causata da agenti chimici o la formazione di sedimenti oceanici sono tutti processi molto lenti per un fattore di 10 volte inferiore rispetto ai flussi dovuti al ciclo rapido del carbonio.

 

Le carote di ghiaccio sono i migliori archivi del clima del passato in quanto contengono le bolle di aria che risalgono al momento della loro formazione e con esse informazioni climatico/ambientali sulla temperatura, gli aerosol, l’attività solare, le eruzioni vulcaniche. 

Il ghiaccio è in grado di intrappolare al suo interno porzioni di atmosfera. Pertanto, analizzando l'aria rimasta intrappolata nelle carote di ghiaccio, è possibile ricostruire lo stato dell'atmosfera presente nel momento in cui è rimasta inglobata nel ghiaccio stesso. In realtà, c'è una piccola incertezza, e si riferisce al fatto che, dal momento in cui avviene la precipitazione nevosa al momento in cui il ghiaccio sigilla l'atmosfera al suo interno, possono passare diversi anni (fino ad un centinaio).

Le analisi suggeriscono che durante i periodi glaciali la CO2 atmosferica era presente a circa 180-200 ppm. Durante i periodi interglaciali, l'abbondanza di CO2 nell'atmosfera era maggiore, tra 270 e 290 ppm.

Gli attuali livelli atmosferici di 400 ppm sono ben maggiori rispetto agli ultimi 800.000 anni prima del presente. Le analisi fatte su antichi sedimenti del lago artico suggeriscono che circa 3,5 milioni di anni fa, le temperature estive dell'Artico erano circa 8°C più calde di oggi con livelli di CO2 atmosferici intorno a 400 ppm. Questi dati suggeriscono che l'attuale artico non è ancora in equilibrio con le concentrazioni di gas serra in rapido aumento e potrebbe diventare molto più caldo in un prossimo futuro.

 

 

Il metano

Il 40% delle emissioni annuali di metano provengono da fonti naturali. Esse provengono da zone umide, definite come regioni permanentemente o stagionalmente bagnate. Le zone umide naturali comprendono paludi, paludi ad alta latitudine, paludi tropicali e zone umide temperate.

I terreni saturi in ambienti tropicali tendono a produrre la maggiore quantità di CH4. Tuttavia, il riscaldamento delle temperature dell'Artico solleva preoccupazioni per l'aumento delle emissioni da zone umide ad alta latitudine e la futura decomposizione del carbonio attualmente immagazzinato nei suoli artici congelati.

Attualmente, si ritiene che solo il 4% delle emissioni globali siano emesse dalle alte latitudini settentrionali in quanto le emissioni dipendono anche dalla temperatura, dalle precipitazioni e quindi dai cicli stagionali, specialmente alle alte latitudini.

Piccole quantità di CH4 vengono emesse dagli incendi, dall'oceano e dalla fermentazione enterica degli animali selvatici. Inoltre, ci possono essere emissioni provenienti da varie fonti geologiche quali, ad esempio, vulcani di fango e sistemi geotermici.

Il metano presente nell’atmosfera ha una durata di circa 9-10 anni in quanto  reagisce  con il radicale idrossile (OH)

Il CH4 è un gas serra molto più potente della CO2 in quanto è circa 25 volte più efficace nell'intrappolare il calore rispetto alla CO2. 

Il CH4 atmosferico è aumentato rapidamente negli anni '80 e nei primi anni '90 prima che la sua crescita si stabilizzasse tra la metà degli anni '90 e l'inizio degli anni 2000. Il metano ha ripreso il suo aumento nel 2006 e le osservazioni mostrano che questa crescita è addirittura accelerata dal 2014.

 

Il tasso di crescita atmosferica del CH4 è stato oggetto di molti dibattiti, mettendo in discussione il motivo per cui il tasso di crescita è rallentato per un decennio a partire dagli anni 90. Diversi studi hanno suggerito che questo rallentamento era dovuto alla riduzione delle emissioni derivanti dalla produzione di combustibili fossili o dalla riduzione delle emissioni da fonti microbiche antropogeniche, come l'agricoltura del riso. Anche la causa del recente aumento della crescita del CH4 è stata molto dibattuta. Sulla base delle osservazioni globali dell'isotopo CH4, 13CH4, la crescita globale in metano sembra essere stata dominata da fonti microbiche nei tropici (zone umide o agricoltura e rifiuti).

Le conoscenze attuali non permettono di dire con certezza quale sia la causa di questo nuovo aumento dl metano atmosferico. Se il recente aumento della CH4 nell'atmosfera globale è effettivamente dovuto all'aumento delle emissioni microbiche, allora è importante capire se le fonti sono di origine naturale oppure antropica, come il bestiame.

Se l'aumento è dovuto alle emissioni provenienti dalle zone umide, in particolare dai tropici, ciò implica la possibilità che il cambiamento climatico potrebbe influire sulle emissioni naturali.

 

U.S. Global Change Research Program, Second State of the Carbon Cycle Report (SOCCR2), 2018

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