Ciclo del carbonio: caratteristiche, serbatoi, componenti, alterazioni
Il ciclo del carbonio è il processo biogeochimico che descrive il flusso di carbonio sulla Terra. Consiste nello scambio di carbonio tra i diversi serbatoi (atmosfera, biosfera, oceani e sedimenti geologici), nonché la loro trasformazione in diverse disposizioni molecolari.
Il carbonio è un elemento essenziale nella vita degli esseri viventi. Sulla Terra è presente nella sua forma semplice come carbone o diamanti, sotto forma di composti inorganici, come il diossido di carbonio (CO 2 ) e il metano (CH 4 ), e come composti organici, come la biomassa (la materia degli esseri viventi ) e combustibili fossili (petrolio e gas naturale).
Il ciclo del carbonio è uno dei cicli biogeochimici più complessi e di maggiore importanza a causa delle sue ripercussioni sulla vita sul pianeta. Può essere suddiviso in due cicli più semplici, che sono interconnessi.
Uno riguarda il rapido scambio di carbonio che si verifica tra gli esseri viventi e l'atmosfera, gli oceani e il suolo. Un altro descrive i processi geologici a lungo termine.
Nel secolo scorso i livelli di CO2 atmosferici sono aumentati considerevolmente a causa dell'uso di combustibili fossili per mantenere un modello economico, sociale e tecnologico insostenibile guidato dalla rivoluzione industriale nel 19 ° secolo.
Questo squilibrio nel ciclo globale del carbonio ha determinato un cambiamento nei modelli di temperatura e precipitazioni che sono espressi oggi in quello che conosciamo come cambiamento climatico.
Caratteristiche generali
Il carbonio è un elemento chimico non metallico. Il suo simbolo è C, il suo numero atomico è 6 e la sua massa atomica è 12.01. Ha quattro elettroni per formare legami chimici covalenti (è tetravalente).
È uno degli elementi più abbondanti nella crosta terrestre. Il quarto elemento più abbondante nell'universo, dopo l'idrogeno, l'elio e l'ossigeno, e il secondo elemento più abbondante negli esseri viventi, dopo l'ossigeno.
Il carbonio ha una grande importanza per la vita. È uno dei principali costituenti degli amminoacidi che danno origine alle proteine ed è un componente essenziale del DNA di tutti gli esseri viventi.
Insieme con l'ossigeno e l'idrogeno forma un'ampia varietà di composti come gli acidi grassi, costituenti di tutte le membrane cellulari.
Serbatoi di carbonio
atmosfera
L'atmosfera è lo strato gassoso che circonda la Terra. Contiene lo 0, 001% del carbonio globale, principalmente sotto forma di anidride carbonica (CO2) e metano (CH4).
Nonostante sia uno dei serbatoi di carbonio più bassi sulla Terra, è coinvolto in un gran numero di processi biochimici. Rappresenta un importante serbatoio nel mantenimento della vita sulla Terra.
biosfera
La biosfera contiene due terzi del carbonio totale della Terra sotto forma di biomassa (vivente e morta). Il carbonio è una parte importante della struttura e dei processi biochimici di tutte le cellule viventi.
Le foreste non sono solo un importante serbatoio di carbonio nella biosfera, ma alcuni tipi sono stati riconosciuti come lavandini, come le foreste temperate.
Quando le foreste sono nelle fasi primarie prendono la CO2 dall'atmosfera e la immagazzinano sotto forma di legno. Quando raggiungono la maturità assorbono meno anidride carbonica, ma il legno dei loro alberi contiene enormi quantità di carbonio (circa il 20% del loro peso).
Anche gli organismi marini costituiscono un importante serbatoio di carbonio. Conservano il carbonio nei loro gusci, sotto forma di carbonato di calcio.
pavimenti
Il suolo contiene circa un terzo del carbonio della Terra in forme inorganiche, come il carbonato di calcio. Memorizza tre volte più carbonio rispetto all'atmosfera e quattro volte più carbonio rispetto alla biomassa delle piante. Il suolo è il più grande serbatoio in interazione con l'atmosfera.
Oltre ad essere un serbatoio di carbonio, il suolo è stato identificato come un importante pozzo; è un deposito che contribuisce ad assorbire l'alta e crescente concentrazione di carbonio nell'atmosfera, sotto forma di CO 2 . Questo sink è importante per la riduzione del riscaldamento globale.
I terreni di qualità, con una buona quantità di humus e materia organica, sono buoni serbatoi di carbonio. Le pratiche tradizionali e agroecologiche di piantare mantengono le proprietà del suolo come un serbatoio o un pozzo di carbonio.
oceani
Gli oceani contengono lo 0, 05% del carbonio globale della Terra. Il carbonio si trova principalmente sotto forma di bicarbonato, che può essere combinato con il calcio e formare carbonato di calcio o calcare, che precipita sul fondo dell'oceano.
Gli oceani sono stati considerati uno dei più grandi pozzi di CO 2, assorbendo quasi il 50% del carbonio atmosferico. Situazione che ha messo in pericolo la biodiversità marina aumentando l'acidità dell'acqua di mare.
Sedimenti geologici
I sedimenti geologici immagazzinati in una forma inerte nella litosfera sono il più grande serbatoio di carbonio sulla Terra. Il carbonio immagazzinato qui può essere di origine inorganica o di origine organica.
Circa il 99% di carbonio immagazzinato nella litosfera è carbonio inorganico immagazzinato in rocce sedimentarie, come rocce calcaree.
Il carbonio rimanente è una miscela di composti chimici organici presenti nelle rocce sedimentarie, noto come cherogeno, formatosi milioni di anni fa da sedimenti di biomassa che sono sepolti e soggetti all'azione di alta pressione e temperatura. Una parte di questi cherogeni viene convertita in petrolio, gas e carbone.
componenti
Il ciclo globale del carbonio può essere compreso meglio studiando due cicli più semplici che interagiscono tra loro: un ciclo breve e un ciclo lungo.
Il cortometraggio si concentra sul rapido scambio di carbonio che vivono gli esseri viventi. Mentre il lungo ciclo avviene per milioni di anni e include lo scambio di carbonio tra l'interno e la superficie della Terra.
-Ciclo rapido
Il ciclo rapido del carbonio è anche conosciuto come il ciclo biologico, perché si basa sullo scambio di carbonio che avviene tra gli organismi viventi con l'atmosfera, gli oceani e il suolo.
Il carbonio atmosferico è presente principalmente come anidride carbonica. Questo gas reagisce con le molecole d'acqua negli oceani per produrre ioni bicarbonato. Maggiore è la concentrazione di biossido di carbonio nell'atmosfera, maggiore è la formazione di bicarbonato. Questo processo aiuta a regolare la CO 2 nell'atmosfera.
Il carbonio, sotto forma di anidride carbonica, entra in tutte le reti trofiche, sia terrestri che acquatiche, attraverso organismi fotosintetici, come alghe e piante. A loro volta, gli organismi eterotrofi ottengono carbonio nutrendosi di organismi autotrofi.
Una parte del carbonio organico ritorna nell'atmosfera attraverso la decomposizione della materia organica (effettuata da batteri e funghi) e la respirazione cellulare (nelle piante e nei funghi). Durante la respirazione, le cellule usano energia immagazzinata in molecole contenenti carbonio (come gli zuccheri) per produrre energia e CO 2 .
Un'altra parte del carbonio organico viene convertita in sedimenti e non ritorna in atmosfera. Il carbonio immagazzinato nei sedimenti di biomassa marina nel fondo del mare (quando gli organismi muoiono), si decompongono e la CO 2 si dissolve in acque profonde. Questa CO2 viene permanentemente rimossa dall'atmosfera.
Allo stesso modo, parte del carbonio immagazzinato negli alberi, nei giunchi e in altre piante forestali si decompone lentamente in paludi, paludi e zone umide in condizioni anaerobiche e bassa attività microbica.
Questo processo produce torba, una massa spugnosa e leggera, ricca di carbonio, che viene usata come combustibile e come fertilizzante organico. Circa un terzo di tutto il carbonio organico terrestre è la torba.
- Ciclo lento
Il ciclo lento del carbonio include lo scambio di carbonio tra le rocce della litosfera e il sistema di superficie della Terra: gli oceani, l'atmosfera, la biosfera e il suolo. Questo ciclo è il principale motore della concentrazione di anidride carbonica atmosferica su scala geologica.
Il carbonio inorganico
L'anidride carbonica disciolta nell'atmosfera si combina con l'acqua per formare l'acido carbonico. Questo reagisce con il calcio e il magnesio presenti nella crosta terrestre per formare carbonati.
A causa dell'effetto erosione della pioggia e del vento, i carbonati raggiungono gli oceani, dove si accumula il fondo del mare. I carbonati possono anche essere assimilati da organismi, che alla fine muoiono e precipitano sul fondo marino. Questi sedimenti si accumulano per migliaia di anni e formano rocce calcaree.
Le rocce sedimentarie del fondo marino sono assorbite nel mantello della Terra mediante subduzione (un processo che comporta l'affondamento di una zona oceanica di una placca tettonica sotto il bordo di un'altra piastra).
Nella litosfera, le rocce sedimentarie sono sottoposte ad alte pressioni e temperature e di conseguenza si sciolgono e reagiscono chimicamente con altri minerali, liberando CO 2 . L'anidride carbonica così rilasciata ritorna nell'atmosfera attraverso le eruzioni vulcaniche.
Il carbonio inorganico
Un altro componente importante di questo ciclo geologico è il carbonio organico. Questo deriva dalla biomassa sepolta in condizioni anaerobiche e da alta pressione e temperatura. Questo processo ha portato alla formazione di sostanze fossili ad alto contenuto energetico, come carbone, petrolio o gas naturale.
Durante l'emergere della rivoluzione industriale, nel 19 ° secolo, è stato scoperto l'uso di carbonio organico fossilizzato come fonte di energia. Dal ventesimo secolo c'è stato un costante aumento nell'uso di questi combustibili fossili, causando in pochi decenni il rilascio nell'atmosfera di grandi quantità di carbonio accumulato nella terra per migliaia di anni.
Alterazioni del ciclo del carbonio
Il ciclo del carbonio, insieme ai cicli dell'acqua e dei nutrienti, costituisce la base della vita. Mantenere questi cicli determina la salute e la resilienza degli ecosistemi e la loro capacità di fornire benessere all'umanità. Le principali alterazioni del ciclo del carbonio sono indicate di seguito:
Cambiamenti atmosferici
Il biossido di carbonio atmosferico è un gas a effetto serra. Insieme a metano e altri gas, assorbe il calore irradiato dalla superficie terrestre, impedendone il rilascio nello spazio.
L'allarmante aumento del biossido di carbonio nell'atmosfera e in altri gas serra ha alterato il bilancio energetico della Terra. Ciò determina la circolazione globale di calore e acqua nell'atmosfera, i modelli di temperatura e precipitazioni, i cambiamenti delle condizioni meteorologiche e l'innalzamento del livello del mare.
La principale alterazione umana del ciclo del carbonio si basa sull'aumento delle emissioni di CO 2 . Dal 1987, le emissioni annue globali di CO 2 derivanti dalla combustione di combustibili fossili sono aumentate di circa un terzo.
Il settore delle costruzioni causa anche emissioni dirette di CO2 nella produzione di acciaio e cemento.
Le emissioni atmosferiche di monossido e biossido di carbonio nel settore dei trasporti sono aumentate anche negli ultimi decenni. C'è stato un aumento relativamente alto nell'acquisto di veicoli personali. Inoltre, la tendenza è a favore di auto più pesanti e con un maggiore consumo di energia.
I cambiamenti nell'uso del suolo hanno generato circa un terzo dell'aumento del biossido di carbonio nell'atmosfera negli ultimi 150 anni. Soprattutto attraverso la perdita di carbonio organico.
Perdita di materia organica
Durante gli ultimi due decenni, il cambiamento nell'uso del suolo ha prodotto un significativo aumento delle emissioni di anidride carbonica e metano nell'atmosfera.
La riduzione della superficie boschiva in tutto il mondo ha inizialmente causato una significativa perdita di biomassa a seguito della conversione in pascoli e terreni agricoli.
L'uso agricolo delle terre diminuisce la materia organica, raggiungendo un nuovo ed inferiore equilibrio, dovuto all'ossidazione della materia organica.
L'aumento delle emissioni è anche il risultato del drenaggio della torba e delle zone umide ad alto contenuto organico. Con l'aumento della temperatura globale aumenta il tasso di decomposizione della materia organica nel suolo e nella torba, quindi il rischio di questo importante affondamento di carbonio è accelerato.
La tundra potrebbe passare dall'essere un pozzo di carbonio a diventare fonti di gas serra.
