Un pò di storia della Terra e dell’atmosfera
Al momento della formazione l’ambiente terrestre era del tutto incompatibile con la vita perché formato prevalentemente da vapore acqueo, anidride carbonica, e altri gas provenienti dalle eruzioni vulcaniche. La temperatura era molto alta (centiania di °C).
Fu solo quando il vapore acqueo si condensò in acqua, e quando la temperatura ambientale scese a livelli paragonabili a quelle attuali, che ebbe inizio il processo che doveva far nascere le prime forme animate.
Nell’atmosfera mancava ancora l’ossigeno allo stato libero. Esso apparve con il metabolismo dei primi esseri viventi. Tuttavia l’ossigeno c’era combinato nell’acqua e nella anidride carbonica. La superficie terrestre era colpita dalle radiazioni luminose provenienti dal Sole molto di più di adesso. Oggi infatti uno strato di ozono assorbe molti raggi ultravioletti. Nei tempi passati l’ossigeno non esisteva e quindi lo strato di ozono non poteva esistere.
Con l’abbassamento della temperatura verificatosi verso 3,4 miliardi di anni fa, cioè dopo un miliardo di anni di vita della Terra, con la condensazione di enormi masse di vapore acqueo e con la formazione dei primi oceani, si è realizzata la prima condizione indispensabile per creare un ambiente favorevole alla vita. Le forme di vita primitive sono state dei microrganismi tipo batteri, in particolare alghe unicellulari, la cui crescita è legata ad un processo di fotosintesi tale da scindere la molecola dell’acqua in Idrogeno e Ossigeno, per utilizzare il primo nella costruzione di cellule organiche e liberare il secondo allo stato libero nelle acque.
Una volta saturate le acque dei mari e degli oceani l’Ossigeno si è espanso nell’atmosfera fino a raggiungere il 21% riscontrabile attualmente nell’aria. Il tempo per questo processo di “ossigenazione” è stato lentissimo e ha richiesto circa tre miliardi di anni, durante i quali i microrganismi originali hanno subito mutazioni per cui alle prime alghe unicellulari si sono associate alghe pluricellulari e, forse l’evento più decisivo per le conseguenze che si avranno nelle epoche successive, due miliardi di anni fa’ compaiono le prime cellule con nucleo.
Il concetto fondamentale da capire prima di affrontare il problema energetico è il ciclo del carbonio.
La biosfera è lo strato più basso della atmosfera, è spesso circa 10 km, ed è l’unico strato dove c’è la vita.
All’interno della biosfera si verifica naturalmente il ciclo del carbonio.
La fotosintesi clorofilliana è il processo di costruzione della materia vegetale che immagazzina l’energia del sole in legami chimici. Le molecole che costituiscono il legno (cellulosa) non sono altro che molecole più complesse di carboidrati, i quali son molecole di zuccheri (C6H12O6).
Grazie all’energia del sole, la molecola dell’anidride carbonica (CO2) viene scissa, l’ossigeno va all’aria e il carbonio si lega all’idrogeno e all’ossigeno dell’acqua, accumulando in questo legame energia.
6CO2 + 6H2O + energia ? C6H12O6 + 6O2
La reazione inversa alla fotosintesi è l’ossidazione.
C6H12O6 + 6O2 ? 6CO2 + 6H2O + energia
Quando gli idrocarburi o i carboidrati bruciano (reagendo con l’ O2 dell’aria), si ha emissione di energia sotto forma di calore e si formano CO2 e H2O (sotto forma di vapore).
Gli idrocarburi sono composti di carbonio e idrogeno. (C, H)
L’idrocarburo più semplice è il metano di formula CH4. Aumentando il numero di carboni troviamo l’etano, di formula C2H6, l’etene (o etilene), C2H4 e l’etino, C2H2.
I carboidrati sono composti di carbonio, idrogeno, ossigeno. (C, H, O)
I carboidrati o idrati di carbonio hanno un rapporto idrogeno ossigeno simile a quello dell’acqua: (CH2O)n.
Molecole più complesse sono i glucidi (zuccheri, o saccaridi), i lipidi (grassi, olii), la cellulosa.
Il glucosio (C6H12O6) è un monosaccaride aldeidico; è il composto organico più diffuso in natura, sia libero sia sotto forma di polimeri.
La cellulosa è uno dei più importanti polisaccaridi. È costituita da un gran numero di molecole di glucosio (da circa 300 a 3.000 unità) unite tra loro.
Gli idrocarburi si son formati più di 300 milioni di anni fà, durante il carbonifero (periodo geologico così chiamato proprio perchè durante il suo corso ebbero origine i più antichi depositi di carbon fossile) gran parte delle terre emerse era ricoperta da una fittissima vegetazione. Questo materiale vegetale, sommerso dall’ acqua a causa dello sprofondamento della crosta terrestre, si è lentamente decomposto a opera di batteri anaerobici (cioè batteri che vivono in assenza di ossigeno). Successivamemte è stato ricoperto di strati di sedimenti pesanti: argille, sabbie, arenarie e calcari. Nel corso di milioni di anni calore, pressione e movimenti della crosta terrestre hanno compresso la materia organica, determinando una perdita di ossigeno e di idrogeno dalla cellulosa delle piante e favorendo così, la concentrazione del contenuto di carbonio. Questo lentissimo processo viene definito carbonizzazione.
L’ossidazione è quel processo dove elemento si lega all’ossigeno formando una nuova molecola. Si chiama ossido se a reagire è un metallo, anidride se è un non metallo.
L’ossidazione può avvenire lentamente (ad esempio un pezzo di legno che marcisce) o velocemente (un pezzo di legno che brucia). In entrambi i casi durante la reazione si rompono dei legami atomici e se ne formano altri a minore energia di legame, l’energia eccedente viene perciò ceduta all’ambiente circostante.
Il ciclo del carbonio è il ciclo della vita.
L’energia del sole viene accumulata nei vegetali (sotto forma di legami chimici). I vegetali vengono poi bruciati, il che non significa solo ridotti in cenere dalle fiamme, ma anche bruciati dal metabolismo di un animale erbivoro, o bruciati lentamente con il marcimento. La quantità di carbonio che ruota in questo ciclo è costante.
Ipotizziamo di piantare un albero, e quando questo sarà abbastanza grande di bruciarlo. Si è compiuto un ciclo del carbonio.
Il sole ha fornito l’energia necessaria per far avvenire la reazione di sintesi clorofilliana, durante la combustione questa energia è stata resa, il carbonio si è legato all’ossigeno formando l’anidride carbonica che è tornata all’aria, l’idrogeno si è legato all’ossigeno ed è tornato all’aria sotto forma di vapore. Quello che resta nel bracere sono le ceneri, ovvero i sali minerali che la pianta ha assorbito dal terreno durante la crescita.
Se io decidessi di non bruciare l’albero, in tempi lunghi la combustione (o meglio l’ossidazione, o meglio ancora la reazione con l’ossigeno) avverrebbe comunque, perchè finita la crescita dell’albero, questo si seccherebbe cadendo a terra e marcendo.
Bruciando un idrocarburo di origine fossile (carbone fossile e prodotti petroliferi) il carbonio della CO2 liberata in aria non fa parte del ciclo del carbonio perchè proviene dalla geosfera, e quindi va ad aumentare la quantità di carbonio complessiva del ciclo, per questo questa CO2 viene considerata inquinante. E’ vero che anche gli idrocarburi derivano dai vegetali, ma quelli di 300-1000 milioni di anni fa, quando l’atmosfera era ben diversa. Bruciare un carboidrato non altera il ciclo del carbonio, mentre bruciare un composto di carbonio di origine fossile si.
Il grafico accanto mostra la concentrazione di CO2 in atmosfera a partire dal 800 fino ai giorni nostri. I dati più vecchi provengono dall’analisi degli strati di ghiaccio nel circolo polare Artico.
L’attività umana a partire dalla rivoluzione industriale del 1800 ha portato la concentrazione di CO2 da 280 ppm a 370 ppm in soli due secoli!
L’uso odierno delle fonti di energia fossili è causa di pericolosi cambiamenti climatici e porta guerre e morte.
Ci sono le tecnologie in grado di rendere inutile e obsoleto l’uso del petrolio e tutti i guai che comporta.
Bisogna risolvere il problema dell’energia, non quello dell’inquinamento.
L’inquinamento è la conseguenza della nostra arretratezza nella produzione dell’energia.
Personalmente mi impegno nella divulgazione scientifica, mantenendo la coerenza evitando l’uso di fonti fossili di energia.
Promuovete anche voi le fonti di energia rinnovabili come eolico, fotovoltaico, termodinamico! Promuovete i biocarburanti, olio al posto del gasolio e alcool al posto della benzina! Riscaldamento domestico a biomassa! La riconversione del sistema energetico è possibile!