I cicli biogeochimici degli elementi.

Claudio Della Volpe

L’idea di quest’anno di pubblicare post sugli elementi della tavola periodica sta avendo un certo successo; tuttavia devo dire che pochi di coloro che hanno contribuito hanno accettato lo spirito del mio invito completamente e in particolare una cosa che nella mia proposta era basilare: riportare per ogni elemento il ciclo biogeochimico e l’impatto del ciclo industriale su quello naturale.

E’ un argomento che mi affascina e che non è molto conosciuto né presente in letteratura e che fra l’altro ha a che fare col titolo e il soggetto del nostro blog; tutti conoscono i cicli degli elementi “maggiori” i cosiddetti “grandi nutrienti”, come il carbonio, l’azoto, il fosforo, l’ossigeno o lo zolfo casomai ma si fermano qua. Invece i cicli biogeochimici sono presenti per tutti gli elementi; come ho scritto recentemente (C&I 2019 n. 3) i cicli biogeochimici possono essere visti come parte degli ipercicli su cui Manfred Eigen (premio Nobel per la chimica nel 1967) ha basato la sua visione della vita; i cicli biogeochimici come volano degli ipercicli biologici e nel medesimo tempo come dissipatori del flusso di energia libera che dal Sole si scarica sulla Terra in ragione di decine di migliaia di terawatt.

Come scrisse nel suo libro Weather Prediction by Numerical Process (p 66) il fisico Lewis Fry Richardson

Big whirls have little whirls that feed on their velocity,

and little whirls have lesser whirls and so on to viscosity.

Grandi vortici hanno vortici più piccoli che si nutrono della loro velocità,

                        e piccoli vortici hanno vortici più piccoli e così via fino alla viscosità.

https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a000000/a003800/a003827/

Lo stesso meccanismo di degradazione dell’energia libera che funziona nei fluidi funziona dappertutto: “vortici han vortici più piccoli”.

Sembra una frase leonardesca: esprime qua come il flusso di energia solare si articola non solo sul piano meccanico dai grandi venti che coprono costantemente grandi zone di superficie ai piccoli venti regolari come l’Ora del Garda, dalle grandi correnti oceaniche alle onde che vi bagnano l’ombrellone, ma anche dai grandi cicli degli elementi ai processi chimici dentro la cellula vivente; la cascata dissipativa prosegue costantemente da quando la Terra esiste.

Il flusso dal Sole è di circa 174.000 terawatt (122.000 dopo albedo), ma quello netto che la macchina termodinamica terrestre, il sistema della biosfera, il Sistema Terra considerato come una macchina termica accoglie ed usa trasformandolo in “lavoro ordinato”, strutture è molto più basso, circa 6000 terawatt, come ho provato a calcolare in un post precedente).

In questa ottica l’economia umana è il metabolismo della nostra particolare specie; l’economia non è solo costrutto storicamente determinato, ma parte da una base biofisica, è ecological economics, come scriveva già tanti anni fa Enzo Tiezzi, una delle menti chimiche italiane più brillanti a cui va il mio grato ricordo sempre. E questo purtroppo nessun economista del Sole-24 ore lo capisce. E anche parecchi colleghi fanno spallucce!

Questo metabolismo ha inglobato i metalli facendo partire l’epoca che chiamiamo preistorica già oltre 7000 anni fa con il cosiddetto calcolitico, l’età del rame; dunque prima le rocce e la pietra, da sempre, godendo del lascito delle razze umane che ci hanno preceduto e affiancato, poi il carbonio, l’azoto e il fosforo con la scoperta dell’agricoltura circa 10-12000 anni fa e poi il rame, il bronzo, il ferro e così via.

Il nostro metabolismo sociale è stato questo.

A proposito dell’economia scriveva un filosofo ottocentesco:

«il lavoro non è la fonte di ogni ricchezza. La natura è la fonte dei valori d’uso (…) altrettanto quanto il lavoro»…..“dal punto di vista di una più elevata formazione economica della società, la proprietà privata del globo terrestre da parte di singoli individui apparirà così assurda come la proprietà privata di un uomo da parte di un altro uomo». “I beneficiari dei frutti della terra, infatti, sono soltanto «i suoi usufruttuari – e hanno il dovere di tramandarla migliorata, come boni patres familias, alle generazioni successive».

Appunto, la Natura! Come stanno le cose?

In un bel lavoro del 2009 (GLOBAL BIOGEOCHEMICAL CYCLES, VOL. 23, GB2001, doi:10.1029/2008GB003376, 2009) gli autori scrivono:

Sebbene i metalli servano come “nutrienti tecnologici” senza i quali la società moderna non può funzionare, essi non hanno ricevuto la stessa attenzione su scala globale dei “grandi nutrienti” C, N, S e P. Solo il ciclo globale completo del rame, comprendente sia i depositi che i flussi sia naturali che antropogenici è stato ricostruito quantitativamente [Rauch and Graedel, 2007]. (si tratta di un lavoro che è stato citato in un post precedente dedicato al rame)

Il lavoro è dotato di magnifiche tavole di cui vi riporto un esempio:

Il ciclo globale del Nickel:

E conclude con alcune considerazioni estremamente importanti ma non del tutto nuove per i lettori di questo blog:

La dimensione crescente della riserva in uso ha anche ripercussioni sul futuro delle sorgenti della risorsa metallica, poiché più metallo sarà ragionevolmente estratto dalle discariche dello stock in uso adesso attraverso il riciclo. Questo recupero non necessariamente ridurrà la pressione sulla estrazione del metallo da minerale, perché la maggior parte dei depositi metallici rimane molto concentrato rispetto agli stock in uso ed il minerale è necessario per i crescenti livelli di consumo e per compensare per le perdite del riciclo. Comunque , la stabilizzazione della popolazione mondiale ragionevolmente costituirà il primo passo per equilibrare il ciclo metallico mondiale. Enfasi dovrà essere messa sulla comprensione della quantità, la forma, e la distribuzione spaziale degli stock di metalli in uso poiché questa riserva diventerà importante in modo crescente come risorsa metallica cui attingere.

I nostri risultati complessivi indicano che l’azione dell’umanità è diventata un agente geomorfico (NdT relativo cioè alla morfologia della superficie terrestre) significativo attraverso la mobilizzazione dei metalli.

Flussi totali naturali ed antropogenici al presente esistono al medesimo ordine di grandezza per tutti i metalli investigati.

Il più grande movimento di masse nel sistema naturale (produzione crostale e subduzione, erosione dei sedimenti e loro denudazione, e deposizione oceanica) eccede di un ordine di grandezza o più il maggiore movimento di masse antropogenico (estrazione mineraria, produzione metallica e consumo del metallo) solo per Al e Fe. D’altronde Cu è l’unico metallo per il quale il flusso antropogenico eccede quello naturale per un ordine di grandezza o più.

Questa equivalenza degli ordini di grandezza si paragona bene con quello dei “grandi nutrienti”, dove la mobilizzazione del C da parte di attività umane è meno di un’ordine di grandezza rispetto a quello naturale, N e S sono approssimativamente gli stessi, mentre la mobilizzazione del P eccede quella naturale per più di mezzo ordine di grandezza. Queste perturbazioni dei cicli naturali globali dei metalli risultano nella riallocazione delle masse di metalli dai sedimenti superficiali ai margini continentali e dalle masse di minerali agli stock di metalli in uso.

Questo è l’Antropocene! I nostri “cicli”  (che sono “aperti”, non sono cicli ) dominano la situazione e questo sconvolge la biosfera; dobbiamo dedicare maggiore atttenzione a questi processi e cercare quanto più possibile di chiuderli come la Natura ha sempre fatto; non esistono discariche planetarie di metalli e rischiamo dunque di  trasformare la Terra in una pattumiera. Il primo passo è studiare e conoscere la situazione, per poterla adeguatamente trasformare. Ecco perché inserire il ciclo biogeochimico nei post sugli elementi è importante.

Voi che ne dite?

3 pensieri su “I cicli biogeochimici degli elementi.

  1. Qualche informazione “orientata” è spesso riportata nei documenti di valutazione tossicologica dei metalli prodotti dai grandi enti, tra cui gli Environmental Health Criteria dell’OMS, le monografie ATSDR Toxicological Profiles del CDC-USA, e i loro numerosi cloni. Il loro livello di aggiornamento è spesso scarso: passano sovente molti anni tra le compilazione e la pubblicazione, ma la copertura della letteratura più datata è in genere quasi esaustiva. Ignoro se nei corsi di laurea in Chimica si insegni ancora l’inorganica sistematica descrittiva (per i milanesi, il “malatestino”): sarebbe stato l’ambiente intellettuale adatto, anche se per noi sarebbe stato prematuro (era un corso del primo anno). Buona giornata e grazie.

  2. Come sempre, gran bel post, devoldev !
    Nelle mie lezioni di inorganica descrittiva cercavo di integrare la parte più “chimica” con quella più “industrial/tecnologica” iontegrandola anche con informazioni ecologiche (piogge acide, effetto serra etc) ed economiche (e anche sanitarie : parlavo di silicosi potabilizzazione delle acque disinfezione etc), peraltro facevo i gruppi principali, i metalli di transizione non li facevo io…
    Di tutti gli elementi quel che mi preoccupa di più, a parte il carbonio (=CO2 = clima) è il fosforo, che ha bizzarramente riserve scarse e molto concentrate geograficamente. Sarà un problema serio…

    Ancora grazie a tutti,

    antoniutti

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