Il ciclo del carbonio

La Terra contiene circa 10$^{23}$g di carbonio: la grande maggioranza si trova nelle rocce sedimentarie sotto forma di carbonati (6.5 $\times$ 10$^{22}$ g) e composti organici (1.56 $\times$ 10$^{22}$ g). Se non esistesse vita sulla terra la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera sarebbe essenzialmente determinata dal ciclo di Fig. 2 che coinvolge oceani e atmosfera. Il carbonio passa dall'atmosfera agli oceani mediante lenti processi di natura chimica. In primo luogo la CO$_{2}$ presente in atmosfera può disciogliersi nelle acque (legge di Henry, la solubilità è proporzionale alla pressione parziale del gas), dove poi formerà ioni carbonato e bicarbonato. In secondo luogo la CO$_{2}$ atmosferica, a contatto con rocce silicee, le degrada ed i carbonati prodotti dalla degradazione vengono trasportati dai fiumi agli oceani. Comunque vi arrivi, lo ione carbonato in acqua, in presenza di calcio, forma carbonato di calcio (calcare). Grazie alla bassa solubilità del carbonato di calcio si realizza una ``pompa oceanica'' che rimuove la CO$_{2}$ dall'atmosfera per depositarla in forma di carbonati nei sedimenti oceanici. Tuttavia i lentissimi movimenti di subduzione portano i sedimenti nella crosta terrestre dove ad elevate temperature e pressioni avvengono fenomeni di metamorfismo: il carbonato di calcio viene riconvertito in silicato e l'anidride carbonica ritorna quindi in atmosfera per l'attività di vulcani e fumarole. Secondo Berner et al. (Berner, Lasaga et al. 1983) questo ciclo è in grado di mantenere la concentrazione atmosferica di CO$_{2}$ tra 200 e 6000 ppm (parti per milione).

Figura 2: Il ciclo di interazione tra carbonati e silicati sulla superficie terrestre regola nel lungo periodo la concentrazione di anidride carbonica atmosferica in assenza di organismi viventi (Schlesinger, 1991). Vedi testo per maggiori spiegazioni.

In realtà il ciclo del carbonio è profondamente influenzato dalla presenza di vita sulla terra. Solo una piccola parte del carbonio (40 $\times$ 10$^{18}$g) è presente nei comparti attivi (cioè con minore tempo di residenza), come l'atmosfera o gli organismi viventi sulle terre emerse e negli oceani. Ma è fra questi comparti che si realizzano i flussi maggiori: attraverso processi biologici, come ad esempio la fotosintesi e la respirazione aerobia ed anaerobia, il carbonio, in forma di anidride carbonica (CO$_{2}$) ed in misura molto minore di metano (CH$_{4}$), viene trasferito dall'atmosfera alla componente biotica sulle terre emerse e negli oceani e viceversa. Inoltre l'azione di molti organismi marini che si costruiscono scheletri di carbonato di calcio aumenta l'efficacia della pompa oceanica di CO$_{2}$. Vediamo quindi come è fatto il ciclo del carbonio completo della componente organica. È da notare che questo ciclo, a differenza di quello di altri elementi, non implica necessariamente la presenza di decompositori al suo interno in quanto gli autotrofi prelevano il carbonio di cui hanno bisogno nella stessa forma (CO$_{2}$) in cui il carbonio viene emesso da tutti gli organismi nel processo di respirazione. Anche senza decompositori, che peraltro sono comunque presenti, il carbonio continuerebbe a percorrere ciclicamente gli ecosistemi, accumulandosi però nella MOM.

La Fig. 3 illustra il ciclo globale del carbonio a livello dell'intera terra: atmosfera, terre emerse e oceani. Si tenga presente che fino alla metà del secolo diciannovesimo la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera era relativamente costante: circa 280 ppmv (cioè 280 parti per milione in volume) come mostrato in Fig. 4. Ricordando che volumi uguali di gas diversi alla stessa temperatura e pressione contengono lo stesso numero di molecole, ciò vuol dire che c'erano 280 molecole di anidride carbonica ogni milione di molecole di aria. Si può calcolare con gli opportuni coefficienti di conversione che 280 ppm equivalgono a 2.18 x 10$^{18}$ g di CO$_{2}$ e quindi a 594 Pg di C (Pg = Petagrammi = 10$^{15}$ grammi). Attualmente la concentrazione di CO$_{2}$ è di circa 380 ppm. La Fig. 3 riporta invece la situazione intorno al 1985 quando la quantità di carbonio nell'atmosfera era di circa 720 PgC (equivalenti a una concentrazione di anidride carbonica di circa 340 ppm).

Figura 3: Il ciclo globale del carbonio. Le unità dei serbatoi sono petagrammi (Pg) = 10$^{15}$ g e quelle dei flussi Pg a$^{-1}$. I processi di deforestazione e di combustione indicano i flussi dovuti all'azione dell'uomo.

Sono necessari alcuni commenti al diagramma di flusso di Fig. 3. In primo luogo notiamo che nonostante il comparto dei consumatori e dei decompositori terrestri sia molto piccolo (inferiore a 1 PgC) rispetto a quello delle piante, il suo contributo in termini di flusso di CO$_{2}$ dovuto alla respirazione è pari a quello delle piante (60 PgC a$^{-1})$. Per quanto riguarda gli oceani abbiamo indicato per le piante acquatiche (essenzialmente fitoplancton) il flusso netto, differenza tra fotosintesi e respirazione, che ammonta a 40 PgC a$^{-1}$. Un flusso di uguale entità, ma in senso opposto, è quello dovuto alla respirazione di consumatori e decompositori acquatici.

Un discorso accurato merita lo scambio di carbonio tra atmosfera e oceani. Come già detto sopra, l'anidride carbonica si discioglie nell'acqua seguendo la legge di Henry, ma reagisce poi con l'acqua formando carbonati

CO$_{2}$ + H$_{2}$O $\leftrightarrow$ H$^{+}$ + HCO $_{3}^{ - } \quad \leftrightarrow$ 2H$^{+}$ + CO $_{3}^{2 - }$ .

A seconda del pH la reazione è più o meno spostata verso destra o verso sinistra. Con pH$<4.3$ l'anidride carbonica si trova essenzialmente come gas disciolto, mentre con pH$> 8.3$ si ha prevalenza di carbonato. Le acque oceaniche hanno in generale un pH intermedio e quindi la forma più comune di carbonio inorganico disciolto (DIC, dissolved inorganic carbon), che forma un grande comparto di 38000 Pg, è lo ione bicarbonato HCO$_{3}^{-}$. Si ricordi che una parte del bicarbonato reagisce con lo ione calcio formando carbonato di calcio che precipita nei sedimenti. La solubilità della CO$_{2}$ dipende anche dalla temperatura. L'anidride carbonica è circa due volte più solubile a 0$^\circ$ C di quanto non lo sia a 20$^\circ$ C. L'anidride carbonica entra quindi negli strati profondi dell'oceano a causa del flusso verso il basso di acque fredde alle latitudini polari. La maggior parte dell'anidride carbonica degli strati profondi dell'oceano è però restituita all'atmosfera quando le acque fredde e profonde dell'oceano risalgono alle latitudini tropicali (si ricordi la circolazione termoalina e il nastro trasportatore delle correnti oceaniche). Naturalmente una buona parte dell'anidride carbonica presente negli oceani viene utilizzata dalle piante acquatiche per il processo di fotosintesi, mentre la respirazione degli organismi acquatici restituisce la CO$_{2}$ alle acque. È da notare che, se consideriamo il DIC, le entità dei flussi dovuti a fotosintesi e respirazione sono paragonabili a quelli dovuti allo scambio di interfaccia tra atmosfera e acqua. Data l'entità del DIC il tempo di residenza di un atomo di C in tale comparto è di circa 260 anni (38000/145).

Figura 4: La concentrazione di CO$_{2}$ atmosferica negli ultimi mille anni. I dati provengono da campioni di ghiaccio del Polo Sud (circoli aperti), dalle misurazioni effettuate nella base antartica di Siple (circoli chiusi) e dall'osservatorio di Mauna Loa nelle Hawaii (quadratini). Tratto da Ayres et al. (1994).

Il comparto dei combustibili fossili ha naturalmente una grande importanza. L'accumulo di combustibili fossili (carbone, petrolio, gas) è dovuto al fatto che una parte del carbonio organico nel corso di miliardi di anni è scampato all'ossidazione: una parte delle piante e degli animali sono rimasti sepolti in paludi o sedimenti marini in cui erano assenti sia l'ossigeno sia i decompositori anaerobi (particolari batteri che possono funzionare anche in assenza di ossigeno). Tuttavia la gran parte del carbonio non ossidato non è nei combustibili fossili, ma nei sedimenti, che contengono circa 1000 volte più carbonio del compartimento dei combustibili fossili. Tale carbonio non è però utilizzabile dall'uomo per produrre energia. Nel ciclo del carbonio preindustriale il flusso di CO$_{2}$ dai combustibili fossili era praticamente trascurabile, mentre ora non lo è più, ammontando a circa 5 PgC a$^{-1}$. Anche la deforestazione e più in generale la distruzione della vegetazione provocano un'ulteriore flusso verso l'atmosfera dovuto all'attività dell'uomo (circa 2 PgC a$^{-1}$). Si noti che il comparto atmosferico non è in condizioni stazionarie in quanto la somma dei flussi di carbonio entranti è maggiore della somma di quelli uscenti. Infatti (almeno per i dati del 1985 riportati in Fig. 3) si ha una compensazione dei flussi di fotosintesi e respirazione negli ambienti terrestri e un assorbimento da parte dell'oceano di 107 - 105 = 2 PgC a$^{-1}$ , ma questo bilancia solo parzialmente il flusso di 5+2 = 7 PgC a$^{-1}$ dovuti all'attività antropica.