I cicli biogeochimici
Abbondanza relativa degli elementi nell’universo in
funzione del numero atomico (silicio uguale a 10.000)
Gli elementi che
costituiscono la
materia vivente sono
all’incirca 26 ed hanno
un numero atomico
inferiore a 53
I cicli biogeochimici
Tutte le forme di vita richiedono gli
specifici elementi chimici costituenti che
devono essere continuamente forniti
nella quantità e nella velocità giusta
N, P, S – è fondamentale l’attività degli
organismi per il rifornimento ed il riciclo
I cicli biogeochimici
I processi di incorporazione degli
elementi nella biomassa sono definiti di
assimilazione
, quelli che restituiscono
gli elementi nell’ambiente fisico vengono
definiti
dissimilativi
I cicli biogeochimici
Compartimenti abiotici
Aria
Acqua
Suolo
Sedimenti
Gli elementi si spostano da
un compartimento all’altro
per effetto di processi fisici
e chimici (ciclo esterno)
Compartimenti biotici
Biomassa vegetale
Biomassa animale
Biomassa microbica
Necromassa
Lo spostamento degli
elementi attraverso i
compartimenti biotici
avviene grazie ai processi
di produzione, erbivoria,
predazione e degradazione
biologica del detrito (ciclo
interno)
I cicli biogeochimici
Flusso quantità di un dato elemento che
si sposta da un comparto all’altro
nell’unità di tempo
Tempo di residenza tempo di
permanenza di un dato elemento in un
comparto
Pool di riserva generalmente non
biologico e stabile
Pool labile circolante più attivamente e
I cicli biogeochimici
Cicli gassosi
Pool di riserva: fase
gassosa più
importante di quella
sedimentaria
(N,
C
)
Cicli sedimentari
Pool di riserva: fase
sedimentaria
fondamentale
(P, S)
Il ciclo dell’acqua
È fondamentale per la vita sulla Terra,
considerando il ruolo essenziale
dell’acqua all’interno degli organismi.
Tuttavia gli organismi non giocano un
ruolo fondamentale nell’alterazione
dell’acqua come fanno per gli altri
elementi. Non si hanno trasformazioni
chimiche dell’acqua dovute
Il ciclo dell’acqua
Il ciclo del carbonio
Rocce
Sedimenti
Oceani
Carbon fossile
CO
2Sostanza organica
del suolo
Organismi viventi
Atmosfera
Fotosintesi
Chemiosintesi
Respirazione
Decomposizione
Il ciclo del carbonio
Produttori primari
CO
2
+ H
2
A CH
2
O + A
Passaggio del carbonio dall’atmosfera
agli organismi.
La principale forma di carbonio nel
biota è di tipo organica.
Il ciclo del carbonio
Metanogenesi
In condizioni anaerobiche, alcuni batteri
sono in grado di trasformare l’anidride
carbonica e il carbonio organico in
metano. La reazione globale parte dal
metanolo:
4CH
3
OH 3
CH
4
+ CO
2
+ 2H
2
O
CO
2
+ 4H
2
CH
4
+ 2H
2
O
Il ciclo del carbonio
Il metano viene prodotto in grandi
quantità dai batteri intestinali dei bovini
e dai batteri anaerobi nelle risaie.
Il metano è un gas ad effetto serra e
contribuisce al riscaldamento
Il ciclo del carbonio
ceduto all’atmosfera carbonio organico anidride carbonica respirazione fotosintesi metano metanogenesi st at o di oss idazion e +4 +2 0 -2 -4 riduzioneendoergonica esoergoniche ossidazioni in ambiente ossico
reazioni di ossidoriduzioni esoergoniche accoppiate
suolo
legno
lettiera (orizzonte A
0)
foglie
Distribuzione del carbonio organico
(circa 250 tonnellate/ettaro)
FORESTA NORDICA A CONIFERE
FORESTA TROPICALE
Distribuzione del carbonio organico accumulato nel compartimento abiotico (terreno, lettiera) e biotico (legno, foglie) in un ecosistema rappresentato da una foresta di conifere e da una foresta tropicale. Nella biomassa della foresta tropicale c’è una maggiore percentuale di materia organica. (Ripreso da Kira e Shidei, 1967).
Il ciclo del carbonio
CO
2
dissoluzione
corpi idrici
rocce e sedimenti
dissoluzione e
precipitazione
CO
2
+ H
2
O H
2
CO
3
H
2
CO
3
H
+
+ HCO
3
-
2H
+
+ CO
3
2-
Ca
2+
+ CO
3
2-
CaCO
3
Il ciclo del carbonio
Modello semplificato del ciclo globale del carbonio. La parte a sinistra mostra il movimento del carbonio attraverso gli ecosistemi marini e la parte destra mostra il suo spostamento attraverso gli ecosistemi terrestri. Le riserve di carbonio sono mostrate come rettangoli; i processi che cambiano una forma di carbonio nell’altra non sono inseriti in un riquadro.
La concentrazione della CO
2
nell’aria
risulta dal bilancio tra:
Emissione per respirazione e decomposizione +
Emissione per combustione
Assorbimento delle piante +
Assorbimento degli oceani
~ il 40% della CO
2liberata dalla combustione dei combustibili fossili viene
assorbito dagli oceani
I gas ad effetto serra
CO
2CH
4N
2O
CFC
O
3H
2O
L’effetto serra
Senza effetto serra la T superficiale del pianeta sarebbe
di -18°C, rispetto agli attuali 15°C
L’effetto serra
In che parte
dell’atmosfera avviene
Troposfera
Che processo avviene
Intrappola il calore
vicino alla Terra
Quali gas naturali sono
coinvolti
H
2O, CO
2, CH
4Quali sono gli
importanti contributi
umani
CO
2, CH
4, CFC, N
2O
L’effetto serra
L’anidride carbonica è responsabile del 50-60% del riscaldamento derivante dai gas serra prodotti dall’attività antropica. Le principali fonti sono rappresentate dall’utilizzo di combustibili fossili e disboscamento e combustione di biomassa. I
clorofluorocarburi sono responsabili sia dell’effetto serra a livello della troposfera che del buco dell’ozono a livello della stratosfera. Le principali fonti di questi composti sono rappresentate da perdite di condizionatori e refrigeratori, evaporazione di solventi industriali, produzione di schiume sintetiche e propellenti gassosi.
L’effetto serra
Il metano contribuisce al riscaldamento globale per circa il 20%. È prodotto in seguito all’azione dei decompositori che agiscono sulla necromassa in condizioni di anaerobiosi. I principali luoghi in cui si forma sono rappresentati da paludi e altre zone umide, risaie, discariche e
intestini di bovini. Il protossido d’azoto
è responsabile sia dell’effetto serra a livello della troposfera che del buco
dell’ozono a livello della stratosfera. Esso deriva da produzione di nylon,
combustione di biomassa e
combustibili ricchi di azoto, gas di scarico delle marmitte catalitiche,
utilizzo di fertilizzanti, deiezioni animali e presenza di acque
L’effetto serra
Durante gli ultimi 900000 anni la Terra ha attraversato cicli di periodi glaciali, della
durata di circa 100000 anni ciascuno, intervallati da epoche interglaciali più calde della durata di 10000-12500 anni. Il calore derivato dall’ultimo periodo interglaciale è stato il principale fattore che ha permesso lo sviluppo dell’agricoltura, della civilizzazione e della crescita demografica
L’effetto serra
Variazioni stimate della temperatura media della superficie terrestre e delle concentrazioni di CO2 in troposfera negli ultimi 160000 anni. Le stime delle
concentrazioni di CO2 sono state ricavate dai carotaggi effettuati nella regione
antartica e, una volta estratto il ghiaccio, analizzando le bolle d’aria presenti alle diverse profondità corrispondenti a diversi periodi storici. Le analisi hanno
evidenziato come, a partire dall’ultima era glaciale terminata 10000 anni fa, la terra abbia potuto godere del calore del
successivo periodo interglaciale. La correlazione grossolana tra i livelli
troposferici di CO2 e la temperatura, in base ai dati ricavati dall’analisi dei
carotaggi, suggerisce che esiste una connessione tra i due fattori.
L’effetto serra
Variazioni stimate della temperatura media della superficie terrestre registrate tra il 1860 e il 1998 (linea nera). Lo spazio giallo mostra il riscaldamento globale
ipotizzato dai modelli climatici. È da osservare che le previsioni dei modelli concordano con l’aumento di 0.7°C registrato tra il 1860 ed il 1998. I modelli attuali prevedono che la temperatura media globale aumenterà di 1.3-4.1°C dal 1990 al 2100.
L’effetto serra
Schema generalizzato dell’effetto serra e modelli relativi alle sue possibili
conseguenze. L’effetto serra rappresenta un fenomeno ben conosciuto (modello 1). L’aumento della temperatura media globale che deriva dalle sempre maggiori
concentrazioni di gas serra (modello 2) è previsto da modelli matematici. Gli attuali modelli non possono prevedere con precisione gli specifici cambiamenti climatici (modello 3) e le loro conseguenze (modelli 4-7) nelle diverse parti del mondo.
L’effetto serra e gli oceani
Gli oceani rimuovono circa il 29% della CO
2che
l’uomo libera in atmosfera
Il riscaldamento globale potrebbe diminuire se gli
oceani riuscissero ad assorbire più calore, ma ciò
dipende dal tempo che il calore impiega a
raggiungere gli strati più profondi
Un effetto del riscaldamento globale potrebbe
anche essere l’alterazione delle correnti oceaniche
profonde
I dati indicano che, qualora il clima diventasse più
caldo, l’innalzamento del livello del mare sarebbe
provocato anche da un aumento delle
precipitazioni e dallo scioglimento dei ghiacciai e
delle nevi
L’effetto serra e le nubi
temperatura evaporazione vapor acqueo
L’effetto serra e la
fotosintesi
temperatura fotosintesi
?
Un altro importante fattore che può determinare una variazione della concentrazione di CO2 in atmosfera è il
turnover forestale, ovvero la velocità con cui gli alberi crescono e muoiono in una foresta. Il turnover sta
decisamente aumentando nella fascia tropicale, d’altra parte una diminuzione della biodiversità provoca un aumento del riscaldamento globale.
Piante C3 favorite
