Il ciclo del carbonio

Conoscere il ciclo del carbonio è fondamentale per capire quali siano le attività umane più climalteranti, guarda caso proprio quelle che lo alterano di più.

Illustrazione di Dada Goffredo

Infografiche di Viola Madau

La funzione del carbonio per la vita sulla Terra

Oltre il 95% del nostro corpo è composto da quattro elementi chimici: ossigeno per il 65%, carbonio che occupa poco meno del 19%, idrogeno per il 10% e azoto per l’1,5%. Una distribuzione simile si riscontra in quasi tutti gli animali, mentre nel regno vegetale il carbonio è l’elemento più importante con circa il 50%, seguito dall’ossigeno con il 42%, mentre il resto è costituito da idrogeno, azoto e altri elementi.

Si dice che la vita sulla Terra sia basata sul carbonio perché questo elemento fornisce la base chimica per la formazione di molecole organiche quali carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. La chimica del carbonio è così fondamentale per la vita che il carbonio è spesso definito l’elemento della vita.

Ma, come sappiamo, la vita non sarebbe possibile senza un clima adatto, e il clima terrestre è in larga misura reso possibile dall’effetto serra, che determina la temperatura media della superficie e le condizioni energetiche del sistema climatico. Bene, il carbonio è fondamentale anche per l’effetto serra.

Effetto serra e carbonio

È noto che i gas serra più importanti ai fini dell’effetto serra sono biossido di carbonio (o anidride carbonica), metano e monossido di diazoto (o protossido di azoto). Le molecole dei primi due sono basate sul carbonio e quindi la quantità di carbonio presente nell’atmosfera incide sull’intensità dell’effetto serra.

Quali sono i meccanismi che regolano la presenza del carbonio nell’atmosfera? Il ciclo del carbonio è proprio l’insieme di questi meccanismi. Più specificamente il ciclo del carbonio illustra gli scambi di carbonio tra i quattro componenti fondamentali della Terra, intesa come sistema fisico-chimico-biologico:

1. l’atmosfera: l’involucro gassoso cha avvolge la Terra per circa 500 km dal livello del mare;
2. la litosfera: costituita dalla crosta terrestre, in pratica la roccia fino a circa 100 km al di sotto del suolo;
3. l’idrosfera: costituita da tutta l’acqua presente sulla Terra, negli oceani, nei mari, nei fiumi e nei laghi in forma liquida, nei ghiacciai in forma solida e nell’aria in forma gassosa (come vapore acqueo);
4. la biosfera: costituita da tutti gli organismi viventi, sia animali che vegetali, presenti sul pianeta.

Queste quattro parti non devono essere immaginate come strati sovrapposti (ad esempio, la parte gassosa dell’idrosfera si trova nell’atmosfera), ma come un modo per schematizzare mentalmente tutto quello che si trova sulla “scorza” della Terra: stiamo infatti parlando di qualcosa che, se il nostro pianeta avesse la dimensione di un’arancia, sarebbe più sottile della buccia. Ma che, nonostante ciò, ha un’importanza cruciale per la vita sulla Terra.

I due cicli del carbonio

Dato che nel sistema Terra gli atomi di carbonio sono scambiati sia con processi veloci che lentissimi, è meglio suddividere il ciclo del carbonio in due parti: una su una scala temporale breve (o bioclimatica) e un’altra su una scala temporale lunga (geologica). La prima si sviluppa su orizzonti temporali significativi per la vita organica (da giorni a secoli), la seconda si sviluppa su orizzonti temporali significativi per la vita del pianeta (da migliaia a milioni di anni).

Schematicamente il ciclo del carbonio su scala bioclimatica può essere descritto così:

1. passaggio da atmosfera a idrosfera: il carbonio passa dall’atmosfera all’idrosfera grazie al processo di assorbimento dell’anidride carbonica (ma anche del metano sebbene in misura molto più ridotta) da parte degli oceani: a causa delle differenze di pressione e temperatura l’anidride carbonica presente nell’aria viene infatti disciolta sulla superficie marina (se ci pensate non è così strano che l’anidride carbonica si sciolga nell’acqua visto che le bollicine delle bibite gassate sono fatte proprio di anidride carbonica sciolta nella bevanda);
2. passaggi da atmosfera e idrosfera a biosfera: Il carbonio passa dall’atmosfera (o dall’idrosfera) alla biosfera grazie all’attività degli organismi autotrofi, ossia quegli organismi come piante e alghe capaci di produrre autonomamente la propria materia organica e l’energia per sopravvivere senza dipendere da altri organismi, attraverso processi quali la fotosintesi;
3. trasferimenti all’interno della biosfera: il carbonio resta nella biosfera passando dagli organismi autotrofi a quelli eterotrofi (animali, funghi e molti batteri) quando questi ultimi si nutrono dei primi;
4. passaggio da biosfera ad atmosfera: il carbonio torna nell’atmosfera come componente di scarto dei processi metabolici di produzione di energia sia in presenza di ossigeno (con rilascio di anidride carbonica) che in assenza (con rilascio di metano).

Il ciclo del carbonio su scala geologica ne comporta il trasferimento da idrosfera e biosfera alla litosfera, per poi tornare da quest’ultima all’atmosfera e all’idrosfera. Il tutto avviene con processi lentissimi che si svolgono nel corso di milioni di anni e che possono essere schematizzati così:

1. passaggio da idrosfera a litosfera: il carbonio passa dall’idrosfera alla litosfera a causa della formazione di sedimenti calcarei. Difatti, una volta dissolta nell’acqua di mare, parte della CO₂ reagisce con l’acqua per formare acido carbonico che successivamente va incontro a processi di dissociazione i quali da un lato comportano una acidificazione dei mari e dall’altro la formazione di calcare (ossia carbonato di calcio). Quest’ultimo, essendo insolubile nell’acqua, tende a depositarsi sui fondali marini, creando così nel tempo dei sedimenti che intrappolano il carbonio nella litosfera per milioni di anni;
2. passaggi da biosfera a litosfera: il carbonio viene trasferito dalla biosfera alla litosfera con la creazione di combustibili fossili in due modalità:
   • una prima modalità è dovuta alla formazione dei giacimenti di petrolio e di gas naturale. Questi idrocarburi sono infatti formati principalmente da resti organici marini, in particolare di microrganismi e piante acquatiche, che si depositano sui fondali marini dopo la loro morte. Qui, grazie alla mancanza di ossigeno e alle alte pressioni, iniziano dei lentissimi processi di decomposizione e trasformazione che portano nel corso di milioni di anni alla formazione di idrocarburi, intrappolando così il carbonio nella litosfera.
   • un secondo processo è quello all’origine del carbone. Il processo inizia con la formazione di depositi di torba, un accumulo di materiale vegetale parzialmente degradato, come muschi, felci e altri residui vegetali, in zone umide e paludose. Nel corso di milioni di anni, a causa dell’accumulo di strati di sedimenti sovrastanti e delle pressioni geologiche, la torba viene sottoposta a processi di carbonizzazione che trasformano la torba in lignite, poi in bitume, antracite e, infine, carbone.
3. passaggio da litosfera ad atmosfera: il ciclo del carbonio su scala geologica si completa quando, a seguito di processi geologici di orogenesi (quelli che danno luogo alla deriva dei continenti ed alla formazione delle catene montuose), il carbonio passa dalla litosfera all’atmosfera o all’idrosfera attraverso la degradazione delle rocce sedimentarie carbonatiche, eruzioni vulcaniche o combustione di carbone e idrocarburi. In natura il rilascio del carbonio dalla litosfera è quindi un processo estremamente lento.

Pozzi e fonti di carbonio

Nei due cicli appena visti il carbonio può restare intrappolato al di fuori dell’atmosfera per periodi più o meno prolungati. Si parla di pozzi di carbonio proprio per indicare depositi che assorbono e trattengono quantità di carbonio maggiori di quelle che emettono (ad esempio foreste, oceani, permafrost, giacimenti di idrocarburi). Tuttavia un pozzo di carbonio può trasformarsi in fonte di carbonio quando vengono meno le condizioni che permettono all’assorbimento di essere maggiore dell’emissione. Esempi di fonti di carbonio sono foreste che bruciano, permafrost che si scioglie, e idrocarburi che vengono estratti dalle profondità della Terra.

Dalla comparsa della specie umana, per millenni l’effetto combinato di pozzi e fonti di carbonio ha mantenuto fondamentalmente stabili le concentrazioni in atmosfera di anidride carbonica e metano. Difatti, si sono sempre verificati, ad esempio, incendi nelle foreste o cambiamenti del clima che hanno sciolto porzioni di permafrost. Ma le emissioni di queste fonti sono sempre state compensate dall’azione contraria di altri pozzi.

Questi equilibri possono essere compresi proprio con la conoscenza del ciclo del carbonio. E proprio conoscendo questi meccanismi è più facile capire quali attività umane li stiano alterando, potenziando le fonti e riducendo i pozzi, con il risultato di aumentare le concentrazioni di gas climalteranti in atmosfera.

Alterazioni antropiche del ciclo del carbonio

Ai fini dei cambiamenti climatici, le attività umane che hanno impattato di più il ciclo del carbonio sono:

1. estrazione di combustibili fossili: l’uso di carbone, petrolio e gas naturale per la produzione di energia, per il trasporto di beni e persone e per molti processi industriali è la principale fonte di emissioni antropogeniche di CO₂ nell’atmosfera;
2. deforestazione: l’abbattimento delle foreste, per recuperare terreni da adibire all’agricoltura, all’allevamento, ad attività industriali e agli insediamenti umani, riduce la capacità della biosfera di assorbire il carbonio attraverso la fotosintesi. Inoltre la rimozione delle foreste libera in atmosfera il carbonio precedentemente immagazzinato nei tronchi degli alberi sotto forma di CO₂;
3. allevamento intensivo: la digestione dei ruminanti, come mucche e pecore, produce metano come sottoprodotto. Questo processo, detto “fermentazione enterica”, è una delle principali fonti antropogeniche di emissioni di metano;
4. trattamento dei rifiuti: i rifiuti presenti nelle discariche possono essere una fonte di anidride carbonica quando vengono inceneriti e una fonte di metano a causa della decomposizione anaerobica di quelli organici.

È evidente che l’alterazione antropica più evidente del ciclo del carbonio è quella dovuta all’uso dei combustibili fossili, perché in soli due secoli ha liberato nell’atmosfera quantità immense di carbonio che erano rimaste immagazzinate nella litosfera per decine o centinaia di milioni di anni.

Il ciclo del carbonio nell’Antropocene

Con la rivoluzione industriale, e lo sviluppo economico e demografico che ne è derivato, l’impatto dell’Uomo sul pianeta è diventato una forza di portata geologica. Forse il modo più evidente è rappresentato proprio da come è stato stravolto il ciclo del carbonio su scala geologica.

L’accelerazione impressa al passaggio del carbonio dalla litosfera all’atmosfera a seguito dello sfruttamento dei combustibili fossili opera su una scala incompatibile con gli equilibri naturali: il carbonio fossile rilasciato in atmosfera negli ultimi secoli sarebbe stato immesso naturalmente nel sistema climatico solo nell’arco di decine di migliaia o milioni di anni. Ciò avrebbe consentito il suo assorbimento naturale da parte dei processi visti sopra sia su scala bioclimatica che geologica, mentre oggi questi processi non fanno in tempo a rispondere alle emissioni antropiche.

Questo in ultima analisi è il motivo per cui i gas climalteranti si accumulano in atmosfera e il sistema climatico viene forzato rapidamente verso un nuovo equilibrio che sarà incompatibile con la vita di moltissime specie animali e vegetali, dato che si stabilirà in tempi troppo rapidi rispetto a quelli necessari per l’evoluzione naturale delle specie.