Mag 29

Una stella troppo giovane, una stufa irrequieta e un termostato (quasi) perfetto **

Questo articolo è stato inserito nella sezione dell'archivio dedicata al clima e al riscaldamento globale, nella quale troverete una selezione di articoli sull'argomento e le motivazioni della nostra impostazione critica a riguardo.

 

Leggevo un articolo dedicato, ancora una volta, all’abbondanza dei pianeti ricchi di carbonio e alle ipotetiche ripercussioni sulla vita biologica. Ho pensato che valesse la pena richiamare un ciclo non molto conosciuto che però è stato fondamentale per separare due sorelle apparentemente gemelle come Venere e la Terra.

Avrei potuto dare a questo articolo un titolo completamente diverso: “L’importanza dei nonni”, ma ho deciso di essere un po’ più serio del solito…

I pianeti al carbonio hanno avuto momenti di grande pubblicità, anche mediatica, dato che si era ventilata l’ipotesi che potessero assomigliare a veri e propri giganteschi diamanti (come il celebre 55 Cancri, per il quale si sono "scomodati" anche i Tg) o quantomeno esserne letteralmente ricoperti. Fortunatamente, prima che i soliti esploratori alla Mars One (il primo “reality show” spaziale?) si mettessero in viaggio con gli occhi fatti a dollaro, la situazione era stata chiarita e ridimensionata. Tuttavia, una recente ricerca ha stabilito che i pianeti al carbonio potrebbero essere molto più numerosi del previsto, implicando nuove teorie sulla vita geologica e biologica nell’Universo. La nostra Terra possiede una bassa percentuale di carbonio, eppure è riuscita a sviluppare una vita basata proprio sui suoi composti. Sui pianeti “diamante”, come potrebbero modificarsi certi processi geochimici tipici del nostro pianeta? E come queste differenze influenzerebbero le forme di vita di corpi celesti che sembrerebbero essere più comuni e normali del nostro?

In generale, si pensava che i pianeti rocciosi fossero simili al nostro mondo, composto soprattutto da ferro, ossigeno, magnesio, silicio e una piccola percentuale di carbonio (dell’ordine dello 0.005%). I pianeti ricchi di carbonio possono, invece, addirittura averne una quantità pari a ¾ della loro massa. Staremo a vedere che ipotesi verranno fatte a riguardo. Per adesso, accontentiamoci di capire meglio l’evoluzione della Terra e le sue strategie geochimiche vitali. Poi si vedrà come bisognerà modificarle per pianeti ben più ricchi di carbonio.

Iniziamo il nostro discorso con il paradosso del Sole giovane e debole. Ne avevamo già parlato, ma è meglio richiamarlo. L’inizio della vita del nostro pianeta era un vero e proprio inferno, tra riscaldamento endogeno e impietosa caduta di meteoriti delle più varie dimensioni. Bisogna aspettare il periodo Archeano antico (circa 3.8 miliardi di anni fa) per veder terminare la pioggia di proiettili. Inizia il raffreddamento del pianeta. Il vapor d’acqua sospeso nella calda atmosfera si trasforma in acqua liquida creando gli oceani. Sarebbero state le condizioni migliori per far nascere i primi e fondamentali cicli geochimici, ossia i flussi continui di sostanze che si spostavano da atmosfera a litosfera (suolo solido), sfruttando l’idrosfera (pioggia e oceani), sia in un senso che nell’altro. In parole povere, l’acqua avrebbe fatto da lubrificante per far girare al meglio il motore terrestre.

A quel tempo, però, il Sole era poco più che un bambino, decisamente più debole di oggi (circa il 30% meno luminoso). Le cose non erano così ideali come potevano sembrare. Una stella del genere non poteva regalare una temperature sufficiente a mantenere l’acqua allo stato liquido. Ghiaccio dappertutto con possibilità nulle per l’evoluzione della vita biologica. E, invece, molte evidenze dimostrano che l’acqua era liquida (e come!) già 3.5 miliardi di anni fa. Questa anomala situazione prende il nome di paradosso del Sole giovane e debole.

Vediamo come avrebbe dovuto essere l’evoluzione della Terra nella Fig.1. Senza atmosfera saremmo ancora nel gelo più profondo. Con un’atmosfera simile a quella attuale, fin dall’inizio, il ghiaccio si sarebbe sciolto solo tra 1.6-1,7 miliardi di anni fa, ma non certo due miliardi di anni prima. La Terra, ha sicuramente usato una “stufa” personale, capace di riscaldarla anche se non sempre in modo tranquillo e regolare. Fin dai primordi, la temperatura terrestre ha mantenuto un valore abbastanza costante, anche se non privo di drastici alti e bassi. Questa stufa, che ha permesso alla vita di nascere ed evolvere, è l’EFFETTO SERRA, il tanto odiato e vilipeso criminale di oggi. Senza di lei, sai che freddo! In termini ultra semplificati, alcuni gas sono stati capaci di intrappolare la luce solare, ancora inadeguata, e trasformarla in calore.

fig.1
Figura 1

L’atmosfera dell’Archeano era un misto di azoto, vapor d’acqua, metano e anidride carbonica. All’inizio, il vero combustibile della stufa è stato sicuramente il metano, solo in seguito aiutato dalla CO2. Anzi, l’anidride carbonica non era ancora molto abbondante, dato che mancava l’ossigeno libero, ma i vulcani riuscivano a metterla, comunque, in circolazione come sottoprodotto del riscaldamento presente all’interno della crosta. Altro che le nostre industrie! I vulcani sputavano CO2 a raffica e oggi si direbbe che non vi sarebbe stata via di scampo. Non solo la temperatura sarebbe salita a ritmo implacabile, ma avrebbe trasformata la Terra come la sua sorella gemella, solo di poco più vicina al Sole.

Perché, invece, l’enorme differenza odierna? Qualche strano trattato di Kyoto (o di Parigi) stilato dalle prime cellule? No, solo e soltanto perché la Terra aveva un termostato lento, ma impeccabile. Nient’altro che un regolatore di CO2 che agiva con un ciclo dell’ordine delle centinaia di migliaia di anni o anche dei milioni di anni: il ciclo silicio-carbonio, ancora oggi sicuramente attivo.  Esso è capace di raffreddare quando la temperatura sale troppo e di riscaldare quando il gelo piomba implacabile. Basta dargli il tempo. Ma la Terra ce l’ha, alla faccia della superbia umana.

Il ciclo silicio-carbonio è un prolungamento del ben più famoso e conosciuto ciclo del carbonio, quello che regola tutta la vita biologica e non solo. Una sapiente aggiunta che lavora di nascosto e che si mostra in tutta la sua efficacia nei momenti più critici. Se la Terra ha evitato o è riuscita a passare indenne attraverso periodi glaciali quasi totali lo si deve proprio a lui. Ma anche il viceversa. Il problema è che, dati i suoi tempi lunghi, il processo fa “arrivare i nostri” all’ultimo momento, come in un vero e proprio film western. Un’attesa prolungata che sicuramente l’uomo non apprezzerebbe molto. Ricordiamo, però, che dopo certi momenti veramente al limite della sopportazione, anche per un pianeta così ben gestito, la vita è esplosa in nuove forme e ha cavalcato letteralmente la sua evoluzione. Come si dice spesso: “Dopo un periodo estremamente critico, torna ancora più forte la voglia di vivere”.

Il processo utilizza il silicio, capace di trattenere l’eccesso di carbonio dall’atmosfera quando diventa pericoloso e di rilasciarlo quando comincia a scarseggiare. E noi, poveri microbi umani,  possiamo pensare di riuscire a scalfire una macchina geochimica così perfetta? Perché i tanti falsi climatologi, mediatici e/o politicizzati che siano, fautori dell’uomo che distrugge il proprio pianeta, non vanno a studiare un po’ meglio la geologia?

Il termostato-silicio lavora attraverso ciò che è più comune sulla superficie solida terrestre: le rocce di granito e di basalto e sfrutta sapientemente la loro erosione e disgregazione (weathering). L’intero ciclo si può dividere in quattro fasi. Nella prima la pioggia trascina con sé la CO2 producendo acido carbonico. Nella seconda, questa soluzione reagisce con le rocce silicee e libera nelle acque i carbonati e bicarbonati di calcio e magnesio.  Nella terza, i fiumi riversano queste sostanze negli oceani dove molto organismi marini li usano per costruirsi il proprio vestito e in seguito li depositano formando strati di calcare. La quarta fase è la più lunga: la crosta oceanica ricca di sedimenti è costretta a sprofondare sotto la crosta terrestre dove le placche continentali collidono (fenomeno della subduzione). Infine, il calcare si riscalda e rilascia nuovamente la CO2 che viene rilasciata in atmosfera attraverso i vulcani.

Rappresentiamo il ciclo, in modo molto schematico, in Fig. 2. In alto ho riportato anche la reazione che avviene in entrambi i sensi. La freccia azzurra indica il weathering; quella rossa si indica il metamorfismo e il rilascio della CO2.

fig.2
Figura 2

Il processo si velocizza o rallenta a seconda del clima del pianeta. Una temperatura troppo alta sveltisce le reazioni chimiche di “weathering” e la CO2 viene più rapidamente trasformata nei carbonati e portata negli oceani. Il suo rilascio attraverso i vulcani ha tempi molto più lunghi.  In qualche modo, diminuisce l’effetto serra e la Terra si raffredda. Se, invece, la temperatura si abbassa troppo, la CO2 agisce molto meno sulle rocce, mentre i vulcani continuano a scaricarla in atmosfera, utilizzano il calcare conservato come riserva fondamentale. La temperatura torna lentamente a valori più accettabili. Il termostato formato dalle rocce silicee sarà anche lento, ma funziona perfettamente!

L’equilibrio tra la CO2 rilasciata dai vulcani e la sua conversione in carbonato e bicarbonato di calcio, per mezzo della degradazione dei silicati, è riuscito a mantenere un temperatura terrestre piuttosto stabile durante tutta la sua vita, malgrado un Sole bambino ancora troppo debole. Il silicio funziona come un enzima, catalizzatore indispensabile di moltissime reazioni chimiche. Dato che il ciclo dura mediamente almeno parecchie centinaia di migliaia di anni se non milioni, la Terra ha subito sicuramente episodi molto critici sia verso il caldo che verso il freddo, ma alla fine il termostato al silicio  è riuscito a rimetterla in riga. Ha rasentato momenti senza apparente via d’uscita (teoria della palla di neve), ma è sempre riuscita a “salvarsi” e soprattutto a salvare la sua figlia prediletta, la vita.

Lo stesso non hanno fatto né sua sorella Venere, né il piccolo Marte. La prima ha perso troppo in fretta l’acqua sulla sua superficie (in questo caso bastava un Sole giovane per portargliela via). Essa aveva regalato al pianeta, con il suo effetto serra, un’alta temperatura, ma poi se ne era andata e aveva lasciato la CO2 senza alcuna possibilità di iniziare il processo di disgregazione delle rocce silicee. Nel frattempo, i vulcani continuavano il loro compito di scarico e la CO2 non poteva che aumentare sempre di più. Il destino era segnato. Era mancata l’acqua che doveva servire come lubrificante per far partire la disgregazione del silicio. Il termostato si è bloccato per sempre.

Marte, forse, ha potuto avere un ciclo simile, all’inizio della sua vita, ma i vulcani si sono fermati quasi tutti già tre miliardi di anni fa. Il pianeta, anche se avesse avuto acqua, avrebbe disgregato il silicio ma la CO2 sarebbe sparita, senza più essere riportata in atmosfera dai vulcani. La temperatura non poteva che crollare e il termostato si è bloccato per il motivo opposto di Venere. Su Marte, tuttavia, la bassa gravità può anche aver aiutato a perdere l’acqua necessaria alla prima fase del ciclo e non vi è stato il tempo per dare il via ai micro organismi marini capaci di formare i sedimenti di calcare, carburante per i vulcani… Insomma, un problema nel problema.

Torniamo ai nostri “diamanti” e poniamoci la domanda finale: “Una percentuale molto più elevata di carbonio come può modificare i processi atti a stabilizzare la temperatura? E che tipo di vita biologica potrebbe essere ospitata?”. Forse, forse… l’uomo è veramente un caso anomalo tra tutti gli alieni. La colpa -o il merito- andrebbe comunque ai “nonni”. Sono infatti loro ad avere consegnato il carbonio ai nipotini come il Sole…

Noi, intanto, speriamo che il termostato continui a funzionare. Di certo non saranno gli uomini a incepparlo…

Articolo originario sulla formazione dei pianeti ricchi di carbonio QUI

 

QUI spieghiamo con maggiori dettagli il fenomeno della subduzione

NEWS! Anche Europa, il satellite di Giove, potrebbe ospitare fenomeni di subduzione

5 commenti

  1. Michael

    Caro Enzo,
    è da quando ho iniziato a frequentare il tuo blog che mi sto tenendo questa domanda nella manica, e penso che questo sia l'articolo ideale per potertela porre.
    Molti anni fa ho letto il libro "Il Sole Morirà" (ora praticamente introvabile se non forse consunto in qualche biblioteca). All'inizio del romanzo, ambientato nel futuro, alcuni scienziati si trovano su Venere dopo che gli è stata artificialmente modificata l'orbita, ora più lontana dal Sole, al fine di renderlo abitabile.
    Tralasciando la fattibilità di spostare l'orbita di un qualsiasi Pianeta del Sistema Solare, cosa certamente già di per sé fantascientifica, potrebbe portare davvero ad un miglioramento delle condizioni vitali su Venere?

  2. Valerio Ricciardi

    Spiegazione impeccabile, al solito. 
    Il meccanismo che descrivi qui, giustamente semplificando, potrebbe essere forse integrato solo con una condizione al contorno che forse ne limita l'efficacia giustificando il fatto che il "termostato" come dici tu sia un po' pigro di riflessi, e che "arrivino i nostri" qualche volta pelo pelo (sempre meglio quando sei stremato che far la fine di Fort Alamo...).
    Parlo del limite di compensazione dei carbonati: al di sotto dei 4170-4550 m nel Pacifico, dei circa 5000 m nell'Atlantico e di un livello, pare, grossomodo intermedio nell'Oceano indiano, la fanghiglia carbonatica al fondo nemmeno ci arriva, perché raggiunta tale profondità (detta del lisoclino). 
    Al lisoclino si arriva a un equilibrio fra  Ca2+ (ossia ione calcio) (aq) + 2*HCO3- (ossia ione acido carbonico) (aq) ... (ci andrebbe la doppia freccia, non la so scrivere qui...)... e  CaCO3 + H2O + CO2 
    ...però se capita che il carbonato precipiti in zone di minore profondità (ad es. dalle parti delle dorsali medioceaniche, elevate rispetto al fondale standard) e venga poi rapidamente coperto da altra fanghiglia di natura silicea (gusci di radiolari, componente silicea delle argille) ha la possibilità di arrivare indenne sino alle fosse di subduzione, senza dissolversi prima e restare in giro nella massa d'acqua.
    In quel caso i magmi risultanti saranno proporzionalmente basici (silice inferiore al 52%), si parla infatti di lave iposilicihe quando ne raccogli il prodotto di effusione sul terreno.

    Insomma, questo splendido meccanismo sospetto funzioni pienamente forse non proprio sempre, ma quando oltre all'acqua che fa da vettore dei sedimenti ci son le condizioni bariche giuste. Chissà che non sia anche quella la ragione dei "riflessi un po' lenti..."

    Ma tant'è. intanto, non avevo mai pensato che questo mancasse, in modo sostanziale, a Venere per autoregolare il suo effetto serra. Avevo sempre pensato, delle due, alla mancanza della vita vegetale come efficace "trappola per CO2", e dato che le temperature non la permettevano... fosse là il punto. Ma non avevo mai capito PERCHE' fosse tanto mostruosamente abbondante la CO2 con relativo effetto serra (a quelle concentrazioni... altro che 400 ppm...).
    Grazie come al solito, ogni articolo tuo che leggo una cosa nuova che imparo, una un po' nebulosa che mi si chiarisce o una di cui grossomodo avevo una infarinatura di base ma di cui mi si spalanca un punto di osservazione diverso.

    Ci sei portato a insegnare, sai? Dovresti farne un mestiere... davvero  :mrgreen:

  3. Mario Fiori

    Mi sa' che Enzo lo ha già fatto quel mestiere e continua...per diletto.
    Caro Enzo naturalmente articolo interessantissimo che ci rende un pochino più unici, forse, in questo Universo. Io continuo comunque a credere  che non lo siamo e non dobbiamo sentirci così. Sicuramente è un punto in più per la difficoltà della vita , la sua rarità e la difficoltà di avere il Pianeta giusto ma comunque...

  4. caro Michael,
    penso che ormai sia troppo tardi. Troppe cose hanno preso una piega definitiva e irreversibile. Ormai niente potrebbe più ridare l'acqua a Venere. E senza acqua niente scorrimento delle placche tettoniche (che non ha proprio per questo) e quindi nessuna possibilità di ridurre la CO2 non avendo né vegetazione né oceani.  Il suo destino si è deciso almeno due miliardi di anni fa...

    caro Valerio,
    sicuramente il processo non è perfetto come può sembrare. Ne ho dato una visione semplificata anche per poterla rappresentare con semplici figure. Riguardo a Venere, sì, la cosa più importante per lei è stata la perdita dell'acqua e la conseguente mancanza di deriva delle placche. Senza parlare del fatto che senz'acqua hai voglia a creare le piante... :wink:

    caro Mario,
    anch'io penso che saremo in tanti. Tuttavia, variando le abbondanze degli elementi chimici può darsi che la vita scelga strade diverse, più o meno semplici. Probabilmente, i pianeti l carbonio sono adatti alla vita e forse il nostro tipo biologico è una rarità. Ma non la vita in sé.. solo la nostra. Io spererei che la maggior parte dei pianeti abitati contenga molto fosforo in modo che l'intelligenza dei suoi abitanti sia ben più avanti della nostra... in tutti i sensi!!! :mrgreen: Magari ci stanno studiando come un caso unico e decisamente troppo mal riuscito per andarlo a disturbare...

  5. Andrea I.

    Mi fa venire alla mente i principii di conservazione dell'energia/moto/etc.. che mi sto studiando proprio adesso, e la cosa mi affascina moltissimo.......E incredibile come, da qualunque punto di vista la si osservi, la natura sia cosí splendidamente coerente.

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