sostanza organica morta tessuti freschi CO2 ) ingestione digestione assimilazione accrescimento e riproduzione respirazione egestione escrezione morte

egestione

escrezione

morte

(non predazione)

ingestione

digestione assimilazione

Energia disponibile

per la catena del detrito

accrescimento e riproduzione

respirazione

Energia disponibile

per i consumatori Energia dissipata

ALLOCAZIONE (DESTINAZIONE ) DELL’ENERGIA ALL’INTERNO DI UN LIVELLO TROFICO

sostanza organica morta tessuti freschi CO2

RENDIMENTO DI SFRUTTAMENTO

RENDIMENTO DI ASSIMILAZIONE

RENDIMENTO DI PRODUZIONE NETTA

RENDIMENTO DI PRODUZIONE LORDA

RENDIMENTO ECOLOGICO

INGESTIONE DI ALIMENTO PRODUZIONE DELLA PREDA

ASSIMILAZIONE INGESTIONE

PRODUZIONE ASSIMILAZIONE

PRODUZIONE INGESTIONE

PRODUZIONE CONSUMATORI PRODUZIONE PREDE

I RENDIMENTI ECOLOGICI

EFFICIENZA ECOLOGICA O RENDIMENTO ECOLOGICO

P ⁿ /P ^n-1

1-40%

METABOLISMO E STRATEGIE QUALITA’ ENERGIA

Qualità dell’energia

L’energia può essere definita in modo qualitativo

non tutte le calorie sono equivalenti

(identiche quantità di energia di differenti forme variano nella capacità di

COMPIERE LAVORO) Es.

•Petrolio

•Luce solare

•Sorgenti termiche a bassa temperatura

Qualità dell’energia

• La quantità di energia necessaria per creare la nuova forma

• Tanto maggiore sarà la quantità di energia utilizzata a monte, tanto maggiore sarà la qualità della nuova energia formata

• Concetto di emergia (emergy)

L’analisi termodinamica dei prodotti e gli indicatori di sostenibilità ambientale

Emergy

quantità di energia (solare) necessaria per creare la nuova forma (sej =solar emergy joule)

Transformity

quantità di energia solare per unità di nuova energia (sej/J o sej/g)

EQUIVALENZA DEL JOULE

1 W·s (watt secondo) 1 N·m (newton metro) 1 Pa·m3 (Pascal metro cubo) 2,39·10-1 calorie

2.000.000 kcal

1.000 kcal

10.000 kcal

1.000.000 kcal

20.000 kcal

2.000 kcal

200 kcal

20 kcal

2 kcal

0.2 kcal

sole piante fossilizzazione Industria

Quantità decrescente

Qualità crescente

1.000.000 1000 500 125

1 1000 2000 8.000

sole piante erbivori predatori

Quantità decrescente

Qualità crescente

1.000.000 10.000 1000 100

1 100 1000 10.000

Le classi fondamentali degli ecosistemi dipendono dalla sorgente energetica utilizzata (solare e a combustibile o chimica).

La loro classificazione può essere basata su

energia dissipata per unità di tempo/unità di superficie

(densità di potenza)

Classificazione degli ecosistemi

basata sull’energia

ECOSISTEMI A ENERGIASOLARE ECOSISTEMI NON SUSSIDIATI

Poche o nulle risorse ausiliarie di energia oltre al sole.

Scarsa produttività

Enormi superfici delle terre emerse sono occupate da questi sistemi che rappresentano il principale bioreattore della Terra

Grandi sistemi forestali Praterie

Mare aperto Oceano

DENSITA’ DI POTENZA MOLTO BASSA

1000-2000

Kcal/m

ECOSISTEMI A ENERGIA SOLARE + ALTRE FONTI ECOSISTEMI SUSSIDIATI

L’energia sussidiaria può aumentare la densità di potenza di un ecosistema di un ordine di grandezza.

ECOSISTEMI SUSSIDIATI NATURALMENTE:

estuari

I sussidi possono avere varie forme , flussi d’aria e d’acqua che trasportano prede o sostanza organica, pioggia, nutrienti.

lagune

La densità di potenza degli ecosistemi sussidiati è la massima ottenibile in natura

ECOSISTEMI SUSSIDIATI DALL’UOMO

agricoltura acquacoltura

Nutrienti, lavorazione del suolo, eliminazione dei competitori

selezione genetica

Energia prodotta nei due sistemi:

Utilizzazione immediata

sottoforma di cibo o risorsa esauribile in un breve periodo di tempo

Redistribuzione-esportazione dell’energia in eccesso,

diversificazione dell’uso in vari tipi di strategie di sopravvivenza

(investimenti nella resistenza- resilienza)

ECOSISTEMI A COMBUSTIBILE

O ECOSISTEMI URBANO-INDUSTRIALI

L’energia potenziale concentrata dei combustibili sostituisce completamente l’energia solare.

Enorme richiesta energetica : 100-1000 volte maggiore dei sistemi naturali (milioni Kcal/m²)

Consumo pro capite di energia Da 1000 a 250.000 Kcal e

Italia 87.000

Città

Manhattan Tokyo

Mosca Berlino

Los Angeles

(kcal m^-2anno^-1) 4,8x10⁶

3,0x10⁶ 1,0x10⁶

1,6x10⁵ 1,6x10⁵

DENSITA’ DEL CONSUMO ENERGETICO CORRELATA ALL’USO UMANO DEI COMBUSTIBILI

Ampie zone industrializzate

Regioni industriali tedesche 7,7x10⁴ Baia di Los Angeles 5,7x10⁴ Giappone 2,3x10⁴ Regno Unito 9,2x10³ 14 stati della costa est degli USA 8,4x10³

USA 1,8 x10³

Gli elementi chimici, compresi tutti gli elementi essenziali che costituiscono il protoplasma, tendono a circolare nella biosfera seguendo percorsi caratteristici dal comparto abiotico a quello biotico e viceversa con movimenti di tipo pendolare

CICLI BIOGEOCHIMICI

Ciclizzazione dei nutrienti

Pool di riserva

Pool labile o di scambio

Tendenza a stabilire percorsi circolari dei macro e dei

micro

Comparto più ampio meno attivo, generalmente abiotico

Porzione più piccola ma attiva nello scambiare materiali tra organismi e l’ambiente

Costituenti chimici della materia vivente

H₂O (70-90%)

Acidi nucleici+proteine+zuccheri+lipidi(10-30%) Elementi essenziali (macro e micro) (1-10%)

Es.Na,Ca,K,Mg,Fe,Zn

3 4 5

IA IIA

IVB VIIB VIII

IB IIB

11 Na 70000

12 Mg 40000 19

K 250000

20 Ca

17000000 42 Mo 5

25 Mn 30

26 Fe 7000

26 Co 1

29 Cu 150

30 Zn 3000

Elementi essenziali e rispettive concentrazioni nell’uomo (espressi in mg/70kg peso corporeo)

I

cicli si suddividono in due categorie fondamentali:

CICLI GASSOSI

CICLI SEDIMENTARI

Il pool di riserva è nell’atmosfera o nell’idrosfera (N,O).

Hanno grande capacità tamponante grazie ai grandi pool di riserva.

In cui la riserva si trova nella litosfera (crosta terrestre) (P,Fe).

Tendono ad essere facilmente disturbabili in quanto la riserva è relativamente inattiva e immobilizzate nella crosta terrestre.

I meccanismi di recupero o di riciclo sono prevalentemente biotici o dovuti all’attività antropica.

Bilancio produzione - decomposizione

Storia naturale (2.000.000.000 anni)

PRODUZIONE MAGGIORE O UGUALE ALLA CAPACITA’ DI DECOMPOSIZIONE

Civiltà tecnologica

ACCELERAZIONE DELLA DECOMPOSIZIONE :

•Riduzione a CO₂ delle riserve di combustibili fossili

•Agricoltura che accelera la decomposizione dell’humus

•Uso del legname vivente ai fini energetici( 2/3 della popolazione umana)

•Deforestazione mediante incendio (3000.000 Ha/anno )

Composizione dell’aria attuale Anidride carbonica 0.03%

Ossigeno 21%

Azoto 79%

Temperatura 13 °C

Composizione dell’aria prima della comparsa della vita

Anidride carbonica 98%

Metano 1%

Altri gas 1%

Temperatura 290 °C

I primi organismi apparsi sulla terra erano probabilmente fotosintetici;

Ciò ha determinato :

La rimozione della CO2

La sedimentazione dei carbonati

l’iniezione dell’ossigeno e la creazione di un pianeta ossidato

La protezione dell’ambiente terrestre con la fascia di ozono

La stabilizzazione della temperatura attraverso i gas serra

Il porcesso di trasformazione dell’atmosfera probabilmente è durato fino a 300-400 milioni di anni fa

Deposizione chimica dei carbonati

Il carbonato si deposita secondo l'equazione di equilibrio seguente:

Ca++ + 2 HCO3- CaCO3 + H2O + CO2

CaCO3 coesiste con concentrazioni costanti di ioni calcio e bicarbonato (la reazione precedente è perciò di equilibrio).

Se aumenta la concentrazione degli ioni calcio o bicarbonato, precipita carbonato;

Anche la diminuzione di concentrazione di CO2 favorisce la precipitazione dei carbonati.

Altri fattori che influiscono sull'equilibrio sono la pressione e la temperatura.

L'insieme di questi fattori porta alla dissoluzione di calcari nelle acque fredde subpolari

e alla sedimentazione calcarea nei mari caldi e poco profondi.

l’intensa sedimentazione carbonatica dovrebbe essere avvenuta maggiormente quando esistevano queste

condizioni circa 3,5 miliardi di anni fa.

Ca++ + 2 HCO3- CaCO3 + H2O + CO2

IL SEPPELLIMENTO DEL CARBONIO

Deposizione diretta di carbonati e silicati

Fissazione biologica

Stromatoliti, Madreporari ermatipici, scheletri gusci interni esterni ecc

Seppellimento sostanza organica morta

Fossilizzazione

Distribuzione del carbonio

Rocce carbonatiche Quantità non stimabile (alcuni miliardi t)

Oceani

circa 39000 miliardi t

Atmosfera

Circa 650 miliardi t

Biomassa viva 680 miliardi t

Biomassa morta 1080 miliardi t

Combustibili fossili 10000 miliardi t

Chimica dell’atmosfera

OSSIGENO 21%

ANIDRIDE CARBONICA 0.03%

CARBONIO

Fase gassosa (aria/acqua,1/50)

Fase sedimentaria (rocce sedimentarie,sedimenti marini) Fase organica (biomassa vivente/morta/fossile)

…..sorgenti attuali: USO DEI COMBUSTIBILI FOSSILI

10.000x10

t

180x10

t

Emissioni industriali

Agricoltura

Oceano

Vegetali

Ciclo del carbonio

……. e sistema destabilizzante

•Combustibili fossili

•Agricoltura

•Cementifici

•Attività vulcaniche

L’emissione deriva dalla gassificazione delle rocce

carbonatiche;l’attività vulcanica attuale è piuttosto ridotta rispetto alle epoche passate

•Deforestazione

Sistema tamponante

•Biota

•Oceani

CO₂ in equilibrio con il sistema dei carbonati CO₂ HCO₃^- CO₃^{- -}

Solubilità della CO2 dipendente dalla temperatura

Biomassa: sorgente e trappola

La biomassa funziona da sorgente ma anche da deposito negli ecosistemi dove la fotosintesi supera la respirazione.

A seguito delle semplificazioni operate dall’uomo (riduzione degli ecostemi in equilibrio stazionario) sulla terra sono aumentati gli ecosistemi in disequilibrio.

Ciò potrebbe rappresentare un retro controllo positivo atto a riportare verso il basso la concentrazione di CO₂.

La CO₂ liberata dal disboscamento (1% annuo del patrimonio

forestale mondiale) , dalle bonifiche, arature, ecc è uguale a quella liberata dai combustibili fossili 5x10⁹ t/anno.

Carbon global emmision

Worldwatch institute

Identificazione sperimentale delle sorgenti di carbonio

EFFETTO SUESS

Il carbonio esiste in natura sotto 3 forme isotopiche ¹²C, ¹³C, ¹⁴C.

12C è stabile e abbondante, ¹³C è stabile e più raro, ¹⁴C si forma nella parte alta dell’atmosfera ed è instabile (td 5000anni)

I combustibili fossili non contengono ¹⁴C

Re-immettere in atmosfera CO2 derivante dai combustibili fossili ha determinato una diluizione del ¹⁴C

L’effettiva riduzione del ¹⁴C è di circa il 2%

Questo permette di calcolare che circa la metà del carbonio bruciato è ancora in atmosfera

Il resto o è nella biomassa o è negli oceani

EFFETTO SERRA

IMPATTO ENERGETICO DEGLI ALLEVAMENTI ANIMALI

• A livello globale circa la metà delle terre

coltivabili è utilizzato per produrre carne

• Quasi 1 miliardo di

tonnellate di cereali,

leguminose e altro per

produrre 22 milioni di

tonnellate di proteine

animali

I maggiori contributi di CO2

• CINA

• 6,2 MILIARDI t

• USA

• 5,8 MILIARDI t

DATI PALEOCLIMATICI

COME OTTENERE INFORMAZIONI DAGLI ISOTOPI DELL’OSSIGENO

Al variare della temperatura dell'acqua del mare, varia anche il rapporto tra gli isotopi ¹⁶O, ¹⁷O e ¹⁸O dell'ossigeno

contenuto nella calcite presente nei sedimenti oceanici e

accumulatasi in particolare nei gusci dei foraminiferi calcarei fossili vissuti nei vari periodi.

Nell'atmosfera la distribuzione degli isotopi è normalmente:

99,759% (¹⁶O), 0,0374% (¹⁷O) e 0,2039% (¹⁸O) con percentuali analoghe nelle acque. Tale distribuzione è però fortemente

legata alla temperatura, che fa variare in modo ben conosciuto la percentuale del più pesante isotopo (¹⁸O), che è più

abbondante nelle acque fredde

Poiché è nota la relazione tra la curva di distribuzione percentuale degli isotopi e la temperatura, analizzando il diverso rapporto tra gli isotopi dell'ossigeno sia nel carbonato di calcio contenuto nella calcite dei sedimenti, che in quello contenuto nello scheletro dei foraminiferi fossili, si può risalire con precisione alla temperatura delle acque

marine del periodo in cui vissero

0 50 100 150 200

250 300

0 2

-2

-4

-6 CO₂

T_a

Età(migliaia di anni fa

Dati sull’anidride carbonica derivati dalle carote di ghiaccio di Vostok Le concentrazioni di CO2 nell’atmosfera dell’era glaciale è stata determinata nelle bolle d’aria conservate nel ghiaccio antartico.

I valori della temperatura sono determinati dal rapporto tra isotopi dell’ossigeno nel ghiaccio.

396

Variazione del rapporto isotopico dell'ossigeno (δ18O) nel corso degli ultimi 65 milioni di anni (periodo Cenozoico) ottenuta da misure sui gusci di foraminiferi bentonici. La curva rappresenta la compilazione dei dati più di 40 carote sedimentarie prelevate in campagne DSDP e ODP (da Zachos et al., 2001).

1850 1900 1950 2000 2050 2100 0

1 2 3 5

4

A

B C

Previsioni dell’incremento medio della temperatura nello scenario B (elevata efficienza energetica) e C (elevata efficienza energetica e solare/nucleare)

La concentrazione globale di CO₂ è in aumento Le attività antropiche ne sono la causa primaria (input globale= 28 miliardi di t)

Gli oceani (il più grande pool gassoso di carbonio) assorbono la CO₂ più lentamente di quanta ne venga immessa in eccesso in atmosfera (il pool gassoso più piccolo)

La sottrazione di CO₂ dovuta alla fotosintesi degli ecosistemi in successione secondaria (disequilibrio) non compensa

l’input globale (deforestazione – agricoltura)

Variazioni di CO₂ atmosferica comparabili con l’attuale non sono avvenute negli ultimi 400.000 anni

L’elemento di incertezza risiede nei retrocontrolli negativi

AVERAGE PERSONAL EMISSION OF CO₂

-USA 5500 kg

-Canada 4500 kg -Australia 4000 kg -Ex URSS 3250 kg -Germany 3250 kg -UK 2750 kg

-Japan 2150 kg

-France/Italy 1875 kg -Cina 500 kg

Il contributo di CO2 della motorizzazione

1kg di benzina= 2kg di CO₂ 1000kg di benzina=

2t

su scala globale

CIRCA IL 20%DELLE EMISSIONI

Asian Brown Cloud

Mix di ceneri, particolato (nano-micro) vapore, smog fotochimico, inquinanti gassosi acidi, vapore d’acqua.

Derivante dalle emissioni industriali, da gas di scarico veicolare, e combustioni a bassa tecnologia

Il protocollo di Kyoto chiede ai Paesi firmatari di ridurre del 5% le Emissioni dei gas serra (anidride carbonica, metano, protossifdo di azoto etc.) nel periodo 2008 - 2012 rispetto ai livelli del 1990.

Tale riduzione si può ottenere :

•Riduzione diretta delle emissioni

•Stoccaggio del carbonio nei sistemi agroforestali

•Iniezione in cavità sotterranee e profondità marine

I maggiori contributi di CO2

• CINA

• 6,2 MILIARDI t

• USA

• 5,8 MILIARDI t

Variazione del rapporto isotopico dell'ossigeno (δ18O) nel corso degli ultimi 65 milioni di anni (periodo Cenozoico) ottenuta da misure sui gusci di foraminiferi bentonici. La curva rappresenta la compilazione dei dati più di 40 carote sedimentarie prelevate in campagne DSDP e ODP (da Zachos et al., 2001).

Il rapporto isotopico dell’ossigeno (18O/16O) nei sedimenti oceanici dipende dalla temperatura dell’acqua di mare e dal volume dei ghiacci esistenti in passato sulla Terra e delle conseguenti variazioni del livello globale degli oceani.

L'isotopo 18 dell'ossigeno è proporzionalmente meno abbondante nei ghiacci polari che nell'acqua degli oceani. Di conseguenza, quando si formano calotte di ghiaccio sui continenti, l'acqua degli oceani e i gusci degli organismi che si depositano sui fondali risultano arricchiti di ossigeno 18.

Quanto più è elevata la concentrazione di 18O misurata in uno strato sedimentario, tanto maggiore era la quantità di ghiaccio continentale al momento della deposizione di quel sedimento.

Gli stadi delle oscillazioni del rapporto isotopico dell’ossigeno sono numerati progressivamente dal più

giovane al più vecchio e sono caratterizzati da numeri dispari per i periodi “caldi” e da numeri pari per i periodi

“freddi”. La Figura mostra la variazione del rapporto 18O/16O durante gli ultimi 900mila anni e l’alternanza di periodi glaciali e interglaciali.

RIDUZIONE DIRETTA DELLE EMISSIONI

• RIDUZIONE DEI CONSUMI

• OTTIMIZZAZIONE DEI PROCESSI PRODUTTIVI

• OTTIMIZZAZIONE DELLA MOBILITA’

INDIVIDUALE E DELLE MERCI

• ENERGIE A BASSA EMISSIONE

• ENERGIE ALTERNATIVE AI CF

Le attivita’ agro-forestali NON sono un mezzo permanente per abbattere l’incremento di CO2 nell’atmosfera, ma SONO uno strumento per

acquistare del tempo (un secolo) per cambiare i nostri sistemi energetici.

L’uso di energie svincolate dai c.f., dovrebbero

rappresentare il vero obiettivo della protezione sul Clima

STOCCAGGIO NEI SISTEMI FORESTALI

Su scala globale la conservazione degli stocks e la promozione di una gestione forestale sostenibile sono le misure piu’ urgenti.

Purtroppo queste attivita’ non sono ancora chiaramente presenti nel protocollo di Kyoto

In Italia le attivita’ di forestazione e riforestazione

attualmente sono poco rilevanti nell’assorbimento di carbonio atmosferico.

Vanno approfondite le potenzialita’

Attivita’ di forestazione e riforestazione e di

conservazione delle foreste nei Paesi in Via di Sviluppo SONO strategicamente importanti per il nostro Paese (con maggiore preferenza per la conservazione).

Tuttavia devono essere garantite tutte le condizioni di sostenibilita’.

1. Crediti temporanei

2. Analisi di effetti laterali sulle economie

La gestione forestale sostenibile

(miglioramento dei nostri boschi, allungamento dei turni, impiego di utilizzazioni a basso impatto sul ciclo del carbonio etc)

La conservazione degli stocks

(lotta agli incendi boschivi, sviluppo di aree protette ai fini dello stoccaggio di carbonio etc.)

Piani internazionali di controllo della deforestazione nelle aree tropicali e delle foreste boreali

ENERGIE ALTERNATIVE AI COMBUSTIBILI FOSSILI Solare termico

Solare fotovoltaico Geotermia

Idroelettrica Eolica

Biomasse Altro

Fissione Nucleare

Fusione nucleare

To manage the planet?

we could ,but with care, it’s the only we have!

Il rapporto isotopico dell’ossigeno (¹⁸O/¹⁶O) nei sedimenti oceanici dipende dalla temperatura dell’acqua di mare e dal volume dei ghiacci esistenti in passato sulla Terra e delle conseguenti variazioni del livello globale degli oceani.

L'isotopo 18 dell'ossigeno è proporzionalmente meno abbondante nei ghiacci polari che nell'acqua degli oceani. Di conseguenza, quando si formano calotte di ghiaccio sui continenti, l'acqua degli oceani e i gusci degli organismi che si depositano sui fondali risultano arricchiti di ossigeno 18. Quanto più è elevata la concentrazione di ¹⁸O misurata in uno strato sedimentario, tanto maggiore era la quantità di ghiaccio continentale al momento della deposizione di quel sedimento. Gli stadi delle oscillazioni del rapporto isotopico dell’ossigeno sono numerati progressivamente dal più giovane al più vecchio e sono caratterizzati da numeri dispari per i periodi “caldi” e da numeri pari per i periodi

“freddi”. La Figura mostra la variazione del rapporto 18O/16O durante gli ultimi 900mila anni e l’alternanza di periodi glaciali e interglaciali.

391,2

Il contributo di CO2

UN’AUTO

UN UOMO

UNA MUCCA

100-400g/km

300-400 l/d 1980 g/mc

700-800 l^CH4/d 714g/mc

Effetto serra e gas climalteranti

350 360

340 330 320

310 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990

270 310 350

1978 1994

1.5 1.65 1.6 1.55

1978 1985

290 320

300 310

1979 1986

CO ₂

CFC

CH ₄

N ₂ O

CONCENTRAZIONE AL 1990 INCREMENTO ANNUALE % SCHERMO RADIANTE TEMPI DI PERMANENZA (RIFERITO AD UNA MOLECOLA DI CO2) (ANNI)

CO2 353 ppm 0.04 1 100

CH4 1.72 ppm 1.01 25-32 10

CFC 11-12 0.28-0.484 ppm 5 16000-19000 65-130

N2O 0.31 ppm 0.02 150-250 150

O3 Trop. 0.02-0.1 ppm incerto 2000 0.01-0,5

Responsabilità di ciascun gas

Potenziale riscaldamento globale

20 anni 100 anni 500 anni

CO2 1 1 1

CH4 63 21 9

N2O 270 290 190

CFC 11 4500 3500 1500

CFC 12 7100 7300 4500

Responsabili dell’effetto serra

• Vapore d’acqua

• Anidride carbonica

• Metano

• CFC (e nuove formulazioni)

• Protossido di azoto

• Particolato (albedo vs riflessione IR)