Analitica cap 2 PDF

Analitica cap 2 Il Sistema Terra e i suoi Domini Il sistema Terra è un insieme complesso e dinamico in cui diversi componenti interagiscono reciprocamente, formando un sistema coordinato. I principali domini che lo costituiscono sono: 1. Atmosfera: Lo strato di gas che circonda il pianeta, compos...

Analitica cap 2 Il Sistema Terra e i suoi Domini Il sistema Terra è un insieme complesso e dinamico in cui diversi componenti interagiscono reciprocamente, formando un sistema coordinato. I principali domini che lo costituiscono sono: 1. Atmosfera: Lo strato di gas che circonda il pianeta, composto principalmente da azoto, ossigeno, gas nobili (come l’argon) e diossido di carbonio. 2. Idrosfera: Comprende tutta l’acqua terrestre in forma liquida (97% negli oceani, il resto in fiumi, laghi e falde acquifere), solida (ghiaccio) e aeriforme (vapore acqueo). 3. Geosfera: La parte solida della Terra, che include la litosfera (i chilometri più esterni della crosta terrestre) e il suolo, fondamentali per la vita. 4. Biosfera: Le zone del pianeta in cui è possibile la vita (zone biotiche), in contrapposizione alle aree prive di vita. 5. Antroposfera: L’insieme delle attività e opere umane. Questo dominio, un tempo ritenuto marginale, ha un impatto significativo sul pianeta, influenzando il clima e i microclimi locali. L’era attuale è spesso definita antropocene, per sottolineare l’influenza determinante delle attività umane sull’ambiente. La Scienza del Sistema Terra (Earth System Science, ESS) L’ESS è una disciplina interdisciplinare che si basa su chimica, fisica, biologia, matematica e scienze applicate. Si concentra su: Studio degli impatti umani sull’ambiente, attraverso l’osservazione del passato e la previsione del futuro. Sostenibilità, intesa come equilibrio tra il soddisfacimento delle esigenze presenti e la salvaguardia delle risorse per le generazioni future. Il Modello Complesso del Sistema Terra Un modello complesso del sistema Terra mostra le interazioni tra i vari domini e l’influenza di: Energie esterne, come l’energia solare. Energie interne, come quelle sprigionate dai vulcani. Questi modelli evidenziano la difficoltà di interpretare matematicamente un sistema così vasto e complesso. Ipotesi Gaia Proposta da James Lovelock nel 1972, questa teoria vede la Terra come un superorganismo vivente autoregolante. Sebbene criticata, ha influenzato profondamente la scienza ecologica moderna, portando alla creazione di concetti fondamentali come: Biosfera: L’insieme degli ecosistemi viventi. Biodiversità: La varietà di organismi viventi. Impatto dell’Uomo sul Sistema Terra L’azione umana, supportata dalla tecnologia e dallo sfruttamento delle risorse, ha effetti significativi e spesso imprevedibili sull’ambiente: Effetti a cascata: Una singola causa può generare molteplici effetti concatenati. Degradazione degli ecosistemi: Urbanizzazione, deforestazione, inquinamento, sfruttamento delle risorse eccessivo stanno rendendo insostenibile l’attuale stile di vita per il pianeta. TERMODINAMICA DEI SISTEMI E COMPLESSITÀ Principi generali La termodinamica dei sistemi complessi si inserisce nel più ampio contesto degli scambi energetici che interessano il pianeta. La figura illustra le interazioni tra sistema produttivo, ecosistema e sistema economico, evidenziando le crisi energetiche e ambientali che possono sorgere. Sebbene qui si tratti principalmente degli ecosistemi e degli aspetti produttivi, è fondamentale introdurre il tema della gestione dell’energia attraverso i principi della termodinamica. Principio zero della termodinamica Principio zero, legato alla definizione di temperatura, in base alla quale se due corpi sono equilibrio termico rispetto a un terzo, lo sono anche fra di loro. Primo principio della termodinamica ΔU=Q-L Il primo principio afferma che l’energia dell’universo è costante (principio di conservazione dell’energia). Non può essere creata né distrutta, ma può essere trasformata e scambiata per produrre lavoro. Un concetto centrale è l’entalpia (H), una funzione di stato che rappresenta il contenuto termico di un sistema. Trasformazioni esotermiche: riducono il contenuto termico del sistema (ΔH < 0). Trasformazioni endotermiche: aumentano il contenuto termico del sistema (ΔH > 0). Secondo principio della termodinamica L’energia termica fluisce naturalmente da un corpo +caldo a uno +freddo, ma mai il contrario senza un intervento esterno. Inoltre, una parte dell’energia si degrada in calore durante il lavoro, rendendolo inefficiente. La funzione entropia (S) descrive il degrado energetico e l’aumento del disordine nei sistemi isolati. Per un sistema isolato, l’entropia tende sempre ad aumentare, conducendo alla cosiddetta “morte termica” dell’universo, dove l’energia sarà distribuita in modo uniforme e non sarà più disponibile per compiere lavoro. In condizioni di temperatura e pressione costanti, si definisce una funzione di stato detta energia libera di Gibbs (G): ΔG= ΔH-T ΔS Reazioni esoergoniche: (spontanee). Reazioni endoergoniche: (non spontanee). Terzo principio della termodinamica Allo zero assoluto, l’entropia di un cristallo puro è uguale a zero, poiché il sistema raggiunge il suo stato di minima energia. Proposte di un quarto principio Nel XX secolo, si è iniziato a considerare un possibile quarto principio della termodinamica, legato all’interazione tra natura e tecnosfera (sfera creata dall’uomo). Questo principio si basa sulle leggi ecologiche di Barry Commoner, che evidenziano l’interconnessione tra tutti i sistemi e l’inevitabilità di un costo energetico per qualsiasi processo naturale o antropico. Ecologia ed economia circolare Per mitigare il degrado delle risorse energetiche e materiali, si propone: 1. Riduzione degli sprechi energetici. 2. Passaggio dall’economia lineare all’economia circolare, che valorizza gli scarti come materie prime. 3. Sviluppo di nuove fonti energetiche e riduzione delle emissioni di CO₂, come sancito dal Protocollo di Kyoto (2005). Sfida dell’aumento dell’entropia e sistemi lontani dall’equilibrio Nonostante il secondo principio implichi un aumento globale dell’entropia, esistono fenomeni locali in cui essa diminuisce, come nella fotosintesi clorofilliana, che organizza molecole complesse a spese dell’entropia solare. Le ricerche di Ilya Prigogine hanno approfondito il comportamento dei sistemi lontani dall’equilibrio termodinamico, distinguendo tra equilibrio e stato stazionario, aprendo nuove prospettive sulla comprensione della complessità e dell’organizzazione nei sistemi naturali. Bilancio Energetico del Sistema Terra Introduzione al Bilancio Energetico Terrestre Il sistema Terra non è isolato, poiché riceve costantemente energia dal Sole e ne restituisce una parte nello spazio. La quantità di energia solare che giunge perpendicolarmente sulla Terra è stimata intorno a 1370 kW/m². Tuttavia, non tutta questa energia viene assorbita dal pianeta: circa il 30% viene riflesso nello spazio da nubi, ghiacci e superfici riflettenti (albedo). La parte restante raggiunge il suolo, ma subisce un’ulteriore riduzione a causa dell’assorbimento atmosferico, che trattiene circa il 14%. Distribuzione dell’Energia Solare L’energia totale proveniente dal Sole si distribuisce lungo diverse lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico Ultravioletto (UV, 200-380 nm): circa il 6,4%; Visibile (380-780 nm): circa il 48%; Infrarosso (IR, >780 nm): circa il 45,6%. Il massimo dell’energia si colloca intorno ai 500 nm, nella regione della luce verde. La superficie terrestre assorbe l’energia solare sotto forma di calore e lavoro, contribuendo a innalzare la temperatura al suolo. Tale processo continua finché il calore irradiato dalla superficie terrestre verso lo spazio eguaglia l’energia ricevuta dal Sole, stabilizzando la temperatura media terrestre attorno ai 15°C. Senza l’effetto serra, questa temperatura scenderebbe a -20°C, rendendo impossibile la vita come la conosciamo. Radiazione e Gas a Effetto Serra La radiazione emessa dal suolo ha una lunghezza d’onda infrarossa, che può essere assorbita da polveri e gas serra presenti nell’atmosfera. Tra questi, i più rilevanti sono il vapore acqueo, l’anidride carbonica (CO₂) e il metano. Bilancio di Massa della Terra Sebbene il bilancio energetico sia il focus principale, il sistema Terra coinvolge anche un bilancio di massa. Lo scambio di materia con lo spazio è trascurabile: piccole quantità di idrogeno ed elio atmosferici si disperdono nello spazio, ma non in misura significativa. Energia e Attività Antropiche Oltre ai flussi naturali, le attività umane influenzano il bilancio energetico della Terra. Le principali fonti di energia utilizzate dall’uomo sono: Petrolio: 31%; Carbone: 29%; Gas naturale: 21%; Biomasse: 10%. Il restante 9% proviene da centrali nucleari (5,6%), idroelettriche (2,4%) e fonti rinnovabili come eolico e fotovoltaico (1,4%). Questo consumo crescente di risorse contribuisce all’alterazione degli equilibri naturali. Impronta Ambientale e Modelli di Sviluppo L’ONU ha promosso un approccio di sviluppo sostenibile basato sull’analisi del ciclo di vita dei prodotti, per valutare l’impatto ambientale tramite indicatori come: Impronta idrica (water footprint): quantità di acqua necessaria alla produzione di beni e servizi. Impronta di carbonio (carbon footprint): emissioni di gas serra lungo il ciclo di vita di un prodotto. Impronta ecologica (ecological footprint): area di terreno o risorse necessarie per rigenerare i consumi umani. Secondo il Living Planet Report 2012, l’umanità consuma risorse equivalenti a 1,5 volte la capacità rigenerativa del pianeta. L’Italia, per esempio, ha un’impronta ecologica di 5 Gha, ma una biocapacità di soli 1,1 Gha, dimostrando un chiaro squilibrio tra consumo e disponibilità. SISTEMA ATMOSFERA L’atmosfera terrestre è suddivisa convenzionalmente in 2 strati principali: Troposfera: si estende per i primi 11 km sopra il livello del mare. Le temperature medie variano da 15 °C a livello del mare fino a -56 °C nelle zone più alte di questo strato. Stratosfera: si trova tra gli 11 e i 50 km di altitudine. Le temperature medie aumentano gradualmente dai -56 °C ai 2 °C nel punto più alto, grazie alla presenza di ozono che assorbe i raggi UV provenienti dal Sole. Le proprietà essenziali dell’aria atmosferica, ossia pressione, densità, temperatura e umidità, subiscono variazioni costanti, influenzate principalmente da processi adiabatici, ovvero trasformazioni senza scambio di calore con l’ambiente circostante. Questi processi sono particolarmente rilevanti nella dinamica atmosferica poiché l’aria secca, cattivo conduttore di calore, irraggia solo una quantità limitata di energia verso l’esterno. L’atmosfera svolge diverse funzioni fondamentali per il mantenimento dell’equilibrio del sistema Terra, tra cui: Fornitura di ossigeno per la respirazione aerobica, dominante sul nostro pianeta; Riserva di CO₂ per la fotosintesi clorofilliana, essenziale per il ciclo del carbonio;  Serbatoio di azoto, utilizzato dalle piante in forma assimilabile; Trasporto dell’acqua dagli oceani alle terre emerse tramite il ciclo evaporazione- condensazione-precipitazione; Protezione dalle radiazioni UV grazie allo strato di ozono; Stabilizzazione termica globale, attraverso il movimento delle masse d’aria. Dal punto di vista chimico, l’aria atmosferica secca ha la seguente composizione volumetrica approssimativa: 78% azoto; 21% ossigeno; 0,9% argon; 0,04% diossido di carbonio; 0,1% altri gas (neon, elio, ossidi di azoto, cripton, metano, idrogeno, radon, solfuro di idrogeno e ozono). L’aria umida può contenere fino al 5-7% di vapore acqueo, in base alla temperatura. Questo vapore svolge un ruolo cruciale nell’equilibrio termico dell’atmosfera. Modifiche nelle percentuali di vapore acqueo e nella nebulosità possono influire sulle temperature, alterando anche le previsioni basate su modelli teorici. Purtroppo, nell’atmosfera si trovano anche sostanze inquinanti, come i CFC (clorofluorocarburi), il monossido di carbonio, gli ossidi di azoto e zolfo, e il metano. Questi gas, insieme al diossido di carbonio e all’ozono, giocano un ruolo centrale nelle dinamiche ambientali e nell’effetto serra. EFFETTO SERRA Il diossido di carbonio (o anidride carbonica, CO₂) è un gas incolore e inodore, più pesante dell’aria. Esso è indispensabile per gli organismi vegetali, poiché rappresenta il substrato principale per la fotosintesi, attraverso la quale viene prodotto ossigeno come rifiuto metabolico. Questo processo è fondamentale per mantenere l’equilibrio tra organismi vegetali e animali, poiché l’ossigeno prodotto viene utilizzato nella respirazione aerobica. Inoltre, il CO₂ gioca un ruolo rilevante negli equilibri fisiologici degli animali, come nel mantenimento dell’equilibrio acido-base del sangue. Tuttavia, il diossido di carbonio rappresenta anche il principale rifiuto delle attività umane e industriali moderne, che si basano ancora in larga parte sull’uso dei combustibili fossili. La combustione di questi ultimi ha portato a un progressivo aumento della concentrazione di CO₂ nell’atmosfera, passata dai circa 280 ppm (parti per milione) dell’era preindustriale ai 418 ppm registrati nel 2020. Questo aumento, apparentemente innocuo per gli esseri viventi e persino benefico per molti organismi vegetali, è al centro di numerosi studi che lo collegano a un innalzamento globale delle temperature atmosferiche. Tale fenomeno è noto come effetto serra. Nonostante la gran parte della comunità scientifica sia concorde nell’evidenziare i rischi legati all’effetto serra, una minoranza di oppositori minimizza il fenomeno o nega il ruolo significativo del diossido di carbonio. Tuttavia, i dati raccolti negli ultimi anni dimostrano correlazioni difficilmente contestabili: il riscaldamento globale è associato a conseguenze tangibili, come l’innalzamento del livello dei mari, la riduzione delle calotte polari e altre alterazioni climatiche preoccupanti. Alcuni osservano che, nel corso della storia della Terra, si sono alternati periodi più caldi e più freddi, minimizzando così il problema. Tuttavia, studi matematici, fisici e statistici contemporanei confutano questa idea, dimostrando che anche variazioni apparentemente piccole possono avere conseguenze enormi. Basti pensare a come un singolo grado di temperatura in più fuori stagione possa indurre una pianta a fiorire in anticipo. Un argomento cruciale a sostegno della sensibilità del sistema climatico è offerto dalla termodinamica dei sistemi lontani dall’equilibrio. Il clima terrestre è un sistema caotico, non nel senso di completamente disordinato, ma strutturato in modo tale da essere estremamente sensibile alle condizioni iniziali. Anche una piccola variazione in questi parametri può generare cambiamenti significativi, amplificando gli effetti iniziali. Questa caratteristica rende il sistema climatico particolarmente vulnerabile alle alterazioni antropiche, come l’aumento del CO₂ nell’atmosfera. BUCO DELL’OZONO Con l’espressione “buco dell’ozono” si indica il fenomeno della diminuzione della concentrazione di ozono nella stratosfera, conosciuta anche come ozonosfera. In questa regione atmosferica, l’ozono si trova abitualmente a concentrazioni relativamente alte (circa 10 ppm), poiché viene continuamente generato attraverso l’azione delle radiazioni ultraviolette (UV) sull’ossigeno molecolare (O₂) presente nell’aria. Nonostante una riduzione ciclica dello strato di ozono sia naturale, l’entità di tale fenomeno ha suscitato preoccupazioni globali. Questo perché l’ozono stratosferico svolge un ruolo cruciale nel proteggere la vita sulla Terra: esso assorbe la maggior parte delle radiazioni UV-C, che sono altamente energetiche e cancerogene, e gran parte delle UV-B, che possono causare eritemi, danni al DNA e l’invecchiamento precoce della pelle. Il fenomeno del buco dell’ozono è particolarmente marcato nell’emisfero meridionale, soprattutto sopra l’Antartide, dove le condizioni climatiche e chimiche favoriscono una maggiore riduzione dello strato di ozono rispetto all’emisfero settentrionale. Le osservazioni satellitari e gli studi scientifici hanno evidenziato che questa diminuzione è stata amplificata dall’immissione nell’atmosfera di composti chimici prodotti dall’uomo, come i clorofluorocarburi (CFC). La questione del buco dell’ozono non riguarda solo la protezione della salute umana, ma anche la conservazione degli ecosistemi terrestri e marini, poiché un aumento delle radiazioni UV-B e UV- C potrebbe avere conseguenze devastanti sulla fotosintesi delle piante e sul fitoplancton, base della catena alimentare marina. SMOG FOTOCHIMICO E PIOGGE ACIDE Tra i fenomeni chimici e termodinamici che caratterizzano l’atmosfera, lo smog fotochimico riveste un ruolo rilevante. Questo fenomeno, che prende il nome dal fatto di essere attivato dall’assorbimento dei raggi del Sole, porta alla formazione di una varietà di molecole, molte delle quali potenzialmente dannose per la salute umana e l’ambiente. Un esempio significativo di queste molecole è il metano, che viene rilasciato sia da sorgenti naturali sotterranee che dalla fermentazione di materiale organico, in particolare dalle deiezioni degli animali. Tuttavia, nonostante la sua abbondanza, il metano contribuisce relativamente poco alla formazione dello smog fotochimico, in quanto le sue fonti diffuse nel territorio non ne concentrano in maniera significativa l’emissione. Al contrario, gli ossidi di zolfo (SO₂) e gli ossidi di azoto (NOₓ) giocano un ruolo cruciale nella formazione dello smog fotochimico. Questi composti, derivanti principalmente dalla combustione dei carburanti fossili nei veicoli e negli impianti di riscaldamento, reagiscono con il sole e altre sostanze atmosferiche per formare vari derivati, tra cui i solfati e i nitrati, che sono anche precursori di acidi dannosi per l’ambiente. Negli ultimi anni, l’attenzione si è focalizzata anche sul particolato atmosferico, che, sebbene per la maggior parte sia di origine naturale (come l’erosione del suolo, l’aerosol marino, le eruzioni vulcaniche e la polvere cosmica), ha un impatto significativo sul clima e sulla qualità dell’aria. Il particolato fine derivante dall’attività umana, come le polveri sottili (PM₁₀, PM₂.₅, PM₁), costituisce un doppio rischio: da un lato, può essere composto da particelle tossiche, e dall’altro, può fungere da vettore per altre sostanze dannose. Tra queste, le particelle PM₂.₅ sono particolarmente pericolose perché possono penetrare profondamente nei polmoni, aggravando problemi respiratori e cardiovascolari. Strettamente legato allo smog fotochimico è il fenomeno delle piogge acide, che, sebbene possa essere inizialmente localizzato, ha un impatto diffuso su intere regioni. Le piogge acide si formano quando i gas inquinanti come gli ossidi di azoto e di zolfo reagiscono con l’umidità atmosferica, formando acidi che, una volta precipitati, possono danneggiare ecosistemi, costruzioni e la salute umana. Non è un fenomeno confinato a una zona specifica: le piogge acide possono estendersi su vaste aree geografiche, con effetti deleteri per il clima e la qualità dell’ambiente. SISTEMA ACQUA Ogni forma di vita sulla Terra dipende dall’acqua, la quale costituisce la sostanza che maggiormente caratterizza il nostro pianeta. Dal punto di vista chimico, l’acqua possiede proprietà particolari. In natura, è praticamente impossibile trovarla allo stato puro, poiché, essendo una sostanza polare, ha una notevole capacità solvente. Di conseguenza, l’acqua si presenta in soluzioni di specie chimiche diverse, in particolare sali dissociati. Dal punto di vista fisico, l’acqua è caratterizzata dalla sua densità massima che si trova a 4 °C. Questo significa che il ghiaccio galleggia, e se fosse diversamente, la Terra e gli oceani sarebbero molto differenti. Un altro aspetto importante, legato alla densità, riguarda la stratificazione termica negli specchi d’acqua ferma, che durante l’estate porta alla formazione di uno strato superficiale più caldo (epilimnio) che galleggia sopra uno strato più freddo (ipolimnio). Con il cambiamento della temperatura esterna in autunno e primavera, si verifica un’inversione degli strati, che porta al rimescolamento dei nutrienti e delle specie acquatiche, favorendo così un aumento dell’attività biologica. Distribuzione dell’acqua sulla Terra: Su un totale di circa 1,360 miliardi di tonnellate di acqua nel sistema Terra, circa il 97% si trova negli oceani (con salinità variabile. Il 3% dell’acqua si trova in laghi, fiumi e ghiacciai (di cui circa il 30% è sotterranea), e solo lo 0,001% si trova nell’atmosfera sotto forma di vapore. L’acqua della biosfera rappresenta una percentuale ancora minore, ma è su di essa che si basa l’intera vita sulla Terra. Tutte queste acque sono in un equilibrio dinamico, soggette a continue interazioni naturali. Tuttavia, l’influenza dell’uomo e delle sue attività industriali ha modificato in maniera significativa questo equilibrio. Ciclo dell’acqua: Il ciclo dell’acqua è rappresentato nei suoi principali percorsi: evaporazione, precipitazione e trasporto del vapore acqueo, interconnettendo la biosfera con altri sistemi ambientali. Lo studio delle acque, chiamato idrologia, si divide in limnologia (che si occupa delle acque dolci) e oceanografia (che studia le caratteristiche chimiche e fisiche degli oceani). Le connessioni tra idrosfera, litosfera e atmosfera sono evidenti, e ormai è chiaro che l’acqua non è un bene a disponibilità illimitata e a costo zero. Consumo di acqua nell’attività antropica: Oggi circa il 70% dell’acqua dolce utilizzata dall’uomo viene consumato dalla zootecnia e dall’agricoltura. Sorprendentemente, gli allevamenti richiedono una quantità d’acqua molto superiore rispetto alla produzione di proteine vegetali. Si calcola che per produrre 1 kg di proteine animali sia necessario un volume d’acqua 15 volte maggiore rispetto a quello per la stessa quantità di proteine vegetali. Tuttavia, “solo” circa 20-25 miliardi di tonnellate di acqua possono essere sfruttate annualmente dall’uomo. Questo ha reso necessario limitare l’uso industriale dell’acqua, promuovendo il riciclaggio, riducendo le perdite negli acquedotti e valutando la possibilità di distinguere tra acqua potabile e acqua per uso civile (come per il lavaggio), idea che, sebbene utile, è ostacolata dai costi derivanti dall’implementazione di un doppio sistema di approvvigionamento. SISTEMA LITOSFERA E SUOLO Fino a poco tempo fa, si credeva che la Terra, considerata la sua struttura, avesse una capacità illimitata di «assorbire», rendendo innocue, le perturbazioni causate dalle attività dell’uomo. Un pensiero simile valeva per la litosfera e il suolo, che oggi si trovano «aggrediti» da numerosi fattori inquinanti: l’attività estrattiva mineraria, l’erosione provocata dalle piogge acide, l’agricoltura indiscriminata, l’uso eccessivo di pesticidi e, soprattutto, il problema dei rifiuti, in particolare le plastiche. La scienza che studia la composizione, la genesi e le modificazioni del suolo è chiamata pedologia. Composizione e formazione del suolo Il suolo è il risultato dell’erosione delle rocce madri, derivante da processi geologici, idrologici e biologici. Esso è normalmente poroso e composto da vari strati, noti anche come orizzonti, che contengono materiali molto diversi tra loro, inclusi aria e acqua. La frazione solida del suolo contiene circa il 95% di materiale minerale e il restante 5% è costituito da materiale organico. Tuttavia, queste proporzioni possono variare notevolmente in base al tipo di terreno. La porzione più importante del suolo è lo strato superficiale, in cui le piante mettono le radici e dove si verificano le principali attività biologiche. Particolare importanza riveste l’hummus, una sostanza organica derivante dalla degradazione e rielaborazione di materiale organico del terreno. Chimicamente, l’humus è costituito da una miscela di polimeri a massa molecolare molto elevata. Insieme alle sostanze minerali, l’humus rappresenta la porzione più attiva del suolo, ed è determinante per l’attività biologica e l’eventuale sfruttamento agricolo di una zona. Fenomeni di alterazione e solubilizzazione La pedologia si occupa anche dei fenomeni di formazione, solubilizzazione e alterazione dei minerali che avvengono nel suolo, processi che influenzano direttamente la fertilità e la composizione chimica del terreno, rendendo ogni suolo adatto o meno per determinate coltivazioni o attività. BIOSFERA E ANTROPOSFERA Dal punto di vista energetico, la biosfera e l’antroposfera (ancora più della litosfera e del suolo) sono sistemi aperti che operano in condizioni altamente improbabili e pertanto devono essere trattati in base alla termodinamica del non equilibrio. La complessità di questi sistemi e la loro capacità di influenzare l’ambiente, pur essendo reciprocamente influenzati, è evidente ma non sempre facilmente esplicabile. Un esempio significativo riguarda l’evoluzione dell’atmosfera terrestre, che, inizialmente riducente e povera di ossigeno (priva di ossigeno fino a circa 2,5 miliardi di anni fa), si è arricchita di ossigeno grazie all’azione di alcuni organismi che, sviluppando la fotosintesi clorofilliana, hanno trasformato l’ambiente circostante. Con il passare del tempo, l’ossigeno accumulato nell’atmosfera ha favorito la formazione di minerali ossidati, in particolare con la formazione di ossidi di metalli non nobili, come il ferro, che oggi si trovano sempre in stato ossidato. A questo proposito, l’uomo, tramite la tecnologia, ha imparato a trasformare gli ossidi in metalli con trattamenti riducenti, utilizzandoli per costruire i suoi manufatti. Un altro aspetto fondamentale è l’erosione operata da organismi di varia natura, che ha contribuito alla disgregazione delle rocce e alla formazione del suolo, il quale è stato sfruttato dall’uomo. Questo esempio ci riporta alla relazione stretta tra biosfera e antroposfera, con tutte le implicazioni, sia positive che negative, che ne derivano. Per esempio, si pensi al cambiamento del microclima che può verificarsi in aree dove sono presenti impianti industriali come miniere, acciaierie o anche grandi impianti fotovoltaici. Inoltre, vanno considerati gli interventi agricoli drastici, che comprendono l’uso di fertilizzanti e pesticidi, e l’enorme problema dei rifiuti. Tuttavia, uno degli aspetti più impressionanti della nostra epoca è l’esplosione delle tecniche di bioingegneria. Per secoli, l’uomo ha cercato di migliorare la natura selezionando piante e animali attraverso incroci basati sull’esperienza e sul buon senso. Oggi, però, le manipolazioni genetiche agendo direttamente su DNA e RNA aprono nuove possibilità affascinanti, sebbene non prive di rischi. CICLI BIOGEOCHIMICI I cicli biogeochimici descrivono i processi che coinvolgono il trasferimento ciclico degli elementi chimici tra composti organici e inorganici, mantenendo un equilibrio dinamico con gli organismi viventi e l’ambiente fisico (terreno e atmosfera). Il flusso di questi elementi avviene attraverso direzioni prevalenti o secondarie, talvolta interrotte, con zone di accumulo alternate a zone di rarefazione. I cicli più significativi dal punto di vista biologico e biochimico sono: Carbonio Ossigeno Azoto Fosforo Zolfo Metalli I cicli del carbonio, ossigeno e azoto sono definiti gassosi, ma presentano anche aspetti organici e inorganici. I cicli dello zolfo, fosforo e metalli sono sedimentari, in quanto il loro serbatoio è la crosta terrestre. Inoltre, il ciclo dell’acqua, gioca un ruolo cruciale, poiché è intrecciato con gli altri cicli. Ciclo del Carbonio Il ciclo del carbonio è il risultato dell’interazione tra organismi viventi e l’ambiente chimico-fisico circostante. Piante, alghe e fitoplancton, attraverso la fotosintesi clorofilliana, riducono il diossido di carbonio e ossidano l’acqua, secondo la seguente reazione endoergonica: Nel processo inverso della respirazione, parte del glucosio viene riossidato a CO₂: Questi processi (fotosintesi e respirazione) costituiscono un motore fondamentale per i processi organici e inorganici che avvengono negli ecosistemi terrestri, favorendo la circolazione del carbonio e dell’ossigeno nella biosfera. Complessivamente, il diossido di carbonio assorbito (fotosintesi) e quello emesso dagli organismi (respirazione e decomposizione) sono praticamente in equilibrio. Gli organismi autotrofi terrestri e acquatici assorbono circa 40 miliardi di tonnellate annue di CO₂, mentre gli organismi eterotrofi lo restituiscono quasi in pari quantità tramite la respirazione e l’attività demolitoria dei batteri. Il carbonio nell’atmosfera è presente come CO₂, mentre nella litosfera e nell’idrosfera si trova sotto forma di carbonato e bicarbonato. Un ruolo fondamentale nel ciclo del CO₂ è giocato dal sistema acqua-aria, poiché la concentrazione di CO₂ nelle acque è legata alla sua pressione parziale nell’atmosfera. L’assorbimento del CO₂ nei mari è un processo lento, che non riesce a compensare rapidamente le emissioni antropiche. Inoltre, il CO₂ è sequestrato da organismi planctonici e molluschi, che lo incorporano nei loro scheletri di carbonati, che si depositano sul fondo marino alla fine della loro vita. Tuttavia, l’effetto serra e le piogge acide influenzano negativamente questo processo. Poiché i processi naturali non riescono a contenere efficacemente l’aumento delle emissioni di CO₂, si stanno sviluppando diverse soluzioni, tra cui: 1. Biocarburanti: biodiesel e bioetanolo derivanti da coltivazioni, sebbene la sottrazione di terreno agricolo alla produzione alimentare rappresenti una limitazione. 2. Biogas e biocarburanti: prodotti dalla fermentazione di scarti alimentari, agricoli e di allevamenti. 3. Energia da idrogeno: sebbene la produzione di idrogeno tramite idrocarburi sia attualmente la più comune, la vera sfida è quella di produrlo per elettrolisi dell’acqua, sfruttando energia solare. 4. Cattura e stoccaggio del carbonio (CS): raccogliere il CO₂ prodotto dalle centrali a combustibili fossili e seppellirlo sottoterra. 5. Assorbimento in soluzioni acquose di ammine: utilizzare CO₂ per sintetizzare composti organici come il metanolo. 6. Bioenergia con cattura e stoccaggio del carbonio (BECCS): coltivare piante o alghe che assorbono CO₂ e utilizzarle per la produzione di biocarburanti. Infine, il ciclo degli idrocarburi, derivante dalla degradazione anaerobica della sostanza organica, è stato una risorsa fondamentale per lo sviluppo della civiltà. Tuttavia, l’estrazione di petrolio è destinata a diventare sempre meno conveniente a causa dell’esaurimento delle riserve e della crescente difficoltà nell’estrazione dei residui.