28 Ago il superamento della “soglia di carbonio” potrebbe portare all’estinzione
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Le emissioni di anidride carbonica possono innescare un riflesso nel ciclo del carbonio, con conseguenze devastanti, secondo lo studio.
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Nel cervello, quando i neuroni inviano segnali elettrici ai loro vicini, ciò avviene attraverso una risposta “tutto o niente”. Il segnale si verifica solo quando le condizioni nella cella superano una certa soglia.
Ora un ricercatore del MIT ha osservato un fenomeno simile in un sistema completamente diverso: il ciclo del carbonio terrestre.
Daniel Rothman, professore di geofisica e condirettore del Lorenz Center nel Dipartimento di Scienze della Terra, dell’atmosfera e dei pianeti del MIT, ha scoperto che quando la velocità con cui l’anidride carbonica entra negli oceani supera una certa soglia, sia come risultato di un esplosione improvvisa o un afflusso lento e costante: la Terra può rispondere con una cascata inarrestabile di feedback chimici, portando a un’estrema acidificazione degli oceani che amplifica drammaticamente gli effetti dell’innesco originale.
Questo riflesso globale provoca enormi cambiamenti nella quantità di carbonio contenuta negli oceani della Terra e i geologi possono vedere prove di questi cambiamenti negli strati di sedimenti conservati per centinaia di milioni di anni.
Rothman ha esaminato queste registrazioni geologiche e ha osservato che negli ultimi 540 milioni di anni la riserva di carbonio dell’oceano è cambiata bruscamente, poi si è ripresa, dozzine di volte in un modo simile alla natura improvvisa di un picco di neuroni. Questa “eccitazione” del ciclo del carbonio si è verificata in modo più drammatico vicino al momento di quattro delle cinque grandi estinzioni di massa nella storia della Terra.
Gli scienziati hanno attribuito vari fattori scatenanti a questi eventi e hanno ipotizzato che i cambiamenti nel carbonio oceanico che seguirono fossero proporzionali all’innesco iniziale: ad esempio, più piccolo è l’innesco, minore sarà la ricaduta ambientale.
Ma Rothman dice che non è così. Non importava cosa avesse causato inizialmente gli eventi; per circa la metà delle interruzioni nel suo database, una volta messe in moto, la velocità con cui il carbonio è aumentato è stata essenzialmente la stessa. Il loro tasso caratteristico è probabilmente una proprietà del ciclo del carbonio stesso, non dei fattori scatenanti, perché diversi fattori di attivazione funzionerebbero a velocità diverse.
Cosa ha a che fare tutto questo con il nostro clima moderno? Gli oceani di oggi stanno assorbendo carbonio di circa un ordine di grandezza più velocemente del caso peggiore nella documentazione geologica: l’estinzione di fine Permiano. Ma gli esseri umani hanno pompato anidride carbonica nell’atmosfera solo per centinaia di anni, contro le decine di migliaia di anni o più impiegate dalle eruzioni vulcaniche o da altri disturbi per innescare i grandi sconvolgimenti ambientali del passato. L’aumento moderno del carbonio potrebbe essere troppo breve per provocare una grande perturbazione?
Secondo Rothman, oggi siamo “al precipizio dell’eccitazione” e, se si verifica, il picco risultante – come evidenziato dall’acidificazione degli oceani, dalla morte delle specie e altro – è probabile che sia simile alle catastrofi globali passate.
“Una volta superata la soglia, il modo in cui ci siamo arrivati potrebbe non avere importanza”, afferma Rothman, che sta pubblicando i suoi risultati questa settimana negli Atti della National Academy of Sciences. “Una volta superato, hai a che fare con come funziona la Terra, e se ne va per conto suo”.
Un feedback sul carbonio
Nel 2017, Rothman ha fatto una previsione disastrosa : entro la fine di questo secolo, è probabile che il pianeta raggiunga una soglia critica, basata sul rapido ritmo con cui gli umani aggiungono anidride carbonica all’atmosfera. Quando oltrepassiamo quella soglia, è probabile che mettiamo in moto un treno merci di conseguenze, che culminerà potenzialmente nella sesta estinzione di massa della Terra.
Da allora Rothman ha cercato di comprendere meglio questa previsione e, più in generale, il modo in cui il ciclo del carbonio risponde una volta superata una soglia critica. Nel nuovo documento, ha sviluppato un semplice modello matematico per rappresentare il ciclo del carbonio nell’oceano superiore della Terra e come potrebbe comportarsi quando questa soglia viene superata.
Gli scienziati sanno che quando l’anidride carbonica dall’atmosfera si dissolve nell’acqua di mare, non solo rende gli oceani più acidi, ma diminuisce anche la concentrazione di ioni carbonato. Quando la concentrazione di ioni carbonato scende al di sotto di una soglia, i gusci fatti di carbonato di calcio si dissolvono. Gli organismi che li fanno vivere male in condizioni così dure.
Le conchiglie, oltre a proteggere la vita marina, forniscono un “effetto zavorra”, appesantendo gli organismi e consentendo loro di affondare sul fondo dell’oceano insieme al carbonio organico detritico, rimuovendo efficacemente l’anidride carbonica dall’oceano superiore. Ma in un mondo in cui l’anidride carbonica aumenta, meno organismi calcificanti dovrebbero significare che viene rimossa meno anidride carbonica.
“È un feedback positivo”, afferma Rothman. “Più anidride carbonica porta a più anidride carbonica. La domanda da un punto di vista matematico è: un tale feedback è sufficiente per rendere instabile il sistema?”
“ Un aumento inesorabile ”
Rothman ha catturato questo feedback positivo nel suo nuovo modello, che comprende due equazioni differenziali che descrivono le interazioni tra i vari costituenti chimici nell’oceano superiore. Ha poi osservato come il modello ha risposto mentre pompava ulteriore anidride carbonica nel sistema, a velocità e quantità diverse.
Scoprì che, indipendentemente dalla velocità con cui aggiungeva anidride carbonica a un sistema già stabile, il ciclo del carbonio nell’oceano superiore rimaneva stabile. In risposta a modeste perturbazioni, il ciclo del carbonio andrebbe temporaneamente fuori controllo e sperimenterebbe un breve periodo di lieve acidificazione dell’oceano, ma ritornerebbe sempre al suo stato originale piuttosto che oscillare in un nuovo equilibrio.
Quando ha introdotto l’anidride carbonica a velocità maggiori, ha scoperto che una volta che i livelli hanno superato una soglia critica, il ciclo del carbonio ha reagito con una cascata di feedback positivi che hanno amplificato l’innesco originale, causando un picco dell’intero sistema, sotto forma di grave acidificazione dell’oceano . Il sistema, alla fine, è tornato all’equilibrio, dopo decine di migliaia di anni negli oceani di oggi, un’indicazione che, nonostante una reazione violenta, il ciclo del carbonio riprenderà il suo stato stazionario.
Questo modello corrisponde al record geologico, ha scoperto Rothman. Il tasso caratteristico mostrato dalla metà del suo database risulta da eccitazioni al di sopra, ma vicino, alla soglia. I disagi ambientali associati all’estinzione di massa sono valori anomali: rappresentano eccitazioni ben oltre la soglia. Almeno tre di questi casi potrebbero essere correlati a un massiccio vulcanismo sostenuto.
“Quando superi una soglia, ricevi un calcio di punizione dal sistema che risponde da solo”, spiega Rothman. “Il sistema è in crescita inesorabile. Ecco cos’è l’eccitabilità e anche come funziona un neurone».
Sebbene il carbonio stia entrando negli oceani oggi a un ritmo senza precedenti, lo sta facendo in un tempo geologicamente breve. Il modello di Rothman prevede che i due effetti si annullino: tassi più veloci ci avvicinano alla soglia, ma durate più brevi ci allontanano. Per quanto riguarda la soglia, il mondo moderno si trova più o meno nello stesso posto in cui si trovava durante periodi più lunghi di vulcanismo massiccio.
In altre parole, se le emissioni indotte dall’uomo di oggi superano la soglia e continuano oltre, come prevede Rothman presto, le conseguenze potrebbero essere altrettanto gravi di quelle che la Terra ha sperimentato durante le sue precedenti estinzioni di massa.
“È difficile sapere come andranno a finire le cose, visto quello che sta succedendo oggi”, dice Rothman. “Ma probabilmente siamo vicini a una soglia critica. Qualsiasi picco raggiungerebbe il suo massimo dopo circa 10.000 anni. Speriamo che questo ci dia il tempo di trovare una soluzione”.
“Sappiamo già che le nostre azioni che emettono CO 2 avranno conseguenze per molti millenni”, afferma Timothy Lenton, professore di cambiamento climatico e scienze dei sistemi terrestri all’Università di Exeter. “Questo studio suggerisce che tali conseguenze potrebbero essere molto più drammatiche di quanto previsto in precedenza. Se spingiamo troppo il sistema Terra, allora prende il sopravvento e determina la sua stessa risposta: oltre quel punto ci sarà poco che possiamo fare al riguardo».
Questa ricerca è stata supportata, in parte, dalla NASA e dalla National Science