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La maggior parte del carbonio sulla Terra (circa 65500 miliardi di tonnellate [189]) `e immagazzinato nelle rocce. Il resto si trova negli oceani, nell’atmosfera, nella piante, nel suolo e nei combustibili fossili. Ogni luogo in cui si trova immagazzinato il carbonio prende il nome di giacimento. L’insieme dei flussi dei composti contenenti carbonio fra i vari giacimenti viene chiamato “ciclo del carbonio” (Figura1.8).

Figura 1.8: Ciclo del carbonio. I numeri in giallo indicano i flussi naturali di carbonio in Giga tonnellate (Gt) di carbonio all’anno tra i suoi giacimenti, mentre i numeri in rosso i flussi di origine

antropogenica e i numeri in bianco il carbonio immagazzinato nei diversi giacimenti. [130]

Nell’ambito del clima `e importante studiare i composti del carbonio nell’atmosfera (anidride carbonica, metano, clorofluorocarburi) che causano o sono il risultato dell’in-

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nalzamento delle temperature sulla Terra [5].

Il ciclo del carbonio pu`o essere diviso in due categorie: geologica, che opera su un’am- pia scala temporale (milioni di anni) e fisica/biologica, che opera su scale pi`u brevi (da secoli a migliaia di anni).

Sui lunghi periodi, il ciclo del carbonio sembra mantenere un equilibrio che impedisce il passaggio di tutto il carbonio presente nei giacimenti terrestri nel giacimento atmosfe- rico, come invece sembra sia successo su Venere [21]. Questo equilibrio aiuta a mante- nere la temperatura della Terra relativamente stabile. La Terra ha comunque attraversato ere glaciali e periodi interglaciali pi`u caldi. Alcune parti del ciclo del carbonio possono amplificare questi cambiamenti di temperatura a breve termine [5].

Ciclo del carbonio geologico

L’anidride carbonica presente nell’atmosfera si solubilizza nell’acqua piovana con formazione dell’acido carbonico [5]:

CO2(aq)+ H2O(l) → H2CO3(aq)

dove (aq) e (l) indicano ‘in soluzione acquosa’ e ‘allo stato liquido’. L’acido carbonico si dissocia in ioni solvatati idrogeno e bicarbonato [5]:

H2CO3+ H2O → H3O++ HCO3−

Una piccola quantit`a di HCO−3 subisce una seconda dissociazione per formare uno ione idrogeno e uno ione carbonato [5]:

HCO3−+ H2O → H3O++ CO3−−

co, alterano i carbonati (come la calcite, componente principale delle rocce calcaree, dei banchi coralliferi e dei gusci degli animali marini) e i silicati (classe di minerali composti prevalentemente da ossigeno e silicio) [46]. Gli ioni calcio e bicarbonato (formati dalla dissoluzione dei carbonati), gli ioni potassio e la silice (entrambi prodotti dall’alterazione dei silicati) diventano parte del carico disciolto nelle acque superficiali (ossia del materia- le sciolto nei primi centimetri di profondit`a dei corsi d’acqua) e possono essere trasportati dai fiumi fino agli oceani, dove organismi viventi incorporano in gusci e scheletri gli ioni, formando nuovamente carbonato di calcio e liberando anidride carbonica. Questo processo prende il nome di precipitazione o sedimentazione del carbonato di calcio [5]:

Ca+++ 2HCO−3 → CaCO3+ H2O + CO2

Il calcio precipita con una velocit`a confrontabile con quella con cui viene portato dai fiumi negli oceani: perci`o la sua concentrazione in soluzione negli oceani resta approssi- mativamente costante [189]. Analizzando la reazione `e chiaro che con un aumento della concentrazione degli ioni calcio o bicarbonato, aumenta la quantit`a di carbonato precipita- ta, con un aumento di concentrazione di CO2, viene favorita la dissoluzione dei carbonati.

Altri fattori che influiscono sull’equilibrio della reazione di precipitazione sono la pres- sione e la temperatura dell’acqua. L’insieme di questi fattori porta alla dissoluzione di calcari nelle acque fredde subpolari e alla sedimentazione calcarea nei mari caldi [189]. Nel processo di precipitazione torna nell’atmosfera circa la met`a dell’anidride carbonica [92].

Alla morte degli organismi gusci e scheletri si depositano sui fondali e vengono sepol- ti da altri sedimenti e altri carbonati si depositano per precipitazione diretta dall’acqua. L’accumulo di questi carbonati produce circa l’80% del carbonio depositato sul fondo oceanico; il rimanente 20% `e fornito dalla materia organica morta. `E questa sedimen- tazione che ha permesso l’eccesso di ossigeno rispetto all’anidride carbonica e la con- seguente sopravvivenza degli aerobi [22]. I materiali sedimentati vengono trasferiti al

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mantello terrestre dalla subduzione ai bordi delle piattaforme continentali [189].

La parte di materia organica prodotta a partire da 600 milioni di anni fa, sepolta sotto sedimenti pu`o essere analizzata, in quanto ha sub`ıto un ciclo di trasformazioni molto varie, ma senza occupando sempre uno stesso luogo. Il risultato finale sono i combustibili fossili di vario tipo, come il carbone (formato dalla decomposizione di alberi e piante in paludi primordiali) e il petrolio (originato soprattutto da materiale organico dei sedimenti di laghi, estuari, mari interni, bacini marini costieri) [92].

Il bilanciamento tra precipitazione, subduzione e attivit`a vulcanica governa le concen- trazioni di anidride carbonica nell’atmosfera su un periodo di centinaia di milioni di anni [189]. I sedimenti geologici pi`u vecchi suggeriscono che, prima che la vita si evolves- se sulla Terra, la concentrazione atmosferica di anidride carbonica doveva essere molto maggiore rispetto a quella attuale [189], producendo un rilevante effetto serra (descritto nel paragrafo1.5) durante un periodo di emissione solare bassa (ossia un periodo in cui l’attivit`a nucleare all’interno del Sole era inferiore di quella attuale) [189]. I carotaggi del ghiaccio in Antartide e in Groenlandia mostrano che la concentrazione di anidride carbonica durante l’ultima era glaciale (intorno a 10000 anni fa) era solamente la met`a di quella attuale [189].

Ciclo del carbonio biologico/fisico: fotosintesi e respirazione

Anche la biologia ricopre un ruolo importante nel ciclo del carbonio [189].

Attraverso il processo di fotosintesi, le piante assorbono l’energia solare e rimuovono la CO2 dall’atmosfera producendo carboidrati:

6CO2+ 6H2O → C6H12O6+ 6O2

dove C6H12O6 indica una molecola di glucosio; la reazione pu`o avvenire solo se la

La respirazione `e il processo inverso della fotosintesi. Nei processi di respirazione e di decomposizione il carbonio viene restituito all’atmosfera sotto forma di anidride carbonica e metano [189].

La quantit`a di carbonio coinvolta nella fotosintesi in un anno `e mille volte pi`u grande del quantitativo di carbonio coinvolto annualmente nel ciclo geologico [189]. Fotosinte- si e respirazione (che rappresentano i flussi biologici del ciclo del carbonio) giocano un ruolo importante anche nel ciclo a lungo termine del carbonio. Infatti, la presenza di ve- getazione migliora la sedimentazione del suolo, portando ad un lento assorbimento della CO2 dall’atmosfera [189]. Nel corso di un anno, i flussi biologici di carbonio sono dieci

volte pi`u grandi del quantitativo di carbonio introdotto nell’atmosfera dalla combustione dei combustibili fossili [189].

Lo scambio di anidride carbonica negli oceani `e controllato dalle temperature superfi- ciali del mare, dalle correnti e dai processi biologici di fotosintesi e respirazione. Inoltre, l’anidride carbonica si pu`o dissolvere nell’oceano con la reazione descritta in precedenza [189]. Le correnti fredde che si inabissano, come quella del Nord Atlantico (paragra- fo1.3), assorbono anidride carbonica e la trasferiscono alle profondit`a oceaniche, quelle calde provenienti dai fondali marini la riportano in superficie [189].

Il ruolo dell’attivit`a umana nel ciclo del carbonio

In aggiunta ai processi naturali descritti le attivit`a antropogeniche, in particolar modo lo sfruttamento dei combustibili fossili e la deforestazione, causano un ulteriore rilascio di anidride carbonica nell’atmosfera [189].

Nei processi di deforestazione il carbonio contenuto nel materiale vivente e nel suolo viene rilasciato, aumentando la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera: il legno secco `e formato al 50% da carbonio [189]. Al contrario, nella ricrescita di fore- ste il carbonio viene immagazzinato nella nuova vegetazione e nel suolo, diminuendo la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera [189].

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Un ruolo importante nel trasferimento di anidride carbonica dal suolo all’atmosfera `e rappresentato dagli incendi, che consumano materia organica producendo anidride car- bonica, metano e monossido di carbonio. Inoltre, la vegetazione che muore a causa degli incendi, anche se non `e consumata dal fuoco, si decompone nel tempo aggiungendo altra anidride carbonica all’atmosfera [189].

L’anidride carbonica prodotta dalle attivit`a umane non finisce interamente nell’atmo- sfera, ma viene in parte assorbita dagli oceani, in parte dalle piante [189]. Un altro gia- cimento di carbonio sembra essere il suolo, dato che solo considerando un assorbimento anche da parte di quest’ultimo si pu`o spiegare la concentrazione di anidride carbonica nell’aria (che altrimenti dovrebbe essere maggiore) [189].

Il bilancio del ciclo del carbonio attualmente `e sbilanciato verso l’atmosfera a cau- sa dell’immissione in essa di anidride carbonica, metano e clorofluorocarbuti per cause non naturali, quali l’uso di combustibili fossili e la deforestazione in atto ad un ritmo pi`u elevato della sedimentazione [189]. Secondo varie proiezioni sui consumi di ener- gia nel futuro, la quantit`a di anidride carbonica nell’atmosfera raddoppier`a entro la met`a del secolo venturo [46], [5], [189]. Si valuta che il raddoppiamento della concentrazione di anidride carbonica atmosferica potrebbe provocare l’innalzamento della temperatura media del pianeta di 2.5oC [46]. In un modello che prevede l’accoppiamento tra l’assor- bimento dell’anidride carbonica da parte degli oceani e la concentrazione nell’atmosfera [26], si stima un innalzamento di 5.5 K entro il 2100; la concentrazione amosferica di anidride carbonica aumenterebbe di circa 250 ppm, rispetto ai 400 ppm a marzo 2014 [52], [69].