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Ecco quanto carbonio è stoccato dalla Terra. Il mega studio del DCO

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Catastrofi del carbonio: la Terra ne ha già viste alcune e non finiscono bene per la vita.

Le emissioni annuali di carbonio prodotte dall’umanità sono da 40 a 100 volte maggiori di tutte le emissioni vulcaniche.

Gli scienziati che lavorano al programma Deep Carbon Observatory (DCO) della National Academy of Sciences Usa hanno ristudiato i vulcani, lo scontro e l’espansione delle placche continentali e oceaniche e altri fenomeni con strumenti innovativi ad alta tecnologia e ora rendono note nuove scoperte sui meccanismi più interni della Terra che riguardano il ciclo planetario del carbonio.

In preparazione del decennale del programma (Deep Carbon 2019: Launching the Next Decade of Deep Carbon Science dal 24 al 26 ottobre a Washington), il team Reservoirs and Fluxes – composto da 504 scienziati DCO provenienti da 39 Paesi, che lavorano a 102 progetti e autori di 372 pubblicazioni scientifiche – ha pubblicato diverse scoperte chiave che vanno dal presente a miliardi degli anni fa, dal nucleo della Terra, alla nostra atmosfera e ai singoli vulcani di tutti i continenti.

Presentando l’imponente lavoro che ancora una volta smentisce i negazionisti climatici e le loro teorie sul presunto “riscaldamento globale naturale in atto” e dà ragione ai “gretini”, Robert H. Hazen, direttore esecutivo di Deep Carbon Observatory ha evidenziato che «il carbonio, il sesto elemento, svolge ruoli unici nel nostro pianeta dinamico ed in evoluzione. Fornisce le basi chimiche per la vita, funge da fonte primaria del nostro fabbisogno energetico, ispira una miriade di nuovi materiali straordinari e svolge un ruolo enorme nel clima e nell’ambiente incerti e mutevoli della Terra. Questi aspetti sfaccettati del carbonio hanno ispirato decenni di intensa ricerca, la maggior parte dei quali si è concentrata sul ciclo del carbonio vicino alla superficie: gli oceani, l’atmosfera e la biosfera che mostrano rapidi cambiamenti e che sono maggiormente influenzati dalle attività umane. La ricerca sul carbonio profondo ha una visione globale a più lungo termine considerando che il 90% stimato del carbonio terrestre è nascosto alla vista all’interno del pianeta. Esploriamo le forme, le quantità, i movimenti e le origini del carbonio sequestrato nel nucleo inaccessibile della Terra, che si sposta nel mantello profondo, reagisce con fluidi profondi e si nasconde nell’affascinante biosfera del sottosuolo. Non possiamo comprendere il carbonio sulla Terra – non possiamo collocare nel contesto il mondo mutevole della superficie – senza la necessaria base fornita dalla ricerca sul carbonio di profondità».

Tra le molte scoperte, delineate e riassunte in una serie di articoli pubblicati su Elements, il DCO ne evidenzia le principali in un comunicato: solo 2 decimi dell’1% del carbonio totale della Terra – circa 43.500 gigatonnellate – si trovano sopra la superficie degli oceani, sulla terra e nell’atmosfera. Il resto è nel sottosuolo, compresa la crosta, il mantello e il nocciolo: circa 1,85 miliardi di Gt in totale. Si stima che oggi la CO2 emessa nell’atmosfera e negli oceani dai vulcani e da altre regioni magmaticamente attive sia tra i 280 a 360 milioni di tonnellate (da 0,28 a 0,36 Gt) all’anno, compresa quella rilasciata negli oceani dalle creste oceaniche. Le emissioni annuali di carbonio prodotte dall’umanità, attraverso la combustione di combustibili fossili e foreste ecc., sono da 40 a 100 volte maggiori di tutte le emissioni vulcaniche. Il ciclo del carbonio delle profondità terrestri attraverso il tempo remoto rivela una stabilità equilibrata e a lungo termine della CO2 atmosferica, punteggiata da grandi disturbi, tra cui immensi e catastrofici rilasci di magma che si sono verificati almeno cinque volte negli ultimi 500 milioni di anni. Durante questi eventi, enormi volumi di carbonio sono stati sottoposti a degassificazione, portando ad un’atmosfera più calda, oceani acidificati ed estinzioni di massa. Allo stesso modo, un gigantesco impatto meteorico 66 milioni di anni fa, l’impatto della meteorite Chicxulub sulla penisola messicana dello Yucatan, rilasciò tra 425 e 1.400 Gt di CO2, riscaldò rapidamente il pianeta e coincise con l’estinzione di massa (>75%) di piante e animali, compresi i dinosauri. Negli ultimi 100 anni, le emissioni prodotte da attività antropiche come la combustione di combustibili fossili sono state da 40 a 100 volte maggiori delle emissioni geologiche di carbonio del nostro pianeta. Uno spostamento nella composizione dei gas vulcanici dal maleodorante biossido di zolfo (simile a quello combusto – SO2 ) a un gas più ricco di CO2 inodore e incolore può essere annusato monitorando con stazioni o droni per prevenire un’eruzione: a volte con ore, a volte con mesi di anticipo. Stanno emergendo sistemi di allarme rapido per le eruzioni con monitoraggio in tempo reale e per sfruttare la scoperta del rapporto CO2/SO2, riconosciuto per la prima volta con certezza nel 2014.

La scienziata del DCO Marie Edmonds dell’università di Cambridge, evidenzia che «il carbonio, la base di tutta la vita e la fonte di energia vitale per l’umanità, si sposta attraverso questo pianeta dal suo manto all’atmosfera. Per garantire un futuro sostenibile, è della massima importanza comprendere l’intero ciclo del carbonio della Terra. La chiave per svelare il ciclo naturale del carbonio del pianeta è quantificare la quantità di carbonio presente e dove, quanti movimenti – il flusso – e quanto velocemente, si sposta dai bacini della Terra profonda alla superficie e viceversa».

Tobias Fischer del DCO e dell’università del New Mexico, aggiunge: «Il Deep Carbon Observatory ha una comprensione avanzata dei meccanismi interni della Terra. Il suo corpus collettivo di oltre 1500 pubblicazioni non solo ha accresciuto ciò che è noto, ma ha stabilito limiti a ciò che è conoscibile e forse inconoscibile. Mentre celebriamo il progresso, sottolineiamo che la Terra Profonda rimane una frontiera scientifica altamente imprevedibile; abbiamo davvero iniziato a intaccare solo gli attuali confini delle nostre conoscenze».

Ma quanto carbonio contiene la terra? Da tempo gli scienziati sanno che il carbonio stoccato all’interno della Terra ha diverse forme, solide, fluide e gassose, e che alcuni di questi materiali si presentano come combinazioni del carbonio con ossigeno (anidride carbonica), ferro (carburi), idrogeno (cherogene, carbone, petrolio e metano) e altri elementi (silicio, zolfo e azoto), oltre al carbonio elementare (grafite e diamante). Gli scienziati del Deep Carbon Observatory sottolineano «la conoscenza del carbonio totale nel mantello inferiore e nel nucleo è ancora speculativa e le cifre si evolveranno con precisione man mano che la ricerca continua». Detto questo, gli esperti, in particolare Cin-Ty Lee della Rice University e il suo team, stimano che i pozzi di carbonio sulla Terra siano composti da 1,85 miliardi di gigatonnellate (1,85 x 1 miliardo x 1 miliardo di tonnellate) di carbonio totale così suddiviso: 1.845 miliardi Gt di carbonio totale sotto la superficie; 1.5 miliardi Gt nel mantello inferiore; 0.315 miliardi Gt nelle litosfere continentali e oceaniche; 0,03 miliardi Gt nel mantello superiore; 43.500 Gt di carbonio totale sopra la superficie – negli oceani, sulla terra e nell’atmosfera – i 2/10 dell’1% del carbonio totale della Terra, ripartiti così: 37.000 Gt di carbonio nell’oceano profondo (85,1% di tutto il carbonio sopra la superficie); 3.000 Gt nei sedimenti marini (6,9%); 2000 Gt nella biosfera terrestre (4,6%); 900 Gt nell’oceano di superficie (2%); 590 Gt nell’atmosfera (1,4%).

Lee fa notare che «per miliardi di anni, la Terra sembrava aver trovato un equilibrio tra il carbonio stoccato in profondità e il carbonio emesso dai vulcani, processi che aiutano a stabilizzare il clima e l’ambiente. Ma quanto è stabile questo ciclo incessante? Nessuna legge naturale richiede che la quantità di carbonio che scende… deve essere esattamente uguale al carbonio restituito alla superficie da vulcani e altri mezzi meno violenti. Nessuna domanda è più centrale per il Deep Carbon Observatory di questo equilibrio tra ciò che scende e ciò che ritorna».

La degassificazione totale annua di CO2 da parte della Terra attraverso i vulcani e attraverso altri processi geologici come il riscaldamento del calcare nelle catene montuose è stata recentemente stimata dagli esperti del DCO in circa 300 – 400 milioni di tonnellate metriche (da 0,3 a 0,4 Gt). Da soli i vulcani e le regioni vulcaniche superano emettono 280 – 360 milioni di tonnellate (da 0,28 a 0,36 Gt) di CO2 all’anno. Questo include il contributo di CO2 delle bocche vulcaniche attive, il rilascio diffuso di CO2 attraverso suoli, faglie e fratture nelle regioni vulcaniche, nei laghi vulcanici e dai sistemi di cresta dell’oceano centrale. Secondo i ricercatori del DCO, «con rare eccezioni nel corso di milioni di anni, la quantità di carbonio rilasciata dal mantello terrestre è stata in equilibrio relativo con la quantità restituita attraverso la subduzione verso il basso delle placche tettoniche e di altri processi».

Almeno 4 volte negli ultimi 500 milioni di anni questo equilibrio è stato però ribaltato da grandi eventi vulcanici con 1 milione o più chilometri quadrati (la superficie del Canada) di magma rilasciati in un periodo che va da alcune decine di migliaia di anni fino a 1 milione di anni. Al DCO spiegano che «queste “grandi province ignee” hanno degassato enormi volumi di carbonio (stimati fino a 30.000 Gt, pari a circa il 70% dei 43.500 Gt stimati di carbonio oggi sopra la superficie). Lo squilibrio del ciclo del carbonio può causare un rapido riscaldamento globale, cambiamenti nella velocità di reazione degli agenti atmosferici ai silicati, cambiamenti nel ciclo idrologico e rapidi cambiamenti generali dell’habitat che possono causare l’estinzione di massa mentre la Terra si riequilibra. Catastrofi del carbonio simili sono state causate da asteroidi/meteore (bolidi), come il massiccio impatto del Chixculub nella zona dello Yucatan in America centrale 65 milioni di anni fa, un evento al quale è stata attribuita l’estinzione dei dinosauri e della maggior parte delle altre piante e animali dell’epoca». Secondo i ricercatori australiani Balz Kamber e Joseph Petrus «l’evento Chicxulub […] ha sconvolto notevolmente il budget dei gas climatici attivi nell’atmosfera, portando a un improvviso raffreddamento a breve termine e un forte riscaldamento a medio termine. Pertanto, alcuni impatti di bolidi di grandi dimensioni sono paragonabili a quelli osservati nell’Antropocene in termini di rapida interruzione del ciclo C (carbonio) e di potenziale superamento di una dimensione critica di perturbazione».

Sami Mikhail, dell’università britannica di St Andrews, ricorda che «la Terra è unica tra i pianeti del nostro sistema solare in quanto ha acqua liquida in superficie, favorisce la vita e ha una tettonica a zolle attiva. L’identificazione di tutti i legami tra questi fenomeni sono passi importanti nelle discipline umanistiche per perseguire la ricerca delle origini della Terra cosi come sulla sua abitabilità. Tuttavia, è certamente un assoluto che il fatto che il carbonio svolge un ruolo dominante. Ad esempio, il clemente ambiente terrestre è legato alla chimica atmosferica, che è abbastanza calda da stabilizzare l’acqua liquida sulla sua superficie ma abbastanza fredda da consentire la tettonica delle placche ed è un fatto incontrovertibile che il contenuto di carbonio della nostra atmosfera e degli oceani è direttamente collegato al clima terrestre».

Celina Suarez, dell’università dell’Arkansas, aggiunge: «Gli importanti risultati del DCO sono modelli steady-state con nuovi forti dati per valutare i flussi contemporanei tra i pozzi di carbonio nella Terra profonda e i loro effetti su tutto, dall’evoluzione della vita all’aria che respiriamo. Grazie a questa comprensione, possiamo valutare meglio le perturbazioni o la non linearità nel sistema terrestre nelle profondità del tempo».

Gli esperti DCO stimano che circa 400 dei 1.500 vulcani attivi dall’ultima era glaciale, 11.700 anni fa, oggi stiano emettendo CO2. Altri 670 potrebbe produrre emissioni diffuse, con 102 già documentate. Di questi, 22 antichi vulcani che non sono esplosi dall’epoca del Pleistocene (2,5 milioni di anni fa fino all’era glaciale) stanno degassando. Pertanto, tutti i vulcani, giovani e molto vecchi, possono emettere CO2.

Attualmente i livelli di emissioni di CO2, diossido di zolfo e di idrogeno solforato vengono quantificati per molti dei vulcani più attivi del mondo, in parte grazie allo sviluppo di strumenti miniaturizzati, durevoli ed economici.  E diversi vulcani sono stati cablati con stazioni di monitoraggio per ottenere letture dei dati in tempo reale, migliorando il monitoraggio da parte di governi e università negli Stati Uniti, in Italia, in Costa Rica e altrove. Su vulcani nei cinque continenti, esistono attualmente circa 30 stazioni di monitoraggio dei gas gestite in collaborazione e che monitorano continuamente le emissioni.

Il Deep Earth Carbon DEgassing (DADE DECADE) è un’iniziativa scientifica pionieristica che ha contribuito a rivoluzionare la raccolta di dati in aree vulcaniche inaccessibili o pericolose e i dati ottenuti vengono combinati con le letture provenienti da sistemi satellitari e terrestri che operano da molto tempo.

Ricerche recenti hanno rivelato il numero di vulcani che si ritiene che attualmente non stiano emettendo quantità misurabili di CO2, stimati a 150 nel 2013. i ricercatori DECADE confermano che «tra il 2005 e il 2017 oltre 200 sistemi vulcanici hanno emesso volumi misurabili di CO2 e che «di questi, sono state documentate diverse super-regioni di degasaggio diffuso (ad es. Yellowstone, Usa, Oriente) African Rift, Africa, e la provincia vulcanica di Technong in Cina, per citarne alcuni). Il degasaggio diffuso è ora riconosciuto come una fonte di CO2 paragonabile alle bocche vulcaniche attive».

Dieci anni di ricerche del DCO lasciano in eredità anche un nuovo database ( http://www.magadb.net ) per acquisire informazioni sui flussi di CO2 da fonti vulcaniche e non vulcaniche in tutto il mondo.

La ricerca realizzata su un numero crescente di vulcani ben monitorati in tutto il mondo ha fornito importanti nuove informazioni sulla tempistica delle eruzioni rispetto alla composizione del degassamento vulcanico: «Il monitoraggio durante tutto l’anno su 5 vulcani ha rivelato che il livello di anidride carbonica rispetto all’anidride solforosa nei gas vulcanici cambia sistematicamente nelle ore o nei mesi prima di un’eruzione – Dcono al DCO – . I vulcani in cui tali modelli sono stati documentati includono Poas (Costa Rica), Etna e Stromboli (Italia), Villarica (Cile) e Masaya (Nicaragua). (Vedi anche “Remote Gas Monitoring Gives Warning Before Wet Eruptions”). Allo stesso modo, il rapporto CO2 / SO2 è cambiato radicalmente mesi e anni prima delle grandi eruzioni a Kilauea (Hawaii) e Redoubt Volcano (Alaska), negli Stati Uniti, suggerendo che il monitoraggio della composizione del gas, spesso in pennacchi invisibili, offre un nuovo strumento di previsione dell’eruzione che, in alcuni casi, precede aumenti della sismicità del vulcano o deformazione del terreno».

Cynthia Werner, dell’United States Geological Survey, conclude: «Abbiamo realizzato un quadro molto più completo del degassamento del biossido di carbonio vulcanico sulla Terra, rafforzando l’importanza dei vulcani attivi, ma scoprendo che, con il rilascio minuto, anche le grandi province idrotermali e le aree di fratturazione continentale sono regioni predominanti della degassificazione planetaria».

Per maggiori informazioni sui diversi ambiti di ricerca del Deep Carbon Observator:

Deep Energy. Dedicato allo sviluppo di una comprensione fondamentale degli ambienti e dei processi che regolano il volume e i tassi di produzione degli idrocarburi abiogenici e di altre specie organiche nella crosta e nel mantello attraverso il tempo geologico: https://deepcarbon.net/communities/deep-energy

Extreme Physics And Chemistry. Dedicato a migliorare la nostra comprensione del comportamento fisico e chimico del carbonio in condizioni estreme, come si trova nelle profondità interne della Terra e di altri pianeti: https://deepcarbon.net/index.php/community/extreme-physics-and-chemistry

Deep Life. Dedicato a valutare la natura e l’estensione della biosfera microbica e virale di profondità: https://deepcarbon.net/index.php/community/deep-life

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