Il ciclo del carbonio è uno dei processi biogeochimici fondamentali della Terra, che governa il movimento degli atomi di carbonio attraverso l'atmosfera, gli oceani, i suoli, gli organismi viventi e le formazioni geologiche. Capire questo ciclo è essenziale non solo per comprendere come la vita si sostiene ma anche per comprendere i driver del cambiamento climatico moderno.

Cos'è il ciclo di carbonio?

Il ciclo di carbonio descrive lo scambio continuo di carbonio tra le sfere principali della Terra: l'atmosfera, l'idrosfera (ocei e altri corpi idrici), la litosfera (crosta di Terra), e la biosfera (tutte le cose viventi). Il carbonio si muove attraverso questi serbatoi in varie forme chimiche, soprattutto come diossido di carbonio (CO]2)) nell'atmosfera, si discuocelenta.

I principali riserve di carbonio

Per comprendere il ciclo del carbonio, è utile esaminare dove risiede il carbonio e in quali quantità. Il più grande serbatoio di carbonio è la litosfera, dove il carbonio è bloccato in rocce sedimentarie come calcare e combustibili fossili come carbone, olio e gas naturale. Gli oceani rappresentano il secondo più grande serbatoio di carbonio attivo, che tiene circa 50 volte più carbonio dell’atmosfera.

Carbone atmosferico

L'atmosfera contiene circa 880 gigatoni di carbonio (GtC) come CO2], insieme a piccole quantità di metano (CH4]]) e altri gas di traccia. Questa concentrazione è aumentata da circa 280 parti per milione (ppm) in tempi pre-industriali a oltre 420 ppm oggi, a causa principalmente di piccoli effetti

Carbone Oceanico

Gli oceani immagazzinano circa 38.000 GtC come carbonio inorganico disciolto, ioni bicarbonati e ioni carbonati. Agiscono come un grande lavandino di carbonio, assorbendo circa un quarto di CO causata dall'uomo[]2]] emissioni ogni anno. Questo aumento rallenta il riscaldamento atmosferico ma porta all'acidificazione dell'oceano, che danneggia la vita marina, soprattutto gli organismi conchilo scheletro.

Carbone Terrestre

Gli ecosistemi terrestri conservano circa 2.500 GtC in materia organica del suolo e vegetazione. Le foreste sono particolarmente importanti, in quanto detengono la maggior parte del carbonio terrestre. Tuttavia, la deforestazione e il rilascio di cambiamento del terreno immagazzinato di carbonio nell'atmosfera, accelerando il cambiamento climatico.

Carbone geologico

La litosfera contiene circa 60 milioni di GtC, la maggior parte di essi in rocce sedimentarie come calcare formato da organismi marini. Questo serbatoio scambia carbonio con gli altri serbatoi estremamente lentamente - su scale temporali tettoniche di milioni di anni. I combustibili fossili, che rappresentano una piccola frazione del serbatoio geologico, vengono estratti e bruciati ad un ritmo molto superiore al rilascio geologico naturale, creando uno squilibrio.

I processi chiave guida il ciclo di carbonio

Il carbonio si muove tra serbatoi attraverso una serie di processi biologici, chimici e fisici, e la comprensione di questi processi è fondamentale per prevedere come il ciclo di carbonio risponderà alle perturbazioni umane in corso.

Fotografia

Le piante, le alghe e i cianobatteri usano la luce solare per convertire l'atmosfera CO[2] e l'acqua in composti organici (sugars) e ossigeno. Questo processo rimuove CO2] dall'atmosfera e memorizza il carbonio nei tessuti vegetali.

Respirazione

Tutti gli organismi viventi, tra cui piante, animali e microbi, rilasciano CO[2[]] tornano nell'atmosfera come sottoprodotto della respirazione cellulare. In questo processo, il carbonio organico viene ridotto a rilasciare energia, restituire il carbonio all'atmosfera.

Decomposizione

Quando gli organismi muoiono, i decompostori come batteri e funghi abbattere la materia organica, rilasciando CO2] e il metano nell'atmosfera e riportando i nutrienti al suolo. Il tasso di decomposizione dipende dalla temperatura, dall'umidità e dalla disponibilità di ossigeno.

Combustione

La combustione della biomassa (le falde, la combustione agricola) o dei combustibili fossili ossida rapidamente il carbonio, rilasciando CO2] e altri gas. I falò sono una parte naturale di molti ecosistemi, ma la loro frequenza e intensità sono in aumento a causa del cambiamento climatico. La combustione umana dei combustibili fossili aggiunge circa 10 GtC all'anno all'atmosfera—un tasso che si riduce le emissioni naturali.

Aspirazione e Circolazione dell'Oceano

Gli oceani assorbiscono CO2] direttamente attraverso lo scambio di gas d'aria-mare. Una volta sciolto, CO2 reagisce con l'acqua di mare per formare acidi carbonici, bicarbonato e ioni carbonati. Questo tamponamento chimico consente ai secoli di immagazzinare grandi quantità di carbonio.

Meteo e Volcanismo

Le acque chimiche delle rocce silicate e carbonate consumano CO[2] dall'atmosfera. Ad esempio, la reazione dell'acqua piovana (acido debole da CO2]]) con rocce di silicato di calcio produce ioni di calcio e bicarbonato, che vengono lavati nell'oceano e infine precipitati come calcare.

Il ciclo del carbonio e l'effetto serra

L’effetto serra è un fenomeno naturale che mantiene la superficie terrestre circa 33 °C più caldo di quanto non sarebbe un’atmosfera. I gas serra, tra cui CO Clima], vapore acqueo, metano e ossido nitroso, assorbire e re-emettere radiazioni infrarosse, trafilando calore nell’atmosfera più bassa.

Perturbazioni umane al ciclo del carbonio

Le attività umane stanno alterando il ciclo del carbonio su scala globale, principalmente rilasciando carbonio che è stato immagazzinato per milioni di anni in combustibili fossili e cambiando superfici terrestri che in precedenza hanno agito come lavandini di carbonio.

Fossil Combustione del carburante

Il carbone, il petrolio e il gas naturale per l'energia, il trasporto e l'industria è la più grande fonte di emissioni di CO antropogenico[2]], che rappresentano circa il 90% delle emissioni totali dalle attività umane.

Disboscamento e cambiamento di terreno

La compensazione delle foreste per l'agricoltura, l'urbanizzazione e il legname rimuove la vegetazione che altrimenti assorbirebbe CO2] attraverso la fotosintesi. Quando le foreste sono bruciate o lasciate a decadimento, il carbonio immagazzinato negli alberi e nei suoli viene rilasciato all'atmosfera.

Processi industriali

Alcune attività industriali rilasciano CO2[]] come sottoprodotto chimico. La produzione di cemento, ad esempio, emette CO2[ quando il calcare (carbonato di calcio) è riscaldato per produrre calce (ossido di calcio). Queste fonti aggiungono circa il 5% alle emissioni umane totali e sono difficili da mitigare senza nuove tecnologie.

Impatto sui Sinks Naturali

Mentre la terra e l'oceano affondano continuano ad assorbire circa la metà delle emissioni di CO2, la loro efficienza può diminuire in un mondo di riscaldamento. Le acque più calde tengono meno CO2], e le foreste affette dal calore possono soffrire di siccità, incendi e causando focolai di parassiti, riducendo la loro capacità di ridimensionamento del carbonio.

Conseguenze di un ciclo di carbonio imbarcato

La disgregazione del ciclo di carbonio da parte delle attività umane ha profonde conseguenze per il sistema climatico, gli ecosistemi e le società umane.L'amministrazione nazionale dell'oceano e dell'atmosfera (NOAA) fornisce risorse educative complete su questi impatti.

Global Warming e Climate Extremes

L'aumento dei gas serra ha già aumentato la temperatura media globale di oltre 1 °C. Questo riscaldamento intensifica il ciclo idrologico, portando a siccità più gravi in alcune regioni e eventi di pioggia più pesanti in altre. Le onde di calore sono diventate più frequenti e intense, mentre il ghiaccio marino artico sta diminuendo rapidamente. I progetti IPCC che senza drastiche riduzioni di emissioni, il riscaldamento potrebbe superare i 3 °C entro la fine di questo secolo, con conseguenze catastrofiche.

Acidificazione dell'oceano

Il 30% delle unità di CO2] emesse dagli esseri umani è stato assorbito dagli oceani. Mentre questo rallenta il riscaldamento atmosferico, cambia anche la chimica dell'acqua di mare.

Risalire in posizione di mare

Le temperature più elevate a livello globale causano l'espansione termica delle acque marine e dei ghiacciai e dei ghiacciai sciolti, portando a livelli di mare in aumento. Il livello globale del mare medio è aumentato di circa 20 cm dal 1900, e il tasso sta accelerando.

Diruzione dell'ecosistema e perdita di biodiversità

Variazioni di temperatura e precipitazioni, insieme a elevati livelli di CO2], alterare gli habitat e costringere le specie a migrare o ad adattarsi. Molte specie non possono tenere il passo con il tasso di cambiamento climatico, portando a decrescite e estinzioni della popolazione. Le barriere coralline sono particolarmente vulnerabili a causa di stress combinati dal riscaldamento e dall'acidificazione.

Strategie di mitigazione e di adattamento

Per stabilizzare il ciclo di carbonio ed evitare i peggiori impatti del cambiamento climatico, è necessaria una combinazione di mitigazione (riduzione delle emissioni) e adattamento (regolazione ai cambiamenti) . L'Agenzia U.S. Environmental Protection Agency (EPA)[] offre informazioni dettagliate sulla mitigazione del cambiamento climatico e sulle opzioni di adattamento.

Energia rinnovabile ed efficienza

Il miglioramento dell'efficienza energetica negli edifici, nell'industria e nei trasporti riduce anche la domanda e riduce le emissioni. Molti paesi hanno fissato obiettivi di emissione netta zero per il 2050, che richiedono una rapida distribuzione delle tecnologie energetiche pulite.

Afforestazione e riforestazione

Le foreste assorbono CO2] e lo immagazzinano in biomassa e suolo. Tuttavia, la riforestazione deve essere fatta con cura, utilizzando specie autoctone e proteggendo gli ecosistemi esistenti. L'afforestazione delle praterie o delle torbiere può talvolta fare più male che bene se riduce la biodiversità o asciuga i suoli ricchi di carbonio.

Sequestro del carbonio del suolo

Le pratiche agricole sostenibili, come l'agricoltura senza limiti, la copertura di ritagli e agroforestria, possono aumentare la quantità di carbonio immagazzinata nei suoli. I terreni sono un enorme serbatoio di carbonio, e anche un piccolo aumento del loro contenuto di carbonio può fare una differenza significativa. Inoltre, il ripristino delle terre degradate e la protezione delle torbiere impedisce il rilascio di carbonio immagazzinato.

Cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio

Le tecnologie che catturano CO2[]] da fonti industriali o direttamente dall'aria (acquisizione diretta dell'aria) possono essere combinate con lo stoccaggio permanente sotterraneo o in prodotti. Questi approcci sono ancora costosi e non ancora dispiegati in scala, ma possono essere necessari per compensare le emissioni da settori difficili da abbagliare come l'aviazione e la produzione di cemento.

Cambiamenti comportamentali e Interventi politici

Le azioni individuali, come la riduzione dei rifiuti alimentari, la riduzione della carne, l'utilizzo dei trasporti pubblici e l'aumento della conservazione dell'energia, le emissioni sono diminuite collettivamente, ma sono essenziali i cambiamenti sistemici che la politica comporta.

Conclusioni

Il ciclo del carbonio è un sistema profondamente interconnesso che ha mantenuto il clima della Terra in uno stato abitabile per milioni di anni. Le attività umane, in particolare la combustione dei combustibili fossili e la deforestazione, hanno gettato questo sistema fuori equilibrio, con conseguente aumento del CO]2]] livelli, riscaldamento globale e dispersione ambientale diffusa.