Benvenuti nell'era dei ritorni decrescenti


mercoledì 4 luglio 2012

La Grande Reazione chimica: Vita e Morte di Gaia

Da Cassandra's Legacy. Traduzione di Massimiliano Rupalti

Questo testo è una versione scritta della conferenza che ho tenuto a Desio (vicino a Milano) ad un incontro organizzato dal Centro Culturale Luzzati il 30 gennaio 2012. E' più breve rispetto alla presentazione orale, ma cerca di mantenerne lo spirito e il ritmo. 


Buonasera a tutti, sono felice di essere qui oggi. Sapete, ogni volta che tengo una conferenza cerco di dire qualcosa di diverso, altrimenti sarebbe noioso per me e, forse, anche per voi. Quindi, stavolta ho pensato che averi potuto fare qualcosa di vicino al mio lavoro. Dopo tutto, io insegno chimica. Non dovrei quindi insegnarvi un po' di chimica? Così, ho pensato che avrei potuto cominciare presentandovi una reazione chimica. Eccola:


Be', dopo un po' che fai presentazioni diventi in qualche modo telepatico. Quindi so cosa state pensando. Sì: posso leggere nelle vostre menti e so che questa immagine vi rende felici, non è vero? A proposito, l'uscita è laggiù in fondo. Se volete, potete uscire gridando “ho dimenticato di chiudere il gas!”. 

Be', nessuno sta scappando via e questo è bene. Ho detto che so cosa state pensando ed è vero – senza esagerare, naturalmente! State pensando che le reazioni chimiche sono noiose. E sono d'accordo con voi: le reazioni chimiche sono molto noiose. Posso dirvelo: ho studiato chimica, insegno chimica ed ho lavorato nella chimica per tutta la mia vita. Dovrei saperlo!

Allora, perché i chimici amano le cose che odiano – per così dire, sono masochisti o cosa? Be' no. Forse vi sto chiedendo di credere qualcosa di troppo estremo, ma lasciate che vi dica una cosa: la chimica non è noiosa! La chimica è affascinante, interessante e addirittura divertente. E la chimica non sono le reazioni chimiche. Le reazioni chimiche sono solo una scorciatoia che nasconde le cose davvero interessanti. Se guardate ai simboli, certo, è noiosa. Se invece guardate a cosa descrivono i simboli, se guardate dentro, non è la stessa cosa. Potrebbe essere una cosa interessante, come dicevo potrebbe essere divertente, potrebbe essere affascinante. Sapete, quando ero una matricola in chimica, ho dovuto frequentare un buon numero di laboratori di chimica. C'erano molte belle ragazze nella mia classe ed indossavano tutte camici in laboratorio – non proprio sexy come indumenti. Ma questo era solo l'esterno: quello che era affascinante era l'interno! 

Quindi, spero oggi di potervi mostrare che la reazione specifica che vi mostro oggi nasconde qualcosa di enormemente interessante. E' chiamata “Erosione dei Silicati” ed è la base della vita sulla Terra. Nel modo in cui l'ho scritta è molto semplificata, in realtà è molto più complessa di così. Ma possiamo prenderla in questa forma in modo da capirla. Se quella reazione non fosse avvenuta tutto il tempo sul nostro pianeta, io non sarei qui, voi non sareste qui e nemmeno quelle belle ragazze che ho incontrato durante il periodo in cui ero studente sarebbero mai esistite. Niente di vivo su questo pianeta esisterebbe. L'entità che chiamiamo Gaia non esisterebbe. Lasciatemi spiegare. Cosa intendiamo esattamente con “Gaia”? Penso che il meglio che possa fare sia mostrarvi un'immagine:


Sono sicuro che riconoscete questa immagine; è “Pandora” dal film “Avatar”. Ora, possiamo dire che Pandora è una specie di Terra palestrata. E' lussureggiante, piena di vita e affollata di creature: draghi, mostri, cascate, alberi, montagne, nuvole; tutto questa roba insieme. Naturalmente, Pandora è un mondo di fantasia, ma stiamo scoprendo per davvero un sacco di nuovi mondi nella Galassia, molti dei quali sono circa della stessa misura della Terra e alla distanza giusta dal loro Sole. Quindi potrebbero ben ospitare vita organica simile alla nostra, come accade a Pandora nel film Avatar. Non possiamo dire con certezza se tali mondi esistano, ma una cosa che possiamo dire è che – se esistono – la reazione che vi ho mostrato prima deve avvenire anche lì. Un mondo senza la reazione di erosione dei silicati in corso è come Marte o Venere. Nessuna reazione di erosione dei silicati, niente vita.  

Lasciate che vi spieghi: per fare in modo che la vita esista, ci devono essere alcuni materiali che la rendono possibile. Ci deve essere ossigeno da respirare, per esempio. Ma, ancora più importante dell'ossigeno, c'è una molecola che chiamiamo biossido di carbonio (una volta si diceva "anidride carbonica", ma è un termine obsoleto) e che scriviamo come CO2, pronunciata ci-o-due. Sapete che il biossido di carboimo è il materiale che è alla base della fotosintesi delle piante, che è ciò che mantiene tutto in vita su questo pianeta. Se Pandora è così lussureggiante e bella, deve avere CO2 nell'atmosfera, proprio come la Terra. Le piante fanno reagire la CO2 con l'idrogeno estratto dall'acqua e da questa reazione creano materia organica che viene poi usata per gli esseri viventi. In un certo senso, il CO2 è il cibo di Gaia ed anche il suo sangue, la sua linfa ed altro. 

Ma, quindi, se il CO2 è il cibo di Gaia, c'è un problema. Il CO2 è una molecola reattiva ed ecco dove la reazione che ho scritto si verifica: 


Vedete che questa reazione contiene biossido di carbonio: CO2, sulla sinistra. E vedete che questo CO2 reagisce con qualcosa che è scritto come “CaSiO3”, che posso leggere come “silicato di calcio”. Ora, la reazione (tenete a mente che è molto semplificata) dice che l'anidride carbonica reagisce con i silicati della crosta terrestre per creare carbonati (CaCO3) e silice (SiO2). Quindi un gas, anidride carbonica, reagisce con la roccia per creare più roccia. E, se deve creare quelle rocce, il carbonio che una volta formava la CO2 diventa carbonato, che è solido. Lasciate che vi mostri: 


Questa è una roccia erosa dalla pioggia. Vedete? Non è l'acqua che scioglie la roccia, ma il CO2 che reagisce con la roccia e la corrode. Facendolo, il CO2 scompare. Chiaramente, è un processo molto lento. Non vedete rocce spazzate via dalla pioggia, ameno che non vogliate aspettare molto, molto a lungo. Quanto a lungo? Be', parliamo di tempi geologici; milioni di anni, ma non è quello il punto. La questione è, se la CO2 si consuma nella razione, quanto tempo servirebbe all'atmosfera per perderla tutta? (e notate che le piante comincerebbero a morire molto prima che la CO2 scomparisse completamente). 



Su questo punto, c'è una risposta che potete trovare nel libro del 2001 di Robert Berner,  dal titolo piuttosto impressionante: “Il Ciclo del Carbonio nel Fanerozoico” ( The carbon cycle of the phanerozoic). Berner dice che tutto il CO2 nell'atmosfera terrestre verrebbe consumato dalla reazione di erosione in circa 10.000 anni. In parte, sarebbe rimpiazzata dal CO2 che degassa dagli oceani, ma anche quella fonte si esaurirebbe in circa 300.000 anni. Questi numeri, naturalmente, sono solo ordini di grandezza, ma per ciò che ci interessa qui la loro incertezza non ha grande importanza. La vita sulla Terra esiste da oltre 3 miliardi di anni e deve esserci stata CO2 in atmosfera per tutto questo tempo. Niente CO2, niente vita. Da questo non si esce.

Vedete quindi che siamo arrivati a un paradosso. La reazione di erosione avrebbe dovuto consumare tutto il CO2 in atmosfera molto tempo fa, ma ce n'è ancora un sacco. Almeno a sufficienza per mantenere attiva la fotosintesi e, con essa, tutta la vita sulla Terra. Ma i paradossi sono quasi sempre percorsi per comprendere realtà più profonde e questo non fa eccezione. Torniamo (ancora) alla reazione di erosione dei silicati:


Probabilmente ricorderete da quello che avete studiato alle superiori che le reazioni chimiche non vanno mai completamente in una direzione. Possono andare in entrambi i sensi e si trovano spesso in una condizione di equilibrio in cui i reagenti e i prodotti rimangono in concentrazioni costanti. E potreste ricordare che ci sono condizioni che possono spostare l'equilibrio da una direzione all'altra. Circa la reazione di erosione, di solito diciamo che va da sinistra a destra, come potete vedere dall'immagine della roccia erosa vista prima. Ma se potessimo far andare la reazione da destra a sinistra, allora i carbonati si decompongono e diventano una fonte di CO2. Se questo fosse possibile, avremmo un modo per riportare il CO2 in atmosfera. 

Come potrebbe succedere? Be', un'altra cosa che avrete sicuramente imparato alle superiori è che l'equilibrio di una reazione chimica dipende dalla temperatura. Ci sono buone ragioni basate sulla termodinamica che ci dicono che un composto solido si decompone ad alte temperature. E' ciò che accade ai carbonati, posto che si possano raggiungere temperature nell'ordine di diverse centinaia di gradi Celsius – possibilmente oltre i mille. Ora, dove potete trovare queste temperature sul pianeta Terra?

Molto facile: guardate i vostri piedi. Immaginate di fare un buco di poche decine di chilometri e ci siete. Troverete un'area chiamata il “Mantello”, che è di roccia semi fusa composta principalmente da silicati, ma anche da carbonati. Ecco la struttura interna del nostro pianeta così come la conosciamo oggi. 


Dovete scendere molto in profondità, ma alla fine raggiungerete le temperature che decompongono i carbonati. Ora, a quelle profondità i carbonati si decompongono rilasciando CO2 che viene rilasciato da vulcani, geyser, sorgenti termali e così via. Ed è esattamente ciò che accade nel grande ciclo della CO2 che va sotto il nome di tettonica a placche. Eccola:


Lasciate che vi spieghi un po' quest'immagine. Fa vedere come il fondo dell'oceano si sposti e venga gradualmente spinto nelle profondità della Terra in un processo chiamato “Subduzione”. Tutto ciò che si trova nel fondo dell'oceano è destinato, alla fine, a scomparire nel mantello. Ma anche questo è un ciclo, nella figura potete vedere come ci sia del materiale viene spinto dal mantello alla superficie a formare un nuovo fondo dell'oceano in quelle regioni chiamate “dorsali oceaniche”. Un processo molto lento, ci vogliono milioni di anni per un pezzo di roccia che si trova in superficie sulle dorsali medio-oceaniche per tornare nel mantello. Ma è quello che accade. 

Ora, questo è anche il ciclo della CO2. Vedete, abbiamo detto che la reazione dell'anidride carbonica con i silicati produce carbonati. Questi carbonati finiscono nel fondo dell'oceano, spesso sotto forma di conchiglie di organismi marini morti. E il risultato finale è che i carbonati vengono spinti dentro il mantello, dove fa abbastanza caldo da decomporli in ossido e CO2. Quindi, il CO2 torna in atmosfera sotto forma di eruzioni vulcaniche. 

La cosa bella di tutto ciò è che questo ciclo è la “manopola di controllo” della temperatura superficie terrestre. Il CO2 è il vero termostato che mantiene la Terra né troppo calda né troppo fredda; giusta. Ha fatto questo per miliardi di anni. Come termostato, bisogna dire che non ha sempre funzionato benissimo: abbiamo avuto ere glaciali e qui periodi caldi chiamati a volte “serre planetarie”. Ma, complessivamente, la temperatura della Terra è sempre rimasta entro i limiti che rendono possibile la vita. Diversamente, non saremmo qui. 

Quindi, come funziona il termostato? Per prima cosa, sapete che il CO2 è un “gas serra”. Cattura il calore emesso dalla superficie della Terra comportandosi come una coperta che mantiene il pianeta caldo. Così, più CO2 c'è, più ci aspettiamo che la Terra sia calda. Di conseguenza, la temperatura può essere regolata controllando la concentrazione di CO2 in atmosfera. Ma come può essere fatto? Be, c'è un trucco: la velocità della reazione chimica dipende dalla temperatura. Ed è vero anche per la reazione di erosione dei silicati:


Le alte temperature accelerano la reazione. Quindi, se la Terra diventa più calda, viene consumata più CO2, e ciò riduce le temperature perché la concentrazione di CO2 scende – ricordate che è un gas serra! Se la terra si raffredda accade l'opposto – la reazione rallenta, la concentrazione di CO2 aumenta a causa di tutti quei vulcani e, alla fine, la temperatura torna ai valori precedenti. Visto? Semplice ed efficace.

Naturalmente, come ho detto, questo controllo termostatico è ben lontano dalla perfezione. Comporta tempi nell'ordine di milioni di anni, quindi serve un enorme lasso di tempo al pianeta per recuperare dagli effetti di una perturbazione rapida. Per esempio, circa 250 milioni di anni fa, ha avuto luogo un'enorme eruzione vulcanica in Siberia. Ha emesso così tanto CO2 che l'aumento della temperatura risultante ha quasi ucciso tutta la vita sulla Terra. La reazione di erosione dei silicati, alla fine, ha assorbito tutta quella CO2 e riportato le temperature a valori più accettabili per la biosfera. Ma ci sono voluti milioni di anni. Quindi, se vediamo la registrazione delle temperature, vediamo che oscillano e questo non ci dovrebbe sorprendere poi tanto. Ecco i dati che abbiamo per i 550 milioni di anni passati, più o meno, il periodo cioè che chiamiamo “Fanerozoico”:


Come ho detto, la regolazione non è perfetta, ma il fatto che le temperature oscillino intorno a un valore costante ci dice che c'è una regolazione in atto. Vedete, il punto è che il pianeta ha bisogno di quella regolazione, perché la radiazione solare è lungi dall'essere costante. Aumenta di circa il 10% ogni miliardo di anni, a causa di ragioni che hanno a che fare con l'evoluzione delle stelle. Così, in un periodo di mezzo miliardo di anni, come il Fanerozoico, ci saremmo dovuti aspettare che la temperatura salisse, risultato del fatto che il Sole diventa sempre più brillante. Invece questo non lo vediamo. Quello che vediamo, piuttosto, è una riduzione graduale delle concentrazioni di CO2, come vediamo qui (i dati, ancora una volta, provengono dal lavoro di Berner):






Sì, è irregolare, ma non c'è dubbio che la concentrazione di CO2 sia scesa, in media, durante l'ultimo mezzo miliardo di anni. E se facciamo un piccolo calcolo che tenga conto l'aumento della luminosità solare (lo potete trovare nel libro di Berner), possiamo vedere che le cose tornano bene. La variazione della concentrazione di CO2 è quello che ha mantenuto la Terra né troppo calda né troppo fredda, giusta nella media, durante il passato geologico. 

Ora, immagino che vi stiate chiedendo cosa accadrà in futuro. Come avete visto nella figura, su tempi dell'ordine delle centinaia di milioni di anni, la concentrazione di CO2 tende a scendere e continua a farlo (a parte l'intervento umano in termini di uso di combustibili fossili, ma questo non è parte del sistema di regolazione). Alla fine, arriveremo ad un punto in cui il sistema non può più ridurre la concentrazione. Eh, si, e anche prima che si arrivi a quel punto, non ci sarà abbastanza CO2 per la fotosintesi delle piante. E senza fotosintesi, non può esserci vita sulla Terra – tutto muore.

Questo di fatto è il destino ultimo della biosfera. Di Gaia, se preferite. Quindi, se Gaia è un essere vivente, come tutti gli esseri viventi deve morire. Sarà un processo lento – molto lento per gli standard umani. Ma accadrà. Nella simulazione qui sotto, di S. Franck e altri, potete vedere il lento esaurirsi della biosfera che si dovrebbe estinguere in un miliardo e mezzo di anni nel futuro. Vedete che i vertebrati si dovrebbero estinguere molto prima, forse in meno di un miliardo di anni:


Ed ecco un'immagine del destino finale della Terra. Cioè quello di venire sterilizzata dal Sole che diventa sempre più brillante. Gli oceani evaporeranno e, alla fine, la superficie si fonderà, sottoposta ad un calore tremendo. 



Questo è chiaramente un futuro lontano. Forse, allora, i nostri discendenti, se ce ne saranno, avranno trovato un altro luogo per vivere, intorno ad un'altra stella o da qualche parte nella galassia. La nostra principale preoccupazione è che anche il futuro prossimo potrebbe dare, ai nostri discendenti prossimi, molti problemi con la temperatura terrestre. 

Il problema è che abbiamo armeggiato col termostato senza capire esattamente cosa stessimo facendo. Ed abbiamo emesso in atmosfera una grande quantità di gas che erano stati rimossi dall'atmosfera come parte del meccanismo di regolazione. Gas che erano stati immagazzinati sottoterra sotto forma di ciò che chiamiamo “combustibili fossili”: carbone, petrolio e gas naturale. La perturbazione portata nel sistema è molto grande ed estremamente rapida, se confrontata con qualsiasi evento accaduto nella storia passata della Terra. 









Avrete probabilmente visto questo grafico che è molto, molto preoccupante. Il fatto è che una tale concentrazione di CO2 non c'è mai stata nella storia della Terra durante gli ultimi milioni di anni. Quando abbiamo avuto concentrazioni del genere, decine o  centinaia di milioni di anni fa, il Sole era meno caldo di quanto non lo sia ora e, tuttavia, la Terra era un luogo molto più caldo di quanto non lo sia oggi. Potremmo essere in grado di adattarci ad un pianeta più caldo, ma il processo non sarebbe indolore. Pensate solo che scioglimento delle calotte glaciali continentali sommergerebbe tutte le nostre città costiere.

Non possiamo sperare che il termostato dei silicati ci salverà dal riscaldamento causato dalla CO2. Questa reazione


è dannatamente lenta per i nostri standard. Essa rimuoverà, alla fine, la CO2 che abbiamo emesso dall'atmosfera, ma ci vorranno decine di migliaia di anni, come minimo. Guardate queste simulazioni di Dave Archer e vedrete qual è il problema:


Visto? Parte della CO2 che abbiamo emesso in atmosfera sarà ancora qui fra 40.000 anni da adesso. In realtà ci starà molto più a lungo. Quindi, vedete quanto sia importante la reazione che vi ho mostrato. La reazione di erosione dei silicati è ciò che mantiene “Gaia” viva – o meglio, essa è Gaia. E non fate l'errore di pensare che Gaia sia una Dea e che, in qualche modo, si prenda cura di noi. No. È più corretto dire che Gaia se ne frega di noi – il che è ciò che ci si aspetta da una reazione chimica, dopo tutto. Siamo noi che abbiamo armeggiato con questa reazione chimica e saremo noi a doverne affrontare le conseguenze. 

Alla fine, non possiamo sperare di forzare il pianeta a fare ciò che vogliamo che faccia. Quindi dobbiamo imparare a vivere nel flusso dei cicli della Terra. Per questo, dobbiamo sapere un po' di chimica. La mia idea oggi, era quella di mostrarvi un po' di chimica. Ma più che la chimica, dobbiamo imparare i nostri limiti, altrimenti non sopravviveremo a lungo. 

Questa è la nostra Terra, non un pianeta di fantasia, cerchiamo di conservarla come l'abbiamo trovata: