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mercoledì 5 novembre 2014

L'anidride carbonica sale e l'ossigeno scende. Ci dobbiamo preoccupare?

FIG 1. Andamento della concentrazione di anidride carbonica e di ossigeno nell'atmosfera terrestre dal 1958 al 2007
Poichè la Terra è un sistema chiuso e la Chimica non è un'opinione, bruciare combustibili aumenta la concentrazione di anidride carbonica della atmosfera del nostro Pianeta e inevitabilmente diminuisce la concentrazione di ossigeno. La Figura 1 sintetizza i risultati delle misure sperimentali dei due fenomeni.

La Figura 2 esemplifica la reazione che avviene quando si brucia l'isottano, uno dei tanti  idrocarburi presenti nelle benzine,  e un pezzo (monomero) di cellulosa di un tronco d'albero.

In entrambi i casi gli atomi di carbonio (C) e di idrogeno (H) presenti in questi due combustibili reagiscono con l'ossigeno dell'aria (O) per formare anidride carbonica e acqua. E da queste reazioni si sviluppa calore che sfruttiamo per muovere la macchina e per riscaldare casa.


FIG 2. Reazione di ossidazione di isoottano e cellulosa

Come si può vedere, per ogni molecola di idrocarburo e per ogni monomero di cellulosa, diverse molecole di ossigeno sono sottratte all'atmosfera.


FIG 3 Attuale composizione chimica dell'atmosfera terrestre
 L'aria che respiriamo contiene circa il 21% di ossigeno, il gas più abbondante subito dopo l'azoto,  e questa quantità, da qualche centinaia di milioni di anni, è in equilibrio tra quanto ossigeno producono piante e alghe, a partire dall'acqua, grazie alla sintesi clorifilliana, e quanto ossigeno consumano tutti gli altri esseri viventi e le stesse piante, nelle ore notturne.

Ma non è sempre stato così.

Per miliardi di anni l'atmosfera della Terra non conteneva ossigeno libero (FIG 4) ed era fatta solo di metano, anidride carbonica, azoto.

In queste condizioni, per noi proibitive, c'erano comunque forme di vita batteriche in grado di riprodursi in assenza di ossigeno. 

Poi, circa due miliardi e mezzo di anni fa, sono comparsi i primi organismi, alghe, in grado di trasformare l'energia solare in energia chimica.

Sotto prodotto di questa reazione era ed è l'ossigeno, molecola molto reattiva, un vero e proprio veleno per i vecchi batteri anaerobi, ma una vera pozione magica, una carica energetica per le nuove forme di vita che avevano imparato ad utilizzare l'ossigeno come comburente del loro cibo.

Con il Carbonifero (tra 318 e 359 milioni di anni fa)  e la concomitante esplosione di vegetali a coprire le terre emerse e a popolare i mari,  l'ossigeno in atmosfera raggiunse il suo valore massimo (circa 30%) per poi scendere ai valori attuali, anche grazie al fatto che i movimenti tettonici e catastrofici eventi climatici sottraevano una grande quantità di quei antichi vegetali alla naturale ossidazione di fine vita, da parte dei batteri.

FIG. 4. Pressione parziale di ossigeno nell'atmosfera terrestre da 3,85 miliardi di anni fa ad oggi

Dopo qualche centinaio di milioni di anni di sepoltura nelle viscere della Terra, la specie vivente che si è autodefinita "Homo Sapiens", da circa 200 anni, ha scoperto il valore energetico di carbone, petrolio, metano e con la loro combustione consuma l'ossigeno dell'aria, senza che ci siano nuove piante in fase di crescita, in grado di produrre nuovo ossigeno.

FIG 5 Andamento dei consumi mondiali di energia e fonti dal 1820 ad oggi


E in un battere di ciglia, sulla scala dei tempi geologici, stiamo cambiando la composizione chimica dell'aria del Pianeta che momentaneamente ci ospita.


FIG. 6  Concentrazioni mensili e medie annuali di CO2 a Mauna Loa, dal 2010 a ottobre 2014

Le misure della concentrazione di anidride carbonica effettuate sull'isola di Mauna Loa, sulla cima di un vecchio vulcano, a 4000 metri di altezza sul mare e in pieno Oceano Pacifico, dimostrano senza ombra di dubbio un aumento costante della concentrazione di anidride carbonica (FIG 1-6).

All'inizio delle misurazioni (1958) la concentrazione media annuale di anidride carbonica  era di 316 parti per milione (ppm), nell'ottobre di quest'anno si sono misurati 398 parti per milione.

Quest'aumento è certamente da attribuire all' uso energetico di combustibili fossili e alla deforestazione in atto in Amazzonia e nelle isole del Borneo.

FIG 7. Andamento della concentrazione di ossigeno in atmosfera in Australia e negli USA (1991-2014)


A partire dai primi anni novanta, le misure di ossigeno nell'aria, effettuate in diverse località del Pianeta, mostravano, come l'anidride carbonica, un costante andamento stagionale.
Le massime concentrazioni di ossigeno si registrano durante il periodo estivo (massima attività foto-sintetica dei vegetali) e le concentrazioni minime corrispondono al periodo autunnale in cui diminuisce l'azione fotosintetica delle piante mentre è massima l'attivita degradativa dei batteri a carico della biomassa giunta alla fine del suo ciclo vitale.

Tuttavia, come mostra la Figura 7, le misure di ossigeno registrano anche un costante decremento, anno dopo anno, delle medie annuali, segno che il bilancio dell'ossigeno non è in equilibrio: ogni anno se ne consuma di più di quello che le piante e le alghe immettono in atmosfera.

I conti confermano che l'ossigeno che manca è proprio quello che, nello stesso periodo, si unisce al carbonio e all'idrogeno, quando bruciamo combustibili fossili e foreste.

Indicativamente,  per ogni molecola di anidride carbonica che, a causa delle nostre scelte energetiche e di consumo, si accumula in atmosfera, tre molecole di ossigeno sono sottratte ai polmoni e alle branchie di tutti gli esseri viventi.

In soldoni,  in soli due secoli di crescita (quelli dalla Rivoluzione Industriale di fine '700 ad oggi) la concentrazione di ossigeno del nostro Pianeta si è ridotta dello 0,095%.

Grazie alla grande quantità di ossigeno che le piante ci hanno messo a disposizione nel corso di centinaia  di milioni di anni, non corriamo il rischio di morire asfissiati.

Ma, se ci riflettete bene, è il caso di preoccuparsi seriamente, in quanto è evidente che i nostri destini sono in mano a dei pericolosi apprendisti stregoni che, in nome della crescita continua,  deliberatamente ignorano i delicati equilibri che permettono alla Terra di essere un Pianeta Vivente.