Questo è un articolo piuttosto lunghetto e formale che è apparso nel volume intitolato "Trasparenze ed Epifanie" edito dall'Università di Firenze quest'anno. Una cosetta interdisciplinare interessante e ambiziosa che è disponibile anche in "open access". Non so se avete voglia di leggervi questo malloppo che ho scritto, fra ere geologiche, evoluzione biologica, energia rinnovabile e rivoluzioni metaboliche. Ma contiene molti ragionamenti che ho rimuginato negli ultimi tempi. Insomma, eccolo qua!
Di Ugo Bardi
Più di una volta, nella storia della scienza si è detto che sarebbe arrivato un giorno in cui non ci sarebbe stato più niente da scoprire e che la scienza si sarebbe dovuta limitare a lavorare sugli ultimi decimali di misure ormai ben note (Horgan 1997). Tuttavia, le rivoluzioni scientifiche continuano a succedersi, una dopo l’altra; ciascuna arrivando a oltrepassare i limiti di tutto quello che si sapeva in precedenza. Il ventesimo secolo havisto rivoluzioni come la meccanica quantistica, la relatività, l’elettronica digitale e molto di più. Ma le rivoluzioni continuano e forse l’ultima in ordine di tempo è quella che ha avuto luogo negli ultimi decenni del ventesimo secolo e che si sta ancora svolgendo nei primi decenni del ventunesimo: la comprensione dei meccanismi di funzionamento dell’ecosistema del pianeta Terra. È una rivoluzione nella conoscenza ma, come tutte le rivoluzioni, ha delle conseguenze pratiche. Delle conseguenze che potrebbero portarci a trasformare completamente l’ecosfera terrestre in qualcosa mai visto nei quattro miliardi e più della sua storia.
La rivoluzione della scienza dei sistemi terrestri è una rivoluzione che non tutti hanno ancora notato, ma che parte da lontano. Ha i suoi antenati nel lavoro di Charles Darwin sull’evoluzione delle specie e, ancora prima, nel lavoro dei primi geologi, da Lyell a Buffon, che avevano cercato di interpretare il record stratigrafico della crosta terrestree di svelare come il nostro pianeta si era evoluto nella sua lunga storia.Non è stato facile; la rivoluzione della geologia è andata in parallelo con quella dell’astronomia e della cosmologia, ma più lentamente. Galileo Galilei poteva fare le sue grandi scoperte semplicemente puntando un telescopio verso il cielo. Ma non esisteva – e tuttora non esiste – l’equivalente di un telescopio per la geologia. Esistono analisi lente e meticolose del record stratigrafico che richiedono anni e anni di lavoro e che spesso sono incerte per tante ragioni. Ma, come in tanti altri campi della scienza, si va avanti.
Così, il quadro che si è gradualmente presentato ai ricercatori che cercavano di svelare la storia della terra è stata una cosa che loro stessi forse hanno trovato inaspettata. Il “record geologico” che troviamo oggi negli strati sedimentati del passato è una storia che va a balzi: la storia della terra è un po’ una scatola cinese di suddivisioni che si susseguono. Si parladi eoni, ere, periodi ed età, su scale sempre più brevi, ma sempre “geologiche”; nel senso che le suddivisioni più lunghe hanno durate dell’ordine del miliardo di anni, quelle più brevi dell’ordine del milione di anni e anche molto meno. L’esistenza di queste suddivisioni è apparsa immediatamente chiara in geologia; molto più tempo è stato necessario per capirne le ragioni.
A lungo andare, ne è venuto fuori un quadro consistente con lo sviluppo della teoria emergente dei sistemi termodinamici fuori di equilibrio. Ed è chiaro che la Terra è un sistema termodinamico di questo tipo; ovvero un sistema fuori equilibrio dominato da flussi energetici esterni. Questo tipo di sistema tende ad agire come un trasduttore di energia che disperde i potenziali energetici disponibili alla massima velocità possibile (Sharma, Annila 2007; Kaila, Annila 2008); una proprietà che possiamo anche descrivere in termini del principio detto “massima produzione di entropia”(Kleidon 2004; Martyushev, Seleznev 2006; Kleidon, Malhi, Cox 2010). Se i flussi di energia incidenti rimangono approssimativamente costanti, i sistemi fuori equilibrio tendono a raggiungere la proprietà detta “omeostasi”; ovvero una condizione in cui i parametri del sistema rimangono approssimativamente gli stessi (Kleidon 2004). Sul breve periodo, il flusso di energia che arriva dal sole è approssimativamente costante (Iqbal1983).
Ma, sul lungo periodo, non è così e l’evoluzione dei corpi stellari fa sì che l’irradiazione solare aumenti molto lentamente e gradualmente; si stima di un fattore di circa il 10% per miliardo di anni (Schroeder, Smith 2008). Ne potremmo concludere che, su scale di tempo molto inferiori al miliardo di anni, la Terra dovrebbe mantenere una condizione di omeostasi. Ma non è così; il record stratigrafico ci mostra chiaramenteche il sistema terra è stato soggetto a cambiamenti relativamente rapidi per tutto il periodo della sua esistenza.
Quello che ha creato questi cambiamenti rapidi (detti anche “puntuali”) è stato l’effetto del flusso di energia che arriva dall’interno della Terra. Questo flusso di energia è il risultato sia del calore residuo accumulato nella massa planetaria durante la sua formazione, circa quattro miliardi di anni fa, sia del decadimento radioattivo di specie fissionabili. È molto inferiore, di circa due ordini di grandezza, a quello del flusso di energia solare (Davies, Davies 2010) e il suo valore medio cambia molto lentamente su scala geologica via via che la terra si raffredda e i nuclei instabili si esauriscono (Korenaga 2008). Tuttavia, questo flusso energetico è fondamentale. La vita sulla terra non potrebbe esistere se non fosse per il fatto che il nucleo terrestre è attivo e che l’interno della terra scambia continuamente materia ed energia con la superficie.
Un primo elemento che rende così importante l’aspetto geologico nel sistema terra è la natura discontinua del flusso di energia. La crosta terrestre è in continuo cambiamento e movimento secondo i meccanismi della tettonica a zolle e il risultato è che i flussi vengono diretti in modo disomogeneo, concentrandoli per esempio in eruzioni vulcaniche o province ignee (eruzioni particolarmente massicce). Le perturbazioni e i cambiamenti dei flussi di energia geotermica sono la causa principale delle discontinuità nel record geologico. Per esempio, si sa che durante il periodo detto “Fanerozoico”, iniziato 542,0 ± 1,0 milioni di anni fa, possiamo osservare una forte correlazione fra le eruzioni basaltiche delle grandi province ignee e le estinzioni di massa che definiscono la storia della biosfera terrestre (Wignall 2001; Kidder, Worsley 2010; Bond, Wignall 2014). Il risultato di questo flusso combinato di luce solare e di energia geotermica è l’ecosfera terrestre in tutta la sua lunga storia di circa quattro miliardi di anni. L’ecosfera è una “struttura dissipativa” secondo la definizione di Prigogine (1967; 1968). Ovvero è un sistema fuori di equilibrio che immagazzina energia e informazione e che ha la caratteristica di aumentare la velocità dissipativa del sistema. In termini ben noti ai chimici, potremmo chiamare l’ecosistema terrestre come un “catalizzatore”.
L’ecosfera terrestre è formata principalmente dalla biosfera, dall’idrosfera e dall’atmosfera. Tutte queste sono strutture dissipative, continuamente in movimento per dissipare l’energia solare che arriva sulla terra. L’idrosfera lo fa con le correnti oceaniche e con la circolazione dell’acqua sui continenti. L’atmosfera lo fa con il movimento delle masse d’aria che trasportano e dissipano il calore accumulato nella troposfera. La biosfera lo fa attraverso il processo di fotosintesi che crea tutta la struttura trofica dissipativa che conosciamo come tipica di quell’immenso sistema vivente che esiste sulla superficie della terra. Questi sistemi sono strettamente legati alla geosfera. Per esempio, la concentrazione di CO2 nell’atmosfera terrestre viene mantenuta approssimativamente costante per mezzo di un sistema di retroazione basato sulla lenta reazione del biossido di carbonio con i silicati della crosta terrestre, generando carbonati. Questa reazione è detta il ciclo “lungo” del carbonio per distinguerla dal ciclo “corto” che è quello della fotosintesi nella biosfera. Il ciclo lungo del carbonio tende a rimuovere il CO2 dall’atmosfera trasformandolo in carbonati. Questi carbonati vengono lentamente trasportati sul fondo marino dall’erosione idrica. Vengono poi incorporati nei gusci degli organismi marini e, alla loro morte, sedimentano sul fondo marino. Da lì, i movimenti tettonici li seppelliscono all’interno dell’“astenosfera”, la parte superiore del guscio interno detto “mantello”, quella che si trova in contatto con la parte inferiore della crosta terrestre. Nell’astenosfera, i carbonati vengono decomposti dalle alte temperaturee il CO2 ritorna nell’atmosfera attraverso le eruzioni vulcaniche.
Questo meccanismo non è soltanto un ciclo, ma un ciclo che si autoregola. Siccome la reazione del CO2 con i silicati è facilitata dalle alte temperature, il biossido di carbonio viene rimosso più rapidamente quando la temperatura dell’atmosfera è più alta. Ma il biossido di carbonio ha anche un’azione di “gas serra”, ovvero tende a intrappolare il calore solare e ad aumentare la temperatura dell’atmosfera. Quindi, più ce n’è, più rapidamente viene rimosso e il sistema si autoregola come se fosse un termostato. È il grande “termostato planetario” a cui alcuni hanno dato il nome di “Gaia”; dal nome dell’antica divinità della Terra (Kleidon 2004). È proprio questo ciclo che ha compensato il graduale incremento dell’irradiazione solare nel corso degli eoni. Senza questo ciclo, è probabile che il pianeta Terra non avrebbe potuto mantenere per così tanto tempo condizioni di temperatura compatibili con quelle della vita biologica.
Tutti i sistemi planetari in azione al giorno d’oggi sul pianeta Terra hanno una loro storia legata principalmente all’interazione fra il flusso di energia solare e quello geotermico. Nell’arco di alcuni miliardi di anni, la terra ha formato le strutture geologiche che conosciamo oggi. La crosta terrestre nella forma delle terre emerse, ovvero delle placche continentali, è il risultato della lenta accrezione di materiale che si accumula sotto l’effetto del “nastro trasportatore” oceanico generato dalle dorsali oceaniche, dove il calore geotermico si dissipa generando flussi di lava e di gas caldi. Questo fenomeno ha probabilmente creato le strutture biologiche che chiamiamo “vita organica” come risultato di fenomeni catalitici che avvengono nella vicinanza delle dorsali oceaniche (Lane 2015). La nascita della vita organica, a sua volta, ha creato il fenomeno che chiamiamo “evoluzione”, anche questo con una storia discontinua, caratterizzato da cambiamenti spesso rapidi, detti “rivoluzionari” (Szathmáry, Smith 1995; Kleidon 2004), in cui la biosfera “impara” come aumentare la velocità di dissipazione del flusso di energia solare creando strutture dissipative sempre più complesse. È stato stimato che la frazione di luce solare dissipata dagli organismi terrestri è aumentata di un fattore di circa 1000 nel corso di circa tre miliardi dianni (Lenton, Watson 2011).
Mentre la biosfera evolveva a salti – ma lentamente – nel corso degli eoni, un altro fenomeno si verificava: l’accumulo dei potenziali creati dalla luce solare all’interno di composti del carbonio immagazzinati nella crosta terrestre. È, anche questo, un meccanismo molto lento; un esempio di un fenomeno non ciclico che non si autoregola, anche se non è completamente irreversibile. Nel corso del tempo, la fotosintesi ha rimosso carbonio dall’atmosfera spaccando la molecola del biossido di carbonio e rilasciando ossigeno. L’ossigeno è una molecola molto reattiva e, per almeno un miliardo di anni (forse di più), è stato assorbito da minerali reattivi come certe forme di ossido di ferro che possono essere ulteriormente ossidate. Da notare che la forma ridotta dell’ossido di ferro è solubile negli oceani, ma quella ossidata non lo è; per cui grandi quantità di ossido di ferro si sono depositate sul fondo degli oceani a generare i “depositi di ferro a bande” osservabili ancora oggi.
Questo è un esempio interessante di come la geosfera interagisce con la biosfera in un modo praticamente irreversibile: gli ossidi di ferro sedimentati sul fondo degli oceani sono sostanzialmente stabili e non ci sono meccanismi geologici o geobiologici noti che potrebbero invertire ilprocesso (Lenton, Watson 2011). Fa eccezione l’attività umana della metallurgia del ferro che fa esattamente questo, ma su scale per il momento di modesta importanza rispetto alla scala con cui il fenomeno si è verificato nel passato. Con l’andare degli eoni, il processo di sedimentazione naturale ha fatto sì che la riserva di ferro ridotto disciolta negli oceani sia stata consumata e l’ossigeno ha cominciato ad accumularsi nell’atmosfera dando origine al “grande evento di ossigenazione” (GOE, “great oxygenation event”), avvenuto circa 2.5 Ga fa e correlato a dei cambiamenti fondamentali nella geosfera visibili al confine fra gli eoni Archeano e Proterozoico (Gargaud, Amils, Quintanilla et al. 2011).
Il fatto che l’attività biologica abbia gradualmente eliminato il CO2 dall’atmosfera liberando l’ossigeno in esso contenuto pone la domanda correlata: cosa è successo del carbonio che rimaneva? Una risposta che appare inizialmente ovvia è che questo carbonio è stato incorporato nella biosfera. Dopotutto, animali e piante contengono carbonio come uno dei loro componenti principali. Ma questa interpretazione non regge a unesame quantitativo. La quantità di carbonio nella biosfera si stima comecirca 2100 miliardi di tonnellate (Gtons) (Current Carbon Stocks). Se tutto questo carbonio dovesse reagire con l’ossigeno atmosferico consumerebbe qualcosa come 5600 Gtons di ossigeno (tenendo conto che un atomo di ossigeno pesa più di un atomo di carbonio e che un atomo di carbonio si lega a due atomi di ossigeno). Ma la massa totale di ossigenonell’atmosfera è enormemente più grande; di oltre due ordini di grandezza (Canfield 2005). E tutto questo carbonio che non è nella biosfera, doveè finito? Lo sappiamo: è stato assorbito dalla crosta terrestre mediante il processo di sedimentazione, principalmente nella forma del composto detto “kerogene”.
Il kerogene è il risultato dell’accumulo di sostanze organihe provenienti da animali morti che si accumulano sul fondo dei mario di paludi continentali in condizioni di scarsità di ossigeno (condizioni dette “anossiche”). Nel corso degli eoni, quantità enormi di kerogene si sono accumulate nella crosta terrestre, più che sufficienti a rimuovere tutto l’ossigeno dall’atmosfera se si dovessero ricombinare con l’ossigeno (Vandenbroucke, Largeau 2007). Per fortuna, il kerogene brucia molto male in aria, e gli esseri umani non lo possono usare come combustibile. Tuttavia, una parte del carbonio sedimentato esiste in forme che gliesseri umani trovano utili per i loro scopi. Nel corso di tempi geologici, il kerogene si può ulteriormente degradare sotto l’effetto di alte pressioni e temperature, generando sostanze liquide e gassose a base principalmente di carbonio e idrogeno. Queste sostanze le chiamiamo “petrolio”e “gas naturale”. Li chiamiamo anche “combustibili fossili”. Il termine è corretto dato che sono di origine lontana nel tempo (fossile) e sono in grado di ricombinarsi con l’ossigeno (combustione).
Il termine “combustibile” porta una certa risonanza di “utilità” per gli esseri umani; ma queste sostanze non sono lì per fare un favore agli esseri umani, anzi,fanno dei danni spaventosi. Va detto che anche bruciando tutti i combustibili fossili che riteniamo essere bruciabili in linea di principio (Rogner 2000), non riusciremmo a eliminare abbastanza ossigeno dall’atmosfera da renderla irrespirabile. Tuttavia, anche quantità relativamente piccole di biossido di carbonio emesse dalla combustione dei fossili sono sufficienti a generare un effetto serra molto dannoso. Al momento, siamo arrivati a una quantità di CO2 nell’atmosfera corrispondente a oltre 400 parti per milione (ppm), molto maggiore delle 270 ppm che erano la quantità tipica dell’atmosfera in tempi pre industriali. Quali effetti sull’ecosistema deriveranno da questo aumento è difficile da dire con esattezza, ma siamo abbastanza certi che saranno molto negativi per l’entità che chiamiamo“civiltà umana” (Stocker, Qin, Plattner et al. 2013).
In sostanza, quello che ha creato la nostra civiltà è stata la trasformazione della luce solare in forme di energia chimica che gli esseri umani hanno utilizzato. È stato un lungo ciclo, partito negli eoni del passato con la lenta sedimentazione di materiale organico e la sua trasformazione in combustibili fossili. Quando siamo riusciti a trovare il modo di estrarli e di bruciarli ci siamo trovati ad avere una “luce concentrata” che ci ha portati a un espansione incredibile, che dura ancora oggi. Ma che non potrà durare ancora per molto tempo. Abbiamo chiara evidenza che abbiamo profondamente intaccato le riserve di idrocarburi combustibili create da antichi fenomeni biologici. Ma anche se avessimo ancora risorse abbondanti, stiamo veramente “giocando col fuoco” a riscaldare il pianeta così come stiamo facendo. E rischiamo seriamente di bruciarci. Che cosa ci aspetta allora? Evidentemente, dobbiamo rinunciare alla luce solare concentrata nella forma di idrocarburi combustibili. Se vogliamo mantenere qualcosa che si chiama “civiltà umana” su questo pianeta dobbiamo imparare a dissipare potenziali energetici diversi. È possibile? In linea di principio, sì.
La quantità di energia dissipata dalla civiltà umana si può misurare in termini del totale della cosiddetta “energia primaria”, corrispondente oggi a circa 17 Terawatt (TW). La capacità di questa dissipazione di generare le strutture complesse che chiamiamo “civiltà” dipende dalla quantità di energia (più esattamente di energia capace di produrre lavoro, o exergia) necessaria per mantenerle in funzione della loro degradazionedefinita dalla seconda legge della termodinamica. In pratica, questo dipende da alcuni parametri. Uno è l’energia netta (Odum 1973) definita come l’exergia generata dalla trasformazione di uno stock di energia inun altro stock. Un altro è il “ritorno energetico” (EROEI) (Hall, Cleveland, Kaufmann 1986). L’EROEI si definisce come il rapporto fra l’exergia generata da una struttura dissipativa e l’energia necessaria per crearee mantenere questa struttura. I combustibili fossili hanno potuto crearela civiltà umana dato che avevano delle EROEI dell’ordine di almeno 30 (Hall, Lambert, Balogh 2014). Se vogliamo fare a meno dei combustibili fossili, dobbiamo pensare ad altri modi per ottenere strutture dissipative complesse partendo dall’energia solare che, come detto prima, è molto abbondante con un flusso stimato come circa almeno 87.000 TW (Tsao,Lewis, Crabtree 2006).
Questo è possibile, tuttavia, soltanto se i metodi di trasduzione sono altrettanto efficienti di quelli usati per i combustibili fossili in termini di EROEI. Su questo punto, possiamo dire che tuttigli studi recenti che hanno esaminato la tecnologia fotovoltaica trovano valori dell’EROEI molto più grandi di 1 (Rydh, Sandén 2005; Richards,Watt 2007; Blankenship, Tiede, Barber et al. 2011; Chu 2011; Bekkelund 2013; Weißbach, Ruprecht, Huke et al. 2013) anche se alcuni studi riportano valori più bassi della media (Prieto, Hall 2011). Nella maggioranza dei casi, l’EROEI della tecnologia fotovoltaica sembra essere più basso di quello dei combustibili fossili anche se, in alcuni casi, viene descritto come più alto (Raugei, FullanaiPalmer, Fthenakis 2012). Valori anche più grandi sono riportati per impianti solari a concentrazione (CSP) (Montgomery 2009; Chu 2011) e per l’energia eolica (Kubiszewski, Cleveland,Endres 2010). La sostenibilità a lungo termine di queste tecnologie dipende dalla loro evoluzione, ma sembra che le tecnologie correnti non abbiano bisogno in modo critico di minerali rari e esauribili (García Olivares, Ballabrera, Poy, García, Ladona et al. 2012).
Esistono molte stime sulla massima quantità di energia che si potrebbe produrre mediante le moderne tecnologie rinnovabili. Il “potenziale tecnico” per l’energia solare da sola negli Stati Uniti è stimato a circa 150 TW (Lopez, Roberts, Heimiller et al. 2012). Secondo i calcoli (Liu, Yu,Liu et al. 2009), 1/5 dell’area del deserto del Sahara (2 milioni di kmq) potrebbe generare circa 50 TW. Sommando frazioni simili per i vari deserti, l’energia fotovoltaica potrebbe generare qualcosa come 50-60 TW, o anche di più, senza impattare sull’agricoltura umana. Sistemi eolici potrebbero generare quantità minori, ma dello stesso ordine di grandezzadell’energia primaria generata oggi (Miller, Gans, Kleidon 2011; Castro, Mediavilla, Miguel et al. 2011; Jacobson, Archer 2012). Chiaramente, il potenziale produttivo dell’energia rinnovabile in forma di vento ed energia solare diretta è enorme. Da questi dati, possiamo concludere che la dissipazione diretta dell’energia solare per mezzo di dispositivi a stato solido potrebbe rivoluzionare l’ecosistema in modo anche maggiore di quanto lo abbia fatto l’energia solare immagazzinata in composti del carbonio. L’uso di queste tecnologie potrebbe rappresentare una nuova “rivoluzione metabolica” nello stesso senso di quelle biologiche del remoto passato della terra (Szathmáry, Smith 1995; Lenton, Watson 2011). Se dovesse realizzarsial suo massimo potenziale, potrebbe rappresentare un cambiamento così radicale dell’ecosistema da meritare di essere definita come l’inizio di unanuova era geologica. Il nome di “Stereocene” (l’età dei sistemi a stato solido) potrebbe essere adatto.
Riferimenti bibliografici
Bardi Ugo (2013), “The Mineral Question: How Energy and Technology will Determine the Future of Mining”, Front. Energy Syst Policy 64, 16-28,