La chimica del cambiamento climatico

Nel 1856 una scienziata americana di nome Eunice Newton Foote riempì alcuni cilindri di vetro con gas diversi, li espose alla luce del sole e osservò i suoi termometri. Il cilindro che conteneva anidride carbonica si scaldò più degli altri e mantenne il calore più a lungo dopo che lei lo spostò all'ombra. Da quel semplice esperimento da banco trasse una conclusione notevole: un'atmosfera più ricca di questo gas avrebbe conferito al nostro pianeta una temperatura più alta. Qualche anno dopo il fisico irlandese John Tyndall, lavorando con strumenti molto più precisi, confermò nel dettaglio che certi gas assorbono la radiazione termica mentre i componenti principali dell'aria non lo fanno.

Quello in cui Foote e Tyndall si imbatterono è il cuore molecolare del cambiamento climatico. La storia che di solito raccontiamo con immagini di ghiacciai che si sciolgono e mari che si alzano è, nella sua essenza, una storia di molecole: come vibrano, come si scambiano atomi tra aria, roccia e tessuti viventi, e come reagiscono quando sono disciolte nell'acqua di mare. Per capire davvero un mondo che si riscalda, è utile indossare gli occhiali di un chimico e osservare ciò che fanno le singole molecole.

Perché l'anidride carbonica intrappola il calore

Il Sole avvolge la Terra di luce visibile, che la nostra atmosfera lascia passare quasi indisturbata. Il suolo e gli oceani assorbono quella luce, si scaldano e irradiano l'energia di nuovo verso l'esterno sotto forma di radiazione infrarossa, lo stesso calore invisibile che senti da una stufa o da un muro arroventato dal sole. La domanda è se quel calore in uscita sfugga nello spazio o venga catturato lungo il percorso. È qui che la struttura molecolare decide il destino del pianeta.

I due gas che costituiscono circa il 99 percento dell'aria secca, l'azoto e l'ossigeno, sono ciascuno formato da due atomi identici. Poiché il legame tra quegli atomi uguali è perfettamente simmetrico, queste molecole sono essenzialmente trasparenti alla luce infrarossa. Non riescono ad afferrare il calore in uscita. L'anidride carbonica è diversa. Una molecola di CO2 ha un atomo di carbonio affiancato da due atomi di ossigeno, e i suoi legami possono allungarsi e piegarsi in modi che spostano la distribuzione della carica elettrica all'interno della molecola. Quando arriva un fotone infrarosso dell'energia giusta, la molecola lo assorbe, i suoi legami oscillano più vigorosamente e un istante dopo rilascia di nuovo quell'energia in una direzione casuale, spesso verso la superficie.

L'effetto serra in una frase: i gas serra lasciano entrare la luce solare ma rallentano l'uscita del calore, mantenendo la superficie molto più calda di quanto sarebbe altrimenti. Non è un difetto; è essenziale. Senza alcun effetto serra, la temperatura media superficiale della Terra si attesterebbe ben al di sotto dello zero, intorno ai meno 18 gradi Celsius invece dei confortevoli 15 gradi di cui godiamo. Il problema è una questione di misura. Aggiungere più CO2 e altri gas che assorbono calore ispessisce la coperta, e la superficie si riscalda per compensare.

Una folla di molecole serra

L'anidride carbonica si prende il ruolo da protagonista, ma condivide la scena. Il vapore acqueo è in realtà il gas serra più abbondante, e amplifica il riscaldamento: man mano che l'aria si scalda, trattiene più umidità, che intrappola ancora più calore. Ma il vapore acqueo risponde alla temperatura piuttosto che guidare la tendenza a lungo termine, perché qualsiasi eccesso ricade sotto forma di pioggia nel giro di pochi giorni. Il metano, l'ingrediente principale del gas naturale e un prodotto di bovini, zone umide e discariche, è una molecola assorbente molto più potente della CO2 nel breve termine, sebbene rimanga nell'atmosfera solo per circa un decennio prima che le reazioni chimiche lo scompongano. Il protossido di azoto, rilasciato in gran parte dai suoli fertilizzati, è più raro ma estremamente longevo.

Ciò che distingue l'anidride carbonica è la sua persistenza e la sua quantità pura e semplice. Una frazione significativa della CO2 emessa oggi influenzerà ancora il clima tra secoli, perché la natura la rimuove solo lentamente. È questa combinazione di durata e di concentrazione crescente che fa sì che la CO2 sia considerata la manopola principale del clima a lungo termine. Prima della Rivoluzione Industriale, l'atmosfera conteneva all'incirca 280 parti per milione di anidride carbonica. Ora è salita oltre le 420 parti per milione, un livello che il pianeta non vedeva da milioni di anni, e l'aumento segue da vicino la combustione di carbone, petrolio e gas.

Il ciclo del carbonio: un sistema di riciclaggio planetario

Il carbonio non viene creato né distrutto da tutto questo; viene spostato. La Terra gestisce un'enorme e incessante operazione di riciclaggio in cui gli atomi di carbonio fanno la spola tra quattro grandi serbatoi: l'atmosfera, gli oceani, gli esseri viventi e le rocce e il suolo. Capire il cambiamento climatico significa capire come l'attività umana abbia alterato questo equilibrio.

La fotosintesi e la respirazione formano l'anello veloce e biologico. Piante, alghe e certi batteri prelevano la CO2 dall'aria e, usando la luce solare, cuciono il carbonio in zuccheri, rilasciando ossigeno come sottoprodotto. Animali e microbi mangiano poi quegli zuccheri ed espirano di nuovo CO2, oppure sono le piante stesse a respirare. Nell'arco di un anno questo anello fa entrare e uscire enormi quantità di carbonio, ed è per questo che i livelli misurati di CO2 calano leggermente ogni estate dell'emisfero settentrionale, quando le foreste mettono le foglie, e risalgono in inverno.

L'anello lento e geologico opera su scale di migliaia o milioni di anni. I vulcani sfiatano CO2 dalle profondità della Terra. La pioggia, resa leggermente acida dall'anidride carbonica disciolta, erode lentamente la roccia e trascina i minerali verso il mare, dove le creature marine bloccano il carbonio in gusci di carbonato di calcio che alla fine diventano calcare. La materia vegetale sepolta, compressa nel corso delle ere geologiche, è diventata carbone, petrolio e gas. Ecco il nodo del problema: i combustibili fossili sono carbonio che il ciclo lento ha rimosso dall'aria nel corso di centinaia di milioni di anni. Bruciandoli, stiamo rilasciando quel carbonio antico di nuovo nell'atmosfera nel giro di un paio di secoli, molto più velocemente di quanto l'anello lento riesca a riassorbirlo. Il ciclo naturale era all'incirca in equilibrio; noi abbiamo aggiunto un ampio flusso a senso unico al quale non riesce a tenere il passo.

Il silenzioso patto dell'oceano

Gli oceani hanno attutito il colpo. L'acqua di mare assorbe una grande quota dell'anidride carbonica che emettiamo, forse un quarto o più, agendo come una vasta spugna chimica. Senza questo assorbimento, la CO2 atmosferica e il riscaldamento superficiale sarebbero considerevolmente peggiori. Ma l'aiuto dell'oceano ha un prezzo chimico, e quel prezzo è un problema del tutto a sé, uno che non ha nulla a che vedere con la temperatura.

Quando l'anidride carbonica si scioglie nell'acqua, non resta semplicemente lì. Reagisce. La CO2 si combina con le molecole d'acqua per formare l'acido carbonico, lo stesso acido debole che dà la sua frizzantezza alle bibite gassate. L'acido carbonico cede poi ioni idrogeno all'acqua di mare circostante. Più CO2 disciolta significa più acido carbonico, il che significa più ioni idrogeno liberi, e una concentrazione crescente di ioni idrogeno è, per definizione, un aumento dell'acidità. Il mare sta diventando, molto gradualmente, più acido. Questa è l'acidificazione degli oceani, talvolta chiamata il gemello altrettanto serio del riscaldamento globale.

Quando il mare diventa aspro

I numeri sembrano piccoli ma la chimica non perdona. L'acqua superficiale dell'oceano è passata da un pH preindustriale di circa 8,2 a all'incirca 8,1 di oggi. Poiché la scala del pH è logaritmica, ogni passo di un'unità rappresenta un cambiamento di dieci volte, quindi quel calo apparentemente minuscolo corrisponde a un aumento sostanziale della concentrazione di ioni idrogeno, un incremento di circa un quarto o un terzo. L'oceano rimane leggermente alcalino, non letteralmente acido, ma si sta muovendo costantemente in direzione acida, e ciò che conta per le creature che ci vivono è proprio la tendenza.

I costruttori di gusci pagano il prezzo. Coralli, ostriche, cozze, lumache di mare e innumerevoli minuscoli organismi del plancton costruiscono i loro scheletri e gusci a partire dal carbonato di calcio. Lo fanno prelevando ioni calcio e ioni carbonato dall'acqua. Ecco il crudele rovescio chimico: gli ioni idrogeno in eccesso rilasciati da tutta quella CO2 disciolta reagiscono con gli ioni carbonato e li rimuovono di fatto dalla circolazione, lasciando meno mattoni di quanti ne servano a questi organismi. In acqua sufficientemente acida, le strutture di carbonato di calcio possono persino iniziare a dissolversi. Studi di laboratorio e sul campo hanno mostrato che il plancton dal guscio delicato e i giovani molluschi faticano a formare scheletri sani in queste condizioni, sebbene gli scienziati stiano ancora studiando esattamente come specie ed ecosistemi diversi riusciranno ad affrontarle. Poiché quel plancton si trova vicino alla base della rete alimentare marina, le conseguenze potrebbero propagarsi verso l'alto in modi che non sono ancora del tutto compresi.

Punti chiave

Il cambiamento climatico è, in fondo, una storia di chimica. L'anidride carbonica riscalda il pianeta perché i suoi legami molecolari possono assorbire e riemettere il calore infrarosso che l'azoto e l'ossigeno lasciano sfuggire, ispessendo la coperta serra naturale che mantiene la Terra abitabile. Il carbonio che alimenta questo riscaldamento non è comparso dal nulla; fa parte di un ciclo planetario che fa la spola con gli atomi tra aria, vita, oceani e roccia, un ciclo che era all'incirca in equilibrio finché non abbiamo iniziato a bruciare combustibili fossili e a rilasciare il carbonio che l'anello geologico lento aveva sepolto nel corso di centinaia di milioni di anni. Gli oceani hanno assorbito gran parte della nostra CO2 in eccesso e ci hanno risparmiato un riscaldamento peggiore, ma quell'assorbimento innesca una seconda reazione chimica, la formazione di acido carbonico, che sta abbassando il pH dell'acqua di mare e minacciando le creature costruttrici di gusci alla base della vita marina. Il calore nell'aria e l'acido nel mare nascono dalla stessissima molecola. Vedere il cambiamento climatico attraverso gli occhi di un chimico, come una questione di legami che vibrano, gas che si sciolgono e serbatoi che si spostano, trasforma una crisi globale astratta in qualcosa di concreto, meccanico e in ultima analisi comprensibile, il che è il primo passo verso la sua soluzione.