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ⓘ Ciclo del carbonio




Ciclo del carbonio
                                     

ⓘ Ciclo del carbonio

In biologia e chimica ambientale il ciclo del carbonio è il ciclo biogeochimico attraverso il quale il carbonio viene scambiato tra la geosfera, lidrosfera, la biosfera e latmosfera della Terra. Tutte queste porzioni della Terra sono considerabili a tutti gli effetti riserve di carbonio.

Il ciclo è infatti solitamente inteso come linterscambio dinamico tra questi quattro distretti con le dinamiche di interscambio legate a processi chimici, fisici, geologici e biologici. Il bilancio globale del carbonio è il bilancio degli scambi entrate e perdite tra le riserve di carbonio o tra uno specifico ciclo ad es. atmosfera-biosfera del ciclo del carbonio; un esame del bilancio su una riserva può fornire informazioni se questa stia funzionando da fonte o da consumatore dei biossidi di carbonio. Sembra inoltre che anche altri corpi celesti possano avere un ciclo del carbonio, ma esistono pochissime informazioni a riguardo.

                                     

1. Carbonio nella biosfera

Circa 1500 miliardi di tonnellate di carbonio sono presenti nella biosfera. Il carbonio è parte essenziale della vita sulla Terra. Esso gioca un ruolo importante nella struttura, biochimica e nutrizione di tutte le cellule viventi. E la vita gioca un ruolo importante nel ciclo del carbonio:

  • La combustione di biomassa ad esempio incendi boschivi, o legna usata per il riscaldamento può trasferire anchessa un sostanziale quantitativo di carbonio nellatmosfera.
  • Gli organismi autotrofi sono organismi che producono i loro composti organici usando il biossido di carbonio tratto dallaria o dallacqua in cui vivono. Quasi tutti gli autotrofi usano la radiazione solare a questo scopo e il loro processo di produzione viene chiamato fotosintesi. Un piccolo numero di autotrofi sfrutta fonti di energia chimica in questo caso si parla di chemiosintesi. Gli autotrofi più importanti per il ciclo del carbonio sono gli alberi delle foreste sulla terraferma e il fitoplancton negli oceani. La fotosintesi clorofilliana segue la reazione 6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
  • Il carbonio viene trasferito nella biosfera quando gli organismi eterotrofi si nutrono di altri organismi o di loro parti ad esempio i frutti. Questo comprende lassorbimento di materiale organico morto da parte di funghi e batteri, che producono fermentazione o decomposizione.
  • Gran parte del carbonio lascia la biosfera attraverso la respirazione. Quando è presente lossigeno, si ha la respirazione aerobica, che rilascia biossido di carbonio nellaria o nellacqua circostante, seguendo la reazione C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O. Altrimenti si ha la respirazione anaerobica, con rilascio di metano nellambiente circostante, il quale giunge fino allatmosfera o allidrosfera ad esempio con i gas di palude o la flatulenza.

Limmagazzinamento di carbonio nella biosfera è influenzato da diversi processi che si attuano su varie scale temporali: mentre la produttività primaria netta segue un ciclo diurno e stagionale, il carbonio può essere immagazzinato per diverse centinaia di anni negli alberi e fino a migliaia di anni nel suolo. Cambiamenti in questi bacini di carbonio a lungo termine possono influenzare direttamente il riscaldamento globale.

                                     

2. Carbonio nella geosfera

Il carbonio può anche lasciare la biosfera, quando la materia organica morta come la torba sedimenta e viene ricoperta da altri depositi sedimentari, viene incorporata nella geosfera.

                                     

2.1. Carbonio nella geosfera Il carbonio negli oceani

  • Le conchiglie, fatte di carbonato di calcio, possono trasformarsi in calcare attraverso il processo di sedimentazione.
  • Molto si deve ancora apprendere circa il ciclo del carbonio nelloceano profondo. Ad esempio, una recente scoperta è che le bolle di muco delle Appendicolarie dette "case" vengono create in quantità talmente grande che possono fornire una quantità di carbonio alloceano profondo pari a quella rilevata in precedenza dalle trappole per sedimento. A causa della loro dimensione e composizione, queste "case" raramente vengono raccolte da tali trappole, quindi gran parte delle analisi biogeochimiche le hanno erroneamente ignorate.

I mari contengono circa 36.000 miliardi di tonnellate di carbonio, in gran parte sotto forma di ione bicarbonato. La presenza di carbonio inorganico, rappresentato da gruppi di carbonio senza legami carbonio-carbonio o carbonio-idrogeno, è importante per le sue reazioni in acqua. Questo scambio di carbonio diventa importante nel controllare il pH degli oceani e può comportarsi sia come sorgente che come assorbente di carbonio a seconda delle condizioni. Il carbonio è scambiato rapidamente tra atmosfera e oceano. Nelle regioni oceaniche di upwelling, il carbonio viene rilasciato verso latmosfera. Al contrario, nelle regioni di downwelling il trasferimento di carbonio CO 2 avviene tra atmosfera e oceano. Quando esso è assorbito dalloceano avviene la formazione di acido carbonico:

CO 2 + H 2 O ⇌ H 2 CO 3

Questa reazione può avvenire in entrambe le direzioni, fino a raggiungere lequilibrio chimico. Unaltra importante reazione che determina il pH oceanico è il rilascio di ioni idrogeno e bicarbonato:

H 2 CO 3 ⇌ H + + HCO 3 -


                                     

3. Geochimica isotopica e ciclo del carbonio

Il carbonio in natura è presente in due isotopi stabili, 12 C e 13 C. Lungo il ciclo del carbonio, le specie che lo contengono subiscono trasformazioni chimiche e fisiche; queste causano un frazionamento isotopico, che modifica labbondanza isotopica nei diversi serbatoi di carbonio.

Lanidride carbonica nellatmosfera ha un valore di δ 13 C = -10‰ ÷ -6‰ V-PDB cioè il suo rapporto di abbondanza di 13 C su 12 C è del 10‰ ÷ 6‰ più basso rispetto al rapporto nello standard Pee-Dee Belemnitella.

Lanidride carbonica disciolta nellacqua degli oceani, sotto forma di bicarbonato in equilibrio chimico con latmosfera, ha un valore di δ 13 C = +0.5‰ ÷ +0.1‰ V-PDB; questo perché a 20÷25 °C il fattore di arricchimento isotopico dalla fase gassosa alla fase disciolta è ε H C O 3 − a q / C O 2 g = + 9 o / o {\displaystyle \varepsilon _ che va da -50‰ a -90‰. Grazie a questo fatto è possibile distinguere il metano biogenico che presenta valori di δ 13 C molto bassi da quello abiogenico con valori δ 13 C più prossimi allo 0.

                                     

4. I modelli del ciclo del carbonio

Diversi modelli del ciclo del carbonio possono essere incorporati allinterno del modello globale del clima, in modo da prevedere leffetto di interazione dei futuri livelli di CO 2 sugli oceani e sulla biosfera. Ci sono, comunque, considerevoli dubbi sulla loro effettiva correttezza, sia per quanto riguarda i modelli fisici che biochimici specialmente questultimo. Tali sistemi mostrano che cè una relazione diretta tra temperatura e CO 2. Ad esempio alcuni ricercatori hanno mostrato che nel loro modello, includendo il ciclo del carbonio, aumenta la quantità di CO 2 nellatmosfera di circa 90 ppmv a 2100 superiore al valore predetto dai modelli con un ciclo del carbonio non interattivo, portando ad un ulteriore aumento di 0.6 °C del riscaldamento.

                                     

5. Attività umana

Sin dagli inizi della Rivoluzione industriale, lattività umana ha avuto un certo impatto sul ciclo del carbonio, cambiandone alcune fasi del ciclo ed arrivando a rilasciare direttamente nellatmosfera del carbonio.

La principale e più evidente prova dellinfluenza umana su questo ciclo è costituita dalle emissioni di gas di scarico prodotti dalla combustione dei combustibili fossili, che trasferiscono carbonio dalla geosfera allatmosfera. Questi scarichi influenzano il ciclo del carbonio indirettamente, modificando la biosfera terrestre e quella oceanica.

Nel corso dei secoli, lalterazione dei terreni adoperata dalluomo ha comportato una perdita importante dal punto di vista della biodiversità, diminuendo la capacità degli ecosistemi di resistere agli stress ambientali e, pertanto, riducendo le possibilità di un dato ambiente di rimuovere il carbonio in eccesso dallatmosfera. Più direttamente, può capitare che il carbonio venga riemesso nellatmosfera, aggravando ulteriormente la situazione. Un altro grave problema è rappresentato dalla progressiva deforestazione. Gli alberi sono in grado di trattenere grandi quantità di carbonio e la loro rimozione, specialmente senza un successivo rimboschimento, fa sì che quantità maggiori di carbonio permangano nellatmosfera.

Temperature più elevate e livelli di CO 2 nellatmosfera aumentano i tassi di decomposizione nel suolo, restituendo così allatmosfera la CO 2 immagazzinata in materiale vegetale.

Tuttavia, un aumento dei livelli di CO 2 nellatmosfera può anche portare ad una maggiore produzione primaria lorda. Aumenta i tassi di fotosintesi, consentendo alle piante di utilizzare in modo più efficiente lacqua, perché non hanno più bisogno di lasciare i loro stomi aperti per così lunghi periodi di tempo, in modo da assorbire la stessa quantità di anidride carbonica.

Gli esseri umani influenzano anche il ciclo del carbonio oceanico. Le attuali tendenze dei cambiamenti climatici portano a temperature delloceano più elevate, modificando così gli ecosistemi. Inoltre, le piogge acide e il rilascio di agenti inquinanti nelle acque modificano la composizione chimica degli oceani. Tali cambiamenti possono avere effetti drammatici sugli ecosistemi particolarmente sensibili come le barriere coralline, limitando così la capacità delloceano di assorbire il carbonio dallatmosfera su scala regionale e la riduzione della biodiversità oceanica globale, comportando, insieme al riscaldamento globale, una diminuzione dei ghiacci polari e un progressivo aumento del livello dellacqua lungo le coste.

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