Segui il carbonio
Riproduci il ciclo del carbonio con le sue principali riserve e i relativi flussi aiutandoti con il riso.
Comprendere il ciclo del carbonio è fondamentale per dare un senso ai cambiamenti climatici, fenomeni quali il riscaldamento globale e l’acidificazione degli oceani.
Questo modello mostrerà l’abbondanza relativa di carbonio in ciascuna delle riserve di carbonio presenti sulla Terra, ma rappresenterà altresì gli interscambi annuali che avvengono tra queste.
Materiali
- 2kg circa di riso
- Tazze o altri contenitori per contare e pesare il riso
- Una bilancia
- Un pennarello indelebile
- Quattro buste di plastica con zip grandi
- Cinque buste di plastica con zip piccole
- Una scatola di dimensione 10cm x 10cm x 10cm (la puoi ricavare tagliando a metà un cartone del latte da circa 2 litri)
- Un metro
- Immagini di riserve di carbonio
Assemblaggio
Nota: un gigatone carbonio (GtC) e un petagrammo carbonio (PgC) sono le unità di misura universali fondamentali del carbonio. Un gigatone equivale a un miliardo di tonnellate metriche di carbonio (o un petagrammo, che equivale a 1015grammi). Sono unità di misura interscambiabili; ai fini del nostro esperimento utilizzeremo il GtC.
- Prima di iniziare, chiedi ai partecipanti di individuare almeno una delle riserve di carbonio presenti sulla Terra. Le cinque principali riserve di carbonio sono: le Rocce, l’Atmosfera, gli Oceani, la Biosfera e i Combustibili Fossili.
- Ciascun partecipante deve contare 100 chicchi di riso. Vanno in seguito combinati 5 mucchi di 100 chicchi per ottenere 500 chicchi totali. Calcolatene la massa. (Nel nostro campione, 500 chicchi di riso hanno una massa di 15 grammi). Al fine di creare un modello il più possibile accurato che metta in evidenza l’abbondanza relativa di carbonio presente in ciascuna delle cinque maggiori riserve, considerate ciascun chicco di riso come rappresentativo di 1 gigatone di carbonio (GtC).
- Aiutandovi con la tabella sottostante calcolate quanti grammi di riso rappresentano la quantità di carbonio presente in ciascuna delle quattro riserve (in grassetto: Atmosfera, Oceani, Biosfera e Combustibili fossili) ad eccezione delle Rocce.
Principali riserve di carbonio | Quantità approssimativa di stoccaggio di carbonio (espressa in GtC) |
Rocce | 65.300.000 |
Atmosfera | 879 |
Oceano
· superficie oceanica · oceano profondo · sedimenti superficiali del fondale oceanico |
40.453
903 37.800 1.750
|
Biosfera
· biomassa vegetale · carbonio nel suolo |
1.950
550 1.400 |
Combustibili fossili | 1.000 |
- Servendovi di un pennarello scrivete su ciascuna delle quattro buste di plastica grandi, il nome di ciascuna delle quattro riserve di carbonio analizzate, all’eccezione delle Rocce. (Dal momento che le rocce contengono un notevole quantitativo di carbonio, è impossibile ipotizzarne una rappresentazione fisica in questo modello, per questo motivo non c’è una busta corrispondente alle “Rocce”). Successivamente, servendovi della bilancia, pesate l’ammontare di riso equivalente al quantitativo di carbonio presente in ciascuna riserva e inseritelo nella relativa busta. Al fine di rendere questa fase più efficiente, potete suddividere i partecipanti in quattro gruppi, uno per ciascuna riserva di carbonio.
- Se ci imbattiamo in qualcosa di troppo grande per essere rappresentato dal modello, possiamo escogitare un modo alternativo di rappresentarlo. Per aiutarci ad immaginare il quantitativo di riso necessario a rappresentare il carbonio presente nelle rocce, stimiamo quanti chicchi possono stare dentro ad una scatola di dimensioni 10 cm x 10 cm x 10 cm. Quante scatole di queste dimensioni saranno necessarie per rappresentare l’ammontare di carbonio presente nelle rocce? Quanto spazio occuperebbero nella stanza in cui vi trovate? (Un metro potrebbe aiutarvi nei vostri calcoli).
- Inserite all’interno di ciascuna busta contenente il riso l’immagine della riserva di carbonio corrispondente.
Mettersi all’opera
Queste ricerche vi aiuteranno a capire i flussi di carbonio da una riserva ad un’altra.
Nota: prima di iniziare, fate attenzione all’abbondanza relativa di carbonio in ciascuna delle cinque riserve. Le rocce contengono molto più carbonio che le altre quattro insieme. Dal momento che le rocce fanno parte del ciclo lento del carbonio, non prenderanno parte ai flussi che rappresenterete in questo modello.
Percorso 1: Scambio tra l’Atmosfera e la Biosfera
Il flusso naturale tra l’atmosfera e la biosfera è di circa 120GtC all’anno in ciascuna direzione. Nella Biosfera, la fotosintesi rimuove dall’atmosfera circa 120GtC all’anno. La decomposizione di materiale biologico e la respirazione delle piante e dei microbi presenti nel suolo riemettono 120GtC nell’atmosfera ogni anno.
Al fine di creare un modello che rappresenti questa interazione, rimuovete 120 chicchi di riso dalla busta dell’Atmosfera e inseriteli in una delle cinque buste piccole. Fate lo stesso per la Biosfera. È possibile scambiare tra loro queste due buste (hanno lo stesso contenuto): discutete sul modo che ha il carbonio di fluire da una riserva ad un’altra. Create e ricreate altri modelli che rappresentino questi scambi annuali.
Percorso 2: Scambio tra l’Oceano e l’Atmosfera
Il carbonio fluisce tra l’oceano e l’atmosfera ad un tasso pari a 90GtC all’anno in ciascuna direzione. La maggior parte di questo scambio avviene per trasmissione attraverso la superficie oceanica.
Per riprodurre questa interazione, rimuovete 90 chicchi di riso dalla busta dell’Atmosfera e inseriteli all’interno di una nuova busta piccola. Fate lo stesso con la busta dell’Oceano. Anche in questo caso è possibile scambiare tra loro queste due buste (hanno lo stesso contenuto): discutete sul modo che ha il carbonio di fluire da una riserva ad un’altra. Create e ricreate altri modelli che rappresentino questi scambi annuali.
Notate che fino ad ora il ciclo del carbonio si è mantenuto in equilibrio e nessuna delle riserve ha riscontrato guadagni o perdite netti.
Percorso 3: Scambio tra Combustibili fossili
L’uso antropico di combustibili fossili (che bruciando rilasciano anidride carbonica nell’atmosfera) sta modificando l’equilibrio del carbonio, aggiungendo un addizionale 9,4 (±0.5) GtC in atmosfera ogni anno. Il cambiamento nell’utilizzo dei terreni, come la deforestazione, porta ad una rimozione di parte dei cosiddetti carbon sink, ossia quei processi, attività o meccanismi che possono assorbire il carbonio, contribuendo in tal modo ad un addizionale 1,5 (±0.7) GtC di carbonio. Le attività antropiche sono quindi responsabili del rilascio in atmosfera di quasi 11 GtC all’anno.
Per riprodurre questa interazione, contate 11 chicchi di riso dalla busta dei Combustibili fossili.
Non tutto questo carbonio fluisce in Atmosfera, in parte esso viene assorbito dalle altre riserve. Ogni anno 3 GtC (rappresentate da 3 chicchi di riso) provenienti dalla riserva dei Combustibili fossili vengono assorbiti dalla Biosfera, e 3 GtC (3 chicchi di riso) sono assorbiti dall’Oceano. Questo si traduce in un guadagno netto di 5 GtC (5 chicchi di riso) all’anno in Atmosfera con uno sbilancio di 0,5 GtC all’anno, rappresentante la sovrastima di emissioni e/o la sottostima dei sink (osservate l’equazione di cui sotto).
Flussi medi annuali
Aumento atmosferico | Emissioni da combustibili fossili | Emissioni nette da cambiamento utilizzo dei terreni | Assorbimento oceanico | Carbon sink biosfera | ||||
4,7(±0.02) | = | 9,4(±0.5) | + | 1,5(±0.7) | – | 2,4(±0.5) | – | 3,2(±0.8) |
Che cosa accade?
Questa attività è volta a riprodurre un modello del ciclo veloce del carbonio, che coinvolge le riserve di carbonio oceaniche, atmosferiche e della biosfera. Il ciclo veloce del carbonio può durare da alcuni mesi ad anni. Il ciclo lento del carbonio, che rappresenta la componente geochimica del ciclo del carbonio, coinvolge le rocce e può durare da migliaia a milioni di anni; pertanto non verrà riprodotto in questa esercitazione.
Il flusso di carbonio tra l’oceano, l’atmosfera e la biosfera è rimasto in equilibrio fino alla Rivoluzione Industriale, quando si è cominciato ad estrarre i combustibili fossili dalle rocce (dove erano parte del ciclo lento del carbonio) bruciandoli per ricavarne energia, rilasciando in tal modo un grande quantitativo di carbonio (sotto forma di CO2) nell’atmosfera e di conseguenza nel ciclo veloce del carbonio. Da quel momento il ciclo del carbonio non è più in equilibrio.
Oggi il carbonio proveniente dai combustibili fossili (normalmente parte del ciclo lento del carbonio) continua ad essere rilasciato in atmosfera, ma il ciclo veloce del carbonio non è in grado di assorbirlo alla stessa velocità. Questo ha portato ad un incremento di carbonio in atmosfera di circa 5 GtC all’anno (2018). Se da una parte i processi naturali sono in grado di consumare questo quantitativo addizionale, dall’altra si tratta di processi che appartengono al ciclo lento del carbonio e che quindi richiedono da centinaia di migliaia fino a milioni di anni.
Le conseguenze che ne derivano sono molteplici e includono l’aumento della temperatura atmosferica e oceanica, l’innalzamento del livello del mare e l’acidificazione degli oceani.
Ogni anno, gli oceani assorbono e rilasciano circa 90 GtC, principalmente attraverso l’interfaccia aria-acqua. I processi fisici che controllano l’assorbimento di CO2 nelle acque più fredde e profonde (dove la CO2 è più solubile) e il rimescolamento delle acque oceaniche a profondità media, vengono comunemente definiti “pompa di solubilità”, e non saranno parte di questo modello. La fotosintesi del fitoplancton trasforma la CO2 in carbonio organico, che viene restituito nelle acque oceaniche sotto forma di CO2 attraverso la respirazione e la decomposizione microbica. Con “pompa biologica” si intende la piccola porzione di carbonio organico racchiusa, per opera di certi tipi di plancton, all’interno di piccoli raggruppamenti resistenti alla decomposizione, che sprofondano sul fondale oceanico. La pompa di solubilità e la pompa biologica insieme regolano il quantitativo di carbonio che va a finire nelle profondità oceaniche e lo scambio di CO2 tra l’oceano e l’atmosfera.
Per andare oltre
Le quantità di carbonio rappresentate in questo modello prendono in considerazione il carbonio solido, che non è la forma che assume il carbonio in tutte le riserve presenti sulla Terra. Come potete notare nella lista sottostante, il carbonio può assumere svariate forme.
Rocce: 65,300,000GtC
Il carbonio presente nelle rocce è per la maggior parte allo stato solido, come il calcare (carbonato di calcio, CaCO3).
Le rocce sono sicuramente la più grande riserva terrestre di carbonio, ma gli scambi di flussi di carbonio da e verso questa riserva sono estremamente lenti e non hanno impatto sul ciclo globale del carbonio se si considera una scala temporale umana (da decine a migliaia di anni). Il ciclo di carbonio nelle rocce fa parte del ciclo lento del carbonio, che richiede tempi che vanno da centinaia di migliaia fino a milioni di anni.
Atmosfera: 879 GtC (nel 2018)
In atmosfera, il carbonio si trova in forma gassosa. Il gas che contiene il più alto quantitativo di carbonio è l’anidride carbonica (CO2), altri sono il metano (CH4), e il monossido di carbonio (CO).
Oceano: 40.453 GtC
Sulla superficie oceanica il carbonio si presenta nella forma dissolta di anidride carbonica (CO2), acido carbonico (H2CO3), ioni di idrogeno carbonato (HCO3–) e ioni carbonato (CO3-2). L’abbondanza relativa di questi composti del carbonio è regolata dal pH dell’acqua. La CO2 si dissolve nell’acqua di mare formando acido carbonico che rilascia ioni H+. In acqua gli ioni H+ si combinano con il carbonato per formare il bicarbonato, che non lascia facilmente l’oceano.
Biosfera: 1.950 GtC
Il carbonio presente nella biosfera – per la maggior parte materiale vegetale organico e suolo – assume la conformazione tipica degli zuccheri semplici quali il glucosio e il fruttosio, e di molecole più complesse quali l’amido e la cellulosa.
Combustibili fossili: 1.000 GtC
Il carbonio presente nei combustibili fossili include carbone solido, petrolio liquido per idrocarburi, metano, che sono il risultato di un processo antico di fotosintesi avvenuta centinaia di milioni di anni fa. I combustibili fossili fanno anche parte del ciclo lento del carbonio, essendo presenti all’interno delle rocce.
Bibliografia e sitografia
La quantità di carbonio scambiata tra le riserve cambia ogni anno. I dati utilizzati per questo esperimento sono basati sui flussi annuali dal 2005 al 2014. Qui di seguito alcuni riferimenti sulle fonti utilizzate:
http://www.esd.ornl.gov/projects/qen/carbon2.html
http://www.ess.uci.edu/~reeburgh/fig1.html
Le Quéré, Corinne; et al. “Global carbon budget 2018.” Earth System Science Data, 10, 2041 – 2194, 2018.
IPCC Fifth Assessment Report, Climate Change 2013: The Physical Science Basis. URL: https://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1
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