1- A a biosfera contiene una comples-sa miscela di composti del car- bonio in perenne stato di forma-zione, trasformazione e decomposizio-ne. Artefice del permanere di questo sta-to dinamico è la capacità di cui dispon-gono, nel mare, il fitoplancton e, sullaterra, gli organismi vegetali, di catturarel'energia della luce solare e di utilizzarlaper convertire l'anidride carbonica (eanche l'acqua) in molecole organichealtamente differenziate e aventi ben de-terminate strutture. I chimici e gli stu-diosi di biologia molecolare hanno chia-rito molti dei complicati processi oc-corsi per la creazione di quel microsi-stema che è la cellula vivente. Non me-no interessante, e di importanza altret-tanto fondamentale, è lo sforzo che lascienza compie per fissare il bilanciocomplessivo e il movimento globale dimateria nell'ambito della comunità ter-restre di vegetali e di animali, svilup-patasi durante i circa due miliardi di an-ni di storia della vita sulla Terra. Que-sta scienza è l'ecologia, nel suo signi-ficato più ampio di studio delle com-plesse interconnessioni, da un lato trale comunità di vegetali e di animali,dall'altro tra entrambe le comunità el'ambiente che le circonda.

Noi ora sappiamo che la biosferanon si è sviluppata in un ambiente inor-ganico o, in altre parole, statico; anzi,si devono al mondo vivente le profon-de alterazioni arrecate al primitivo am-biente terrestre abiotico, sotto forma di

progressive variazioni nella composizio-ne dell'atmosfera, del mare e della su-perficie affiorante (continenti e fonda-li marini) della crosta terrestre.

Per tale ragione lo studio del ciclodel carbonio nella biosfera è sostanzial-mente assimilabile allo studio del com-plesso di interazioni tra gli organismiviventi e l'ambiente fisico e chimico cheli circonda. I biologi, per poter dareuna sistemazione razionale ai fenomenivitali, devono necessariamente integra-re le proprie cognizioni con le informa-zioni provenienti da altre disciplinequali la geologia, l'oceanografia e lameteorologia.

Senza dubbio si può affermare chefu la fotosintesi il principio motore ditutti quei processi organici che diederoun nuovo volto alla primitiva superfi-cie della Terra. Indipendentemente dalfatto che si esplichi sulla terraferma oin ambiente marino, il processo foto-sintetico può essere descritto da unasingola reazione : CO 2 + 2H2A + luce— CH20 + H20 + 2A + energia.La molecola di formaldeide, CH20,costituisce il più semplice dei compostiorganici; il termine energia sta a indi-care che la reazione produce un accu-mulo di energia sotto forma di energiachimica. Il termine H 2A designa di so-lito acqua (H20): in tal caso 2A sim-boleggia l'ossigeno elementale (02) chesi libera nella trasformazione. Va se-gnalata, tuttavia, l'esistenza di battericapaci di utilizzare composti in cui A

rappresenta lo zolfo, o un radicale or-ganico, oppure nulla. Gli organismi ca-paci di utilizzare l'anidride carbonicacome unica fonte di carbonio sono det-ti autotrofi; la maggior parte di essiutilizza l'energia solare per ridurre l'a-nidride carbonica attraverso il proces-so della fotosintesi, ma vi sono bat-teri capaci di prelevare l'energia con-tenuta nei legami di composti inorga-nici (per esempio i legami esistenti neinitrati e nei solfati) mediante il processodella chemiosintesi. La maggior partedegli organismi tuttavia richiede, per lapropria crescita, molecole organicheper cosí dire prefabbricate; per questomotivo essi sono chiamati eterotrofi. Ibatteri non appartenenti al gruppo deisolfobatteri sono eterotrofi, ma con-temporaneamente capaci di fotosintesi.Gli animali possono essere consideratichemioeterotrofi in quanto ricavano ilproprio fabbisogno di energia dai com-posti organici senza che a essi occorral'intervento della luce solare. Un orga-nismo può essere aerobico o anaerobi-co, indipendentemente da quale sia lasua fonte di carbonio o di energia.Questa è la ragione per cui alcuni or-ganismi chemioeterotrofi anaerobici rie-scono a sopravvivere nelle profonditàoceaniche e lacustri dove c'è assenza to-tale di luce o di ossigeno libero.

L'esistenza dei vegetali richiede qual-cosa di più della semplice formazio-

ne di composti organici per fotosintesi,la loro crescita implica una serie diprocessi e di trasformazioni chimicheche richiedono energia. I vegetali siprocurano tale fabbisogno energeticoattraverso reazioni che sfruttano l'os-sigeno, contenuto nell'acqua e nell'ariacircostanti, come mezzo per utilizzarel'energia in precedenza accumulata fo-tosinteticamente. Questo processo, nelcorso del quale si produce anidride car-bonica, viene chiamato respirazione; è

La quantità di carbonio contenuta nel carbone, nel petrolio e nei bitumi è circa 50 vol.te superiore alla quantità dello stesso elemento presente in tutti gli organismi viventi.L'entità delle sole riserve mondiali di carbone è stimata nell'ordine dei 7500 miliardidi tonnellate. La fotografia mostra un aspetto della coltivazione di giacimenti di lignitea Stanton, effettuata dalla Western Division of the Consolidated Coal Company. Il primostrato, dello spessore di 60 cm è di qualità scadente e viene scartato. Il secondo strato,dello spessore di circa 90 cm, è sfruttabile commercialmente, come pure il terzo strato,tre metri più in basso. Quest'ultimo giacimento è in realtà costituito da due giacimentiseparati da uno straterello di 26 cm di argilla. Quello superiore presenta uno spessoredi poco più di un metro, quello inferiore di circa 60 cm. 7 metri al di sotto di que.sto giacimento ve n'è un altro (non visibile nella foto) dello spessore di 2,5 metri.

Il ciclo del carbonioIl ciclo fondamentale si compie tra l'anidride carbonica atmosferica e lamateria vivente. Una parte del carbonio tuttavia, viene accumulata ingrandi quantità sotto forma di composti nelle rocce sedimentarie

di Bert Bolin

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APRILESETTEMBRE,

Il ciclo del carbonio inizia con la fissazione dell'anidride car-bonica atmosferica attraverso il processo di fotosintesi, che hasede nelle piante e in alcune specie di batteri. Nel corso diquesto processo l'anidride carbonica e l'acqua reagiscono for-mando carboidrati e liberando ossigeno, che entra nell'atmosfe-ra. Una parte dei carboidrati prodotti viene direttamente con-sumata per rifornire le piante di energia e l'anidride carbonicaderivante dalla loro combustione, ritorna all'atmosfera attraversole foglie e le radici. Un'aliquota del carbonio fissata dalle piante

viene consumata, sotto forma di cibo, dagli animali che, respi-rando, rimettono in circolazione anidride carbonica. Le piante egli animali dopo la morte vengono decomposti dai microrgani-smi presenti nel terreno; il carbonio contenuto nei loro tessutiviene ossidato ad anidride carbonica e restituito all'atmosfe-ra. Nella rappresentazione del ciclo lo spessore dei tracciatiè circa proporzionale alla quantità rappresentata. Un analo-go ciclo del carbonio ha luogo nel mare. Nel diagramma a pa-gina 90 sono indicate le stime quantitative proposte dall'autore.

NIDRIDE CARBONICANELL'ATMOSFERA

ASSIMILAZIONE DA PARTEDELLE PIANTE

RESPIRAZIONEDELLE PIANTE

RESPIRAZIONEDEGLI ANIMALI

RESPIRAZIONEDEL TERRENO

CIBO PERGLI ANIMALI i)

RESPIRAZIONEDELLE RADICI

DECOMPOSIZIONE

un processo continuo che si intensifidanelle ore notturne, allorquando l'at-tività fotosintetica si arresta.

Se si misura la concentrazione di ani-dride carbonica in una foresta a diffe-renti livelli dal suolo, è possibile rile-vare nette variazioni di valori nel cor-so delle 24 ore (si veda la figura nellapagina a fronte in alto). Il contenutomedio di anidride carbonica nell'atmo-sfera è di circa 320 parti per milione.Al sorgere del Sole, epoca m cui ha ini-zio la fotosintesi, si determina una rapi-da diminuzione della concentrazione dianidride carbonica che viene fissata dal-le foglie e trasformata in una serie diprodotti organici. Verso mezzogiorno,l'aumento di temperatura e la diminu-zione di umidità che intanto si sonoprodotti, accelerano il ritmo respirato-rio determinando un graduale rallenta-mento del consumo netto di anidride

carbonica. A livello della sommità deglialberi la quantità di anidride carbonicaraggiunge i valori minimi: da 10 a 15parti per milione al di sotto della mediagiornaliera. Verso il tramonto la foto-sintesi cessa, mentre continua la respira-zione; la concentrazione di anidride incorrispondenza al suolo può arrivare asuperare le 400 parti per milione. Uncosí elevato valore rispecchia in partel'emissione di anidride carbonica in se-guito al decomporsi di materia organi-ca nel terreno e in parte si ricollegaalla tendenza dell'aria, durante le orenotturne a stagnare vicino al suolo :infatti in assenza del riscaldamento so-lare cessano le correnti convettive at-mosferiche.

La quantità di anidride carbonica fis-sata, varia notevolmente passando daun tipo di vegetazione all'altra. Le fo-reste tropicali, che, per le abbondanti

piogge, crescono rapidamente, fissanoannualmente da uno a due chilogram-mi di carbonio (sotto forma di anidri-de carbonica) per metro quadrato diterreno. Questa quantità equivale allamassa di anidride carbonica contenu-ta in una colonna di aria innalzata sul-la medesima porzione di superficie ter-restre, fino alla sommità dell'atmosfe-ra. La tundra artica e le quasi ste-rili regioni desertiche giungono a fissa-re solo l'uno per cento della quantità diCO2 sopra menzionata. Le foreste e icampi coltivati delle medie latitudiniassorbono da 0,2 a 0,4 chilogrammi dicarbonio per metro quadrato. La Ter-ra, nel suo complesso, possiede relati-vamente poche regioni caratterizzate daun'alta velocità di fissazione. Da unavalutazione approssimata risulta che leterre emerse fissano, sotto forma dicomposti organici, da 20 a 30 miliardi

di tonnellate di carbonio all'anno. Que-sto dato è molto incerto in quanto lestime variano da 10 a 100 miliardi ditonnellate.

La quantità di carbonio consumatoannualmente, sotto forma di anidridecarbonica, dal fitoplancton negli ocea-ni è di circa 40 miliardi di tonnellate,valore pressappoco confrontabile allaquantità di anidride carbonica assimi-lata annualmente dalla vegetazione ter-restre. Sia l'anidride carbonica consu-mata, che l'ossigeno prodotto sono lar-gamente presenti sotto forma di gas di-sciolti in prossimità della superficie de-gli oceani. Pertanto, nel mare, il ciclodel carbonio è nella maggior parte deicasi in grado di autosostenersi : l'ossi-geno liberato viene utilizzato dagli ani-mali marini, la cui decomposizione fi-nale provvede a riportare in soluzioneanidride carbonica. Come vedremo inseguito, sussiste tuttavia, tra l'atmosfe-ra e la superficie del mare, uno scam-bio dinamico di anidride carbonica (edi ossigeno) promosso dall'azione deiventi e del moto ondoso. La quantitàdi CO2 disciolta negli strati marini su-perficiali è sempre correlata, secondouno stretto rapporto di equilibrio, allaconcentrazione di questo gas nell'atmo-sfera.

Il carbonio fotosinteticamente fissatosulla terraferma, presto o tardi vienerestituito all'atmosfera in seguito alladecomposizione dei residui organici evegetali che nel suolo vengono ossidatiattraverso una serie di complicati pro-cessi. t possibi!e rendersi approssima-tivamente conto della velocità con cuivia via si compie la trasformazione del-la materia organica nel terreno, misu-randone il contenuto di carbonio-14,l'isotopo radioattivo del carbonio.

Allorquando il carbonio viene fissa-to per fotosintesi, il rapporto tra laquantità di carbonio-14 e di carbonio--12 (l'isotopo non radioattivo) coincide,a meno di un fattore costante di fra-zionamento, con quella dei due isotopiin seno all'atmosfera; in seguito, tut-tavia, il carbonio-14 decade, divenen-do meno abbondante rispetto all'isoto-po stabile carbonio-12. Misurando ilrapporto carbonio-14/carbonio-12 èpossibile stabilire la velocità di ossi-dazione della materia organica nel ter-reno: il suo valore può variare da al-cuni decenni (nelle zone tropicali) aparecchie centinaia di anni nelle fo-reste boreali.

Accanto alle variazioni giornaliere dianidride carbonica nell'aria, esisto-

no pronunciate variazioni annuali, per-lomeno nell'emisfero settentrionale. Alsopraggiungere della primavera, nelleregioni settentrionali, il consumo di ani-

NOTTE

ALBA

MEZZOGIORNO

TRAMONTO

NOTTE

La distribuzione verticale dell'anidride carbonica atmosferica in una foresta varia du-rante la giornata. Di notte, quando non avviene fotosintesi, la respirazione, che ha se-de nel terreno, può innalzare il contenuto di anidride carbonica a livello del suolofino a 400 parti per milione. Verso mezzogiorno, invece, la concentrazione di anidridecarbonica a livello della sommità degli alberi può abbassarsi fino a 305 parti per milione.

—12 —10 —8 —6 —4 —2 0 +2 +4 +6 +8 +10 +12

VARIAZIONI DI ANIDRIDE CARBONICA (PART , PER MILIONE)

Le variazioni stagionali della concentrazione di anidride carbonica toccano le puntemassime in settembre e in aprile nelle regioni a settentrione dei 30° di latitudine nord.Lo scostamento dal valore medio di 320 parti per milione varia con l'altitudine.

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ANNI

dride carbonica da parte delle pianteprevale abbondantemente sulla quotadi anidride carbonica restituita dal ter-reno. L'impoverimento di questo com-posto del carbonio può essere misuratoanche al di sopra degli strati inferioridella stratosfera. Durante la primave-ra si verifica quindi una netta diminu-zione del contenuto atmosferico di ani-dride carbonica. Da aprile a settem-bre l'atmosfera delle regioni che siestendono al di sopra dei 300 di latitu-dine nord, presenta un passivo di ani-dride carbonica di circa il 3 per cen-to, corrispondente a circa quattro mi-liardi di tonnellate di carbonio (si vedal'illustrazione a pagina 81 in basso).Poiché, contemporaneamente, nel suo-lo si svolgono processi degradativi, laperdita netta di quattro miliardi di ton-nellate sottintende, in queste latitudini,una quantità di carbonio annualmen-te fissata, di almeno cinque o sei mi-liardi di tonnellate. Questo valore rap-presenta approssimativamente un quar-to della produzione terrestre annua (20--30 miliardi di tonnellate), calcolata suuna stima globale del processo di fissa-zione del carbonio. D'altra parte inquesto bilancio generale il contributodell'emisfero settentrionale, dove la cre-scita della vegetazione mostra marca-te variazioni stagionali, è stato valuta-to in circa il 25 per cento della quan-tità totale. In tal modo due stime indi-pendenti relative alla fissazione globaledi carbonio sulla terraferma, mostranoun soddisfacente accordo.

Le foreste non solo costituiscono lafonte principale di consumo di anidri-de carbonica sulla Terra, ma rappre-sentano anche il principale serbatoio dicarbonio fissato biologicamete (a esclu-sione dei depositi di combustibili fossi-

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li che però sono stati per la maggiorparte sottratti al ciclo del carbonio, ameno di una certa quantità reintrodot-tavi in seguito a combustione operatadall'uomo). Le foreste contengono trai 400 e i 500 miliardi di tonnellate dicarbonio, rappresentanti circa i due ter-zi della quantità presente come anidri-de carbonica nell'atmosfera (700 mi-liardi di tonnellate). I dati relativi alleforeste possono essere valutati solo invia approssimativa: stabilendo che lavita media di un albero sia di 30 anni,si deduce che circa 15 miliardi di ton-nellate di carbonio, sotto forma di ani-dride carbonica, vengono annualmentetrasformate in legno; questa cifra ap-pare ragionevole a confronto con l'as-similazione annua complessiva di 20--30 miliardi di tonnellate di anidridecarbonica.

Le modalità di circolazione del car-bonio nel mare sono piuttosto differen-ti dallo schema terrestre. La produ-zione del terreno è soprattutto limitatadalla disponibilità di acqua fresca e difosforo e solo in parte dalla disponibi-lità di altre sostanze nutritive nel suo-lo. Negli oceani il fattore limitativo do-minante è la disponibilità di sostanzeminerali. Il fitoplancton, non solo, esi-ge abbondanti provviste di fosforo edi azoto, ma anche tracce di diversimetalli, principalmente di ferro.

La competizione alimentare nel ma-re è cosí accesa che gi organismi han-no gradualmente sviluppato la capacitàdi sopperire al proprio fabbisogno disostanze minerali, anche quando que-ste ultime sono presenti in piccolissimaconcentrazione. Di conseguenza è as-sai raro ritrovare una forte concentra-zione di sostanze minerali nelle acquecli superficie dove, appunto, la radia-

zione solare fa da presupposto all'esi-stenza di organismi dotati di attivitàfotosintetica. Quando si verifica che unacerta zona di mare sia insolitamenteproduttiva, si può pensare sicuramentealla risalita di sostanze nutritive da stra-ti più profondi (in certe aree circo-scritte queste sostanze vengono approv-vigionate dai rifiuti delle attività uma-ne). Per i motivi prima detti, le acquepiù produttive di tutto il mondo sonoquelle adiacenti al continente antarti-co, dove le acque profonde degli ocea-ni circostanti, più caldi, emergono e sirimescolano con quelle di superficie.Analoghi affioramenti si registrano lun-go le coste del Cile, vicino alle costedel Giappone e in seno alla Correntedel Golfo. In queste regioni i pesci ab-bondano e la quantità massima di car-bonio fissata annualmente sfiora i 3 chi-logrammi per metro quadrato. Nelleplaghe « deserte » degli oceani, comeper esempio nei mari aperti delle lati-tudini subtropicali, il ritmo di fissazio-ne del carbonio può precipitare anchea valori che raggiungono appena i 300grammi per metro quadrato. Nei tro-pici, le calde acque di superficie costi-tuiscono generalmente una rigida bar-riera al ricambio verticale di acqua, in-dispensabile all'estrazione di sostanzenutritizie dagli stati profondi.

Il fitoplancton, che detiene il pri-mato nel fissare l'anidride carbonica di-sciolta nel mare, costituisce alimentoper lo zooplancton. Questi organismi aloro volta forniscono cibo agli animalidi maggiori dimensioni. La maggior par-te della « biomassa » marina, comun-que, è costituita da microrganismi.Poiché il loro periodo di vita si calcolain settimane, o al massimo in mesi, laloro massa complessiva non può maiaccumularsi apprezzabilmente. La loromorte è seguita da rapida disintegrazio-ne, non appena raggiungono gli stratipiù profondi. In breve tempo la mag-gior parte di ciò che era tessuto viven-te diventa materia organica disciolta.

Solo una piccola frazione delle par-ticelle di materia organica sfugge al-l'ossidazione e si ferma nelle profondi-tà del mare, dove contribuisce, in mo-do determinante, all'abbondanza di so-stanze chimiche; infatti, gli strati pro-fondi (tranne in particolari regioni)scambiano solo lentamente acqua coni livelli superficiali. L'arricchimentodelle fasce profonde va di pari passocon il loro impoverimento di ossigeno;sempre in queste zone sembra che siverifichi un aumento di anidride car-bonica (sotto forma di ioni carbonatoe bicarbonato).

La distribuzione complessiva di bios-sido di carbonio, di ossigeno e di mol-ti altri costituenti minori nel mare, ri-

316

Le variazioni a lungo termine del contenuto atmosferico di anidride carbonica sonostate seguite, presso l'osservatorio di Mauna Loa, nelle Hawaii, da ricercatori dellaScripps Institution of Oceanography. La curva in colore chiaro indica le variazioni diconcentrazione mensili, a partire dal gennaio 1959 che riflettono le oscillazioni sta•gionali nell'entità della fotosintesi, come mostra la figura in basso alla pagina precedente.La linea in colore scuro, a debole pendenza, indica l'increscimento medio complessivo.

82

Gli scisti bituminosi sono una delle principali forme di depo-sito del carbonio durante le ere geologiche. Questa fotografia,ripresa presso Anvil Points, Colorado, mostra una sezione dellaformazione del Green River, che si estende attraverso Colorado,Utah e Wyoming. Si valuta che in questa formazione sia raccol-

to l'equivalente di più di mille miliardi di barili di petrolio, ingiacimenti contenenti più di dieci barili di petrolio per tonnel-lata di roccia. Di questi si calcola che almeno ottanta miliardidi barili potrebbero essere recuperati con procedimenti in-dustriali. I giacimenti hanno spessore superiore ai 40 metri.

Le bianche scogliere di Dover sono costituite da carbonato dicalcio quasi puro, che deriva dagli scheletri di fitoplancton chesi sono sedimentati sul fondo del mare, più di 70 milioni di an-

ni fa. I depositi terrestri di calcare, scisti bituminosi e altri se-dimenti contenenti carbonio costituiscono le più ricche riserve dicarbonio stimate intorno ai 20 milioni di miliardi di tonnellate.

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flette una situazione di equilibrio trala vita pelagica e il suo ambiente chi-mico negli strati superficiali da unaparte, e il lento trasporto di sostanzedovuto alla generale circolazione de-gli oceani dall'altra. L'effetto risultan-te è quello di impedire che il mare sisaturi di ossigeno e di arricchire glistrati profondi di ioni carbonato e bi-carbonato.

Totalmente differente dall'attuale po-trebbe essere lo stato degli oceani,qualora il meccanismo di interscambioidrico tra gli strati superficiali e quelliprofondi fosse più o meno intenso diquanto in pratica si verifica. Il princi-pale fattore che determina la presentesituazione è la circostanza per cui, nel-le regioni polari, segnatamente nell'An-tartide, l'acqua fredda si sposta versoil fondo. Un'altra particolarità di que-ste aree geografiche è la maggior sali-nità, e quindi la maggiore densità delmare a causa della frazione di acquaseparatasi, per congelamento, sotto for-ma di ghiaccio galleggiante. Se il cli-ma della Terra fosse diverso, la distri-buzione di anidride carbonica, di ossi-geno e di sostanze minerali potrebbeanche risultare sostanzialmente altera-to. Infatti ipotizzando una differenzaclimatica sufficientemente marcata, l'os-sigeno potrebbe completamente svani-re dalle profondità degli oceani, la-sciandoli popolati solo da chemiobat-teri (circostanza che ora si verifica nel-le acque profonde del Mar Nero). Iltempo necessario perché si stabilisca unnuovo equilibrio in seno al mare è de-terminato dal più lento tra i processiprima descritti, vale a dire dalla cir-colazione degli oceani; sembra che oc-corrano almeno 1000 anni per il com-pleto ricambio d'acqua nei bacini piùprofondi. Si possono anche immagina-re altre condizioni di circolazione incui gli oceani potrebbero interagirein modo diverso coi sedimenti e le roc-ce, determinando un equilibrio di so-stanze che solo è possibile congetturare.

Finora abbiamo parlato solo dei fon-damentali processi biologici ed eco-

logici che permettono la circolazionedel carbonio attraverso gli organismiviventi. I vegetali sulla terra, con vitamedia misurabile in anni, e il fito-plancton nel mare, con periodo di so-pravvivenza dell'ordine delle settima-ne, non sono altro che i congegni piùinterni di una macchina biogeochimicache abbraccia l'intero pianeta, le cui ca-ratteristiche rimangono costanti per pe-riodi di tempo molto più estesi. Perpoter comprendere tali interazioni, cisarà indispensabile conoscere, in modosia pur sommario, l'entità delle varieriserve di carbonio implicate e la na-

tura del loro contenuto (si veda l'illu-strazione a pagina 90). Nel presentecontesto, il pur elevato grado di incer-tezza che circonda tali nozioni, è dipeso irrilevante.

Solo una piccola parte dell'immensamassa di carbonio che si trova sulla su-perficie della terra o nelle sue vicinan-ze (dell'ordine delle 20 10 15 tonnella-te) è in rapida circolazione nella bio-sfera che comprende l'atmosfera, l'i-drosfera, la parte più esterna della cro-sta terrestre e la < biomassa » stessa.La quantità di gran lunga preponderan-te di carbonio che si trova nella lito-sfera è costituita da depositi inorgani-ci (prevalentemente carbonati) e depo-siti organici fossili (scisti bituminosi,carbone e petrolio) che hanno richiestocentinaia di milioni di anni per rag-giungere l'attuale estensione. Durantegli intervalli relativamente brevi (finoa 1000 anni) nei quali, come prima siaccennava, si compie la circolazionedelle acque profonde degli oceani, l'ac-crescimento di questi depositi è trascu-rabile. Possiamo quindi assimilare iprocessi di vita sulla terra e nel marea piccole rotelline, relativamente assaiveloci, interne alla macchina in cui sicompie la circolazione del carbonio.Esse si collegano ai giganteschi proces-si che presiedono alla circolazione com-plessiva del carbonio nelle sue varieforme geologiche e marine.

Ora sappiamo che i due grandi si-stemi dell'atmosfera e del mare sonostrettamente legati dal trasferimento dianidride carbonica attraverso le acquesuperficiali. La velocità con cui si com-pie questo scambio è stata recentemen-te valutata, con approssimazione, mi-surando la velocità di scomparsa dallaatmosfera dell'isotopo radioattivo car-bonio-14, prodottosi nel corso di espe-rimenti nucleari: i neutroni che si libe-rano durante l'evento nucleare reagi-scono con l'azoto-14 dell'atmosfera,trasformandolo in carbonio-14. In pra-tica un atomo di azoto ( 147N) catturaun neutrone perdendo conseguentemen-te un protone e convertendosi in 146C(il numero in basso a sinistra del sim-bolo rappresenta il numero di protoninel nucleo, il numero in alto è la som-ma dei protoni e dei neutroni).

L'ultima e più imponente campagnadi rilevamento atmosferico risale al1963. Prelevando campioni d'aria a va-rie altitudini e latitudini, si poté con-statare che i costituenti dell'atmosferasi erano, in un periodo di pochi anni,abbastanza omogeneizzati. La scompar-sa del carbonio-14, comunque, risultòassai rapida; questo fatto può esserespiegato solo ipotizzando uno scambiodi anidride carbonica atmosferica, ar-ricchita in carbonio-14, con le riserve

FotografiaImmediataPolaroidAnche in Italia si va diffondendol'uso delle apparecchiature specializ-zate Polaroid, che forniscono documen-tazione fotografica in pochi secondi,senza richiedere esperienza fotograficaprecedente.

Studiosi, ricercatori e tecnici, avver-tendo la necessità del controllo del-l'immagine subito dopo la ripresa, ri-corrono sempre più frequentementeall'avanzato sistema ideato dal dr. E.H.Land, attuale direttore della ricerca,oltre che presidente della PolaroidCorp.

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MAREPROFONDO

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SCAMBIOIDRICO

ZOOPLANCTON, PESCI

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SEDIMENTI

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CARBONE E PETROLIO

10 000

La circolazione del carbonio nella biosfera avviene attraversodue cicli abbastanza distinti, uno sulla terra, l'altro nel mare,che si collegano dinamicamente lungo la superficie di sepa-razione tra il mare e l'atmosfera. Il ciclo del carbonio nel mareè essenzialmente in grado di equilibrarsi da solo, in quanto ilfitoplancton fissa l'anidride carbonica disciolta nell'acqua e ti -mette in soluzione ossigeno. Lo zooplancton e i pesci consu-mano il carbonio assimilato dal fitoplancton, utilizzando l'ossi-geno disciolto per la respirazione. In certi casi la decomposi-zione di materia organica reintegra l'anidride carbonica fissatadal fitoplancton. Tutte le quantità dello schema sono in miliardi

di tonnellate. Si potrà notare che la combustione di materiali fos-sili, nella misura di circa 5 miliardi di tonnellate per anno, èsufficiente a elevare il contenuto atmosferico di anidride carbo-nica di circa lo 0,7 per cento, il che equivale all'aggiunta ap-prossimativa di 2 parti per milione alle esistenti 320 parti permilione. Poiché l'aumento annuale osservato è di solo 0,7 partiper milione, si può concludere che i due terzi dell'anidri-de carbonica liberata dai combustibili fossili vengono imme-diatamente rimossi dall'atmosfera, sia perché finiscono nelmare, sia perché vanno ad aumentare la massa complessiva del-la vegetazione terrestre. Le stime sono state fatte dall'autore.

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marine di anidride carbonica, assai piùpovere di carbonio radioattivo. Misu-re effettuate indicano che il tempo ca-ratteristico di permanenza dell'anidri-de carbonica nell'atmosfera, prima cheil gas si solubilizzi nel mare, varia da5 a 10 anni. In altre parole, ogni annoqualcosa come 100 miliardi di tonnel-late di anidride carbonica atmosfericasi disciolgono nel mare e vengono rim-piazzati da una quantità quasi equiva-lente dello stesso gas proveniente dalmare.

L'uomo, a partire dal 1850 circa, hainiziato a condurre senza avveder-

sene, una sorta di esperimento geochi-mico globale restituendo all'atmosfera,attraverso la combustione di grandiquantità di combustibili fossili, una par-te del carbonio che era stato fissato perfotosintesi milioni di anni addietro.Ogni anno vengono bruciati dai cinqueai sei miliardi di tonnellate di carbonefossile. Questa quantità sarebbe suffi-ciente a elevare il tenore di anidridecarbonica nell'aria di 2,3 parti per mi-lione all'anno, qualora l'anidride car-bonica stessa si distribuisse uniforme-mente senza venire rimossa. Durantegli ultimi cent'anni, la concentrazionedi biossido di carbonio nell'atmosferaè aumentata da 290 a 320 parti permilione e più di un quinto di que-sto incremento si è registrato pro-prio nel decennio in corso (si veda lafigura a pagina 82). Tuttavia l'aumen-to totale ammonta solo a un terzodell'anidride carbonica effettivamenteliberata (circa 200 miliardi di tonnella-te per anno) dai combustibili fossili.Benché la maggior parte dei restantidue terzi si sia presumibilmente disciol-ta nei mari, è pur possibile che una si-gnificativa frazione di anidride carbo-nica abbia contribuito ad aumentare laquantità di vegetazione sulla Terra. Ri-cerche di laboratorio mostrano infattiche i vegetali crescono più rapidamen-te quando l'aria circostante è più riccadi anidride carbonica. È pertanto pos-sibile che l'uomo, bruciando carbone,petrolio e gas naturali, stia finendo colfertilizzare i campi e le foreste. La bio-massa terrestre potrebbe essere aumen-tata addirittura di 15 miliardi di ton-nellate nei cento anni trascorsi.

L'uomo ha modificato il proprio am-biente anche con altri interventi. Du-rante l'ultimo secolo estese superfici ri-coperte da foreste sono state messe anudo e convertite all'agricoltura. Inqueste zone le modalità di respirazionedel terreno sono inequivocabilmentemutate, producendo effetti che avrebbe-ro potuto essere avvertiti nel contenutoatmosferico di anidride carbonica,qualora non si fosse registrato un con-

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La curva in colore mostra l'incremento della concentrazione atmosferica di anidridecarbonica a partire dal 1860, con estrapolazione fino al 2000. La curva in nero si rife-risce invece all'accumulo totale di CO 2. La differenza tra le curve rappresenta la quan-tità di CO, rimossa dal mare o aggiuntasi alla biomassa totale della vegetazione terrestre.

ANNI

Harrison Brown, nella metà del 1950, propose un possibile diagramma del consumo dicombustibili fossili, proiettato nel tempo. Nella figura, tale consumo è aggiornato al1960. Se una terza parte dell'anidride carbonica prodotta per combustione dovesse ri-manere nell'atmosfera, la quantità di anidride carbonica nell'aria dovrebbe salire dalleattuali 320 parti del milione a circa 1500 parti per milione nel corso dei prossimi secoli.

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temporaneo aumento in seguito allacombustione dei materiali fossili. Inogni caso l'equilibrio dinamico che esi-steva tra le piú ricche riserve di anidri-de carbonica nella biomassa, nell'at-mosfera, nell'idrosfera e nel terreno èstato alterato e si può dire che esse sitrovano in un periodo di transizione.Poiché anche i pii rapidi processi diassestamento tra questi « serbatoi » ri-chiedono decenni, sono lungi dal po-tersi stabilire nuove condizioni di equi-librio. Molto lentamente anche i mariprofondi partecipano allo scambio dianidride carbonica; i sedimenti del fon-do, controllano infatti, la distribuzionefinale di carbonio.

Nel frattempo le attività umane con-tinuano a mutare in modo esplosivo. Ilritmo accelerato nel consumo dei com-bustibili fossili, fa presupporre che nel-l'anno 2000 la concentrazione di bios-sido di carbonio nell'atmosfera, attual-mente di 320 parti per milione, si saràelevata a valori compresi tra 375 e 400parti di milione, nonostante le preac-cennate massicce sottrazioni di anidridecarbonica da parte della vegetazioneterrestre e del grande serbatoio marino(si vedano le illustrazioni a pagina 91).Un problema che si presenta comefondamentale è: che cosa accadrà neiprossimi 100 o 1000 anni? Una cosa ècerta: che queste variazioni nella com-posizione atmosferica non possono con-tinuare. Se dilatiamo la scala del tempo,secondo la quale noi ora osserviamo ilciclo del carbonio, di parecchi ordinidi grandezza, fino a centinaia di mi-gliaia o milioni di anni, è possibile an-ticipare la previsione di scambi mas-sicci tra il carbonio organico sulla ter-ra e i carbonati di origine biologica nelmare. Noi in effetti sappiamo che scam-bi su larga scala si sono registrati nelremoto passato. Tuttavia ogni discus-sione intorno a questi eventi trascorsie alle loro proiezioni nel futuro puòsoltanto avere un carattere qualitativo.indeterminato.

Benché i vegetali, sulla terra, abbia-no probabilmente avuto una parte im-portante nei processi di accumulo dicomposti organici nel terreno, il mareha indubbiamente agito come loro fon-damentale moderatore. La quantità dianidride carbonica nell'atmosfera è es-senzialmente legata alla pressione par-ziale dello stesso gas disciolto nel ma-re. Lungo un periodo, diciamo, di100 000 anni, la continua asportazionedai terreni, per dilavamento, di carbo-nati di calcio tenderebbe ad aumen-tare la concentrazione di anidride car-bonica nel mare, se non avvenisse, con-temporaneamente, un processo oppo-sto — la precipitazione e il deposito dicarbonati marini — tendente a ridurre

la quantità di anidride carbonica di-sciolta. In tal modo, i due meccanismihanno come effetto quello di annullar-si reciprocamente.

Per periodi di tempo ancora mag-giori (milioni o decine di milioni di an-ni) la concentrazione di ioni carbonatoe bicarbonato nel mare verrebbe pro-babilmente mantenuta costante, cioètamponata, attraverso una serie di rea-zioni implicanti composti del potassio,del silicio e dell'alluminio, i quali ven-gono lentamente asportati dalle rocceper azione degli agenti atmosferici etrascinati nel mare. L'effetto totale chesi produce è quello di stabilizzare ilcontenuto di anidride carbonica nelmare e di conseguenza nell'atmosfera.Sembra pertanto che la sfera ambientaledell'anidride carbonica, da cui dipendein misura fondamentale la biosfera, pos-sa essersi mantenuta relativamente inva-riata proprio fino a circa 100 anni faquando il consumo di combustibili fos-sili, operato dall'uomo, cominciò ad al-terare il contenuto di anidride carboni-ca nell'atmosfera. Nell'illustrazione apagina 90 si è cercato di condensarein uno schema la circolazione natura-le del carbonio nella biosfera. In ag-giunta a valori relativi a quantità giàmenzionate, il diagramma contiene al-tri dati tuttora poco dimostrabili. Essisono stati inseriti non solo per pareg-giare il bilancio, ma anche per delinea-re i filoni potenzialmente piú ricchi del-le future indagini. Questo vuole essereil principale scopo di questa specie diesercitazione. Il diagramma in questio-ne fornisce anche un modello semi-quantitativo dal quale si può partire perdiscutere come il ciclo del carbonioreagisca alle perturbazioni indotte. Unbuon modello dovrebbe naturalmentecomprendere anche dati reali e mappeper tutti gli elementi che giocano unruolo significativo nei processi biolo-gici.

Le maggiori perturbazioni di cui sia-mo a conoscenza sono quelle che

vengono ora arrecate proprio dall'uo-mo. Poiché le sue interferenze negliequilibri biologici e geochimici potran-no alla fine rivelarglisi nocive, se nonfatali, è necessario che egli ne appro-fondisca la conoscenza assai meglio epiú a fondo di quanto consentano i li-miti attuali. La storia della circolazio-ne del carbonio in natura ci insegna chel'uomo non può controllarne i bilancicomplessivi. Meglio avrebbe fatto alasciarli in armonia con lo stato natu-rale che esisteva fino all'esordio dellarivoluzione industriale. Se non fosseche per soddisfare almeno questa esi-genza di riequilibrio, ben venga unanuova rivoluzione industriale.

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