IL ciclo del carbonio è il processo attraverso il quale il carbonio viene scambiato tra la geosfera (all'interno della quale si considerano i sedimenti e i combustibili fossili), l'idrosfera (mari e oceani), la biosfera (comprese le acque dolci) e l'atmosfera della Terra.

Gli oceani del mondo svolgono un ruolo fondamentale nello scambio di anidride carbonica con l'atmosfera e costituiscono un importante serbatoio per la CO₂ atmosferica. È stato stimato che gli oceani assorbono un terzo del totale delle emissioni annuali di CO₂ di origine antropica. Questo scambio ha un grande impatto sull'acidificazione degli oceani terrestri, sulla produzione biologica e sulla distribuzione degli inquinanti.

Le concentrazioni globali di CO₂ nell’atmosfera sono aumentate da 320 ppm negli anni ’60 al valore attuale di 414 ppm a causa principalmente delle attività antropiche. Questo aumento, insieme ad altre alterazioni ambientali provocate dall’uomo, influenza il ciclo del carbonio.

L'anidride carbonica (CO₂) è un gas serra che cattura il calore dall'atmosfera, contribuendo a regolare il clima terrestre. Tuttavia, le emissioni di CO₂ prodotte dall'uomo hanno portato a un aumento della concentrazione di CO₂ nell'atmosfera, che sta provocando il riscaldamento globale.

L'influenza della CO₂ sul sistema terra si manifesta in diversi modi, tra cui riscaldamento globale, aumento del livello del mare, modifica dei modelli meteorologici, danni agli ecosistemi.

Che cos’è l’anidride carbonica?

Il diossido di carbonio (noto anche come anidride carbonica o biossido di carbonio; formula chimica CO₂) è un ossido acido la cui molecola è formata da un atomo di carbonio (simbolo: C) legato a due atomi di ossigeno (O).

L'anidride carbonica è un gas incolore, inodore e insapore, leggermente più pesante dell'aria. È un componente naturale dell'atmosfera terrestre, presente in concentrazioni che variano a seconda della stagione e della posizione geografica. E’ prodotta da diversi processi naturali, come la respirazione dei vegetali e degli animali, la decomposizione della materia organica e le eruzioni vulcaniche. È anche prodotta dall'uomo attraverso la combustione di combustibili fossili, come carbone, petrolio e gas naturale.

La CO₂ è un gas serra, il che significa che assorbe il calore nell'atmosfera, contribuendo a regolare il clima terrestre. Tuttavia, l'aumento delle emissioni di CO₂ prodotte dall'uomo sta portando a un aumento della concentrazione di CO₂ nell'atmosfera, che sta provocando il riscaldamento globale.

Di fondamentale importanza nei processi vitali di piante e animali, l’anidride carbonica è coinvolta nella fotosintesi (da cui ossigeno e vapore acqueo) e viene espulsa durante la respirazione, oltre a essere prodotta nella maggior parte delle combustioni. Prodotta anche dalle attività umane, è ritenuta il gas serra principale nell'atmosfera terrestre, sebbene esistano gas serra potenzialmente più pericolosi.

L’anidride carbonica come assorbe la luce?

L'anidride carbonica assorbe la luce attraverso vibrazioni delle sue molecole. La molecola di anidride carbonica è composta da un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno. I legami tra gli atomi di carbonio e ossigeno possono vibrare in diversi modi, a seconda della lunghezza d'onda della luce che li colpisce.

Molecola di anidride carbonica con i due principali modi vibrazionali che assorbono l'energia infrarossa.

Le vibrazioni delle molecole di anidride carbonica sono più intense per le onde infrarosse, che hanno una lunghezza d'onda più lunga rispetto alla luce visibile. Questo è il motivo per cui l'anidride carbonica è un gas serra: assorbe le onde infrarosse emesse dalla Terra, impedendo che si disperdano nello spazio.

La quantità di luce che l'anidride carbonica assorbe dipende dalla sua concentrazione nell'atmosfera. Una maggiore concentrazione di CO₂ nell'atmosfera significa che più luce verrà assorbita, e quindi più calore verrà intrappolato.

Questo è il motivo per cui l'aumento delle emissioni di CO₂ prodotte dall'uomo sta provocando il riscaldamento globale.

Il ciclo del carbonio

IL ciclo del carbonio è il ciclo biogeochimico attraverso il quale il carbonio viene scambiato tra la geosfera (all'interno della quale si considerano i sedimenti e i combustibili fossili), l'idrosfera (mari e oceani), la biosfera (comprese le acque dolci) e l'atmosfera della Terra. Tutte queste porzioni della Terra sono da considerare riserve di carbonio (carbon sinks).

L'anidride carbonica entra nell'atmosfera naturalmente da

Batteri anaerobici che decompongono la materia organica
Animali che emettono anidride carbonica durante la respirazione
Attività vulcanica occasionale

La natura rimuove l'anidride carbonica dall'atmosfera

Piante che lo consumano nel processo di fotosintesi
Acqua che dissolve l'anidride carbonica

Parte dell'anidride carbonica che viene rilasciata nell'aria viene rimossa dagli oceani e da altri corpi idrici. La quantità di anidride carbonica che può dissolversi in un volume d'acqua dipende dalla temperatura dell'acqua e dalla concentrazione di anidride carbonica che è già disciolta nell'acqua.

L’aumento dell’acidità dei mari è causato da un aumento della dissoluzione di CO₂ in acqua.

Schema del ciclo del carbonio. Clicca sull’immagine per ingrandire

Anidride carbonica prodotta dall’uomo

L'anidride carbonica antropica è l'anidride carbonica rilasciata nell'atmosfera a causa delle attività umane. Le principali fonti di anidride carbonica antropica sono:

La combustione di combustibili fossili, come carbone, petrolio e gas naturale, per generare elettricità, calore e trasporti.
La deforestazione, che comporta la rimozione degli alberi, che assorbono l'anidride carbonica dall'atmosfera.
L'agricoltura, in particolare l'allevamento di bestiame, che produce metano, un gas serra più potente dell'anidride carbonica.

L'anidride carbonica antropica è responsabile del riscaldamento globale, in quanto cattura il calore del sole nell'atmosfera, impedendogli di ritornare nello spazio. Il riscaldamento globale ha già causato un aumento del livello del mare, l'innalzamento delle temperature medie globali e l'alterazione dei modelli meteorologici.

I governi di tutto il mondo hanno concordato di ridurre le emissioni di anidride carbonica antropica nell'ambito dell'Accordo di Parigi sul clima. L'accordo prevede che i paesi partecipanti riducano le proprie emissioni di gas serra di almeno il 26-28% entro il 2030 rispetto ai livelli del 2010.

Nel 2021 le emissioni globali di CO₂ sono aumentate del 5,3% rispetto al 2020. Cina, Stati Uniti, UE, India, Russia e Giappone sono le economie che emettono più CO₂ al mondo. Insieme, rappresentano il 49,2% della popolazione mondiale, il 62,4% del Pil globale, il 66,4% del consumo di combustibili fossili e il 67,8% delle emissioni globali di CO₂ fossile. Tutti e sei hanno aumentato le emissioni di CO₂ nel 2021 rispetto al 2020.

Le emissioni dell’Unione europea sono aumentate del 6,5% nel 2021, da un livello eccezionalmente basso nel 2020 a causa dei blocchi causati dalla pandemia di Coronavirus. Tuttavia sono diminuite del 5% rispetto al 2019. Ciò mette la UE sulla strada per raggiungere il proprio obiettivo di ridurre le emissioni del 55% entro la fine di questo decennio.

La Cina è di gran lunga il Paese che ne produce di più: il 33% del totale nel 2021. Da sola, supera la somma delle quattro economie che la seguono: Stati Uniti (12,5%), Unione Europea (7,3%), India (7%) e Russia (5%). Pechino punta a raggiungere il picco di emissioni «prima del 2030»: significa che non smetterà di aumentarle per diversi anni ancora.

La classifica cambia radicalmente se si considerano le emissioni pro-capite, un criterio non troppo significativo, che inevitabilmente premia i Paesi più popolati. In questo caso, gli Stati Uniti superano la Cina.

Emissioni CO₂ per settore. Dati espressi in Megatonnellate metriche di CO₂ per anno (Fonte: CO₂ emissions of all world countries, 2022 Report). Clicca sull’immagine per ingrandire

Anidride carbonica che deriva dai combustibili fossili

I combustibili fossili sono carbone, petrolio e gas naturale. Il nome combustibili fossili deriva dall'origine di questi combustibili dai resti di materia organica conservati fin dalla preistoria. La maggior parte della nostra energia utilizzata oggi per l'elettricità e il trasporto proviene dalla combustione di combustibili fossili, che genera anidride carbonica come sottoprodotto. Come risultato della combustione dei combustibili fossili, l'anidride carbonica nell'atmosfera è ora del 35% superiore a quella di un secolo e mezzo fa.

Ogni volta che qualcosa che contiene carbonio brucia, tra i prodotti di combustione ci sono anidride carbonica e vapore acqueo. La reazione chimica di base per la combustione completa di un combustibile è

Carburante + ossigeno (O₂) → anidride carbonica (CO₂) + acqua (H₂O)

La tabella mostra le formule chimiche per i combustibili comuni. Notare che ognuno di questi combustibili, tranne l'idrogeno, contiene carbonio.

Formule chimiche dei combustibili più comuni. Clicca sulla tabella per ingrandire

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + calore

L’Ipcc, il Climate Panel dell’Onu, afferma che è verosimile che l’uso dei combustibili fossili sia la causa principale del riscaldamento globale degli ultimi 50 anni. Gran parte delle emissioni climalteranti in atmosfera derivano dai combustibili fossili, sia per uso energetico che per i trasporti, camion, navi, aerei.

Anidride carbonica che proviene dalla produzione del cemento

La produzione del cemento è uno dei principali contributori alle emissioni globali di anidride carbonica (CO₂). L'industria del cemento è responsabile di circa il 5% delle emissioni globali di gas serra.

La produzione del cemento, che comporta la conversione della roccia di carbonato di calcio (calcare) in ossido di calcio. Questo processo produce anche anidride carbonica, come mostrato in questa reazione:

Carbonato di calcio + calore → ossido di calcio + anidride carbonica

CaCO₃ + Calore → CaO + CO₂

La principale fonte di emissioni di CO₂ dalla produzione del cemento è la calcinazione del calcare. Il calcare è una roccia sedimentaria composta principalmente da carbonato di calcio (CaCO₃). Quando il calcare viene riscaldato a circa 1400°C, si decompone in ossido di calcio (CaO) e anidride carbonica.

Oltre alla calcinazione del calcare, altri fattori che contribuiscono alle emissioni di CO₂ dalla produzione del cemento includono: