ONORA IL PADRE E LA MADRE
( NO CARBON - NO LIFE)

  
  Cap.2-La Vita Sul Pianeta Terra
 

 

  a) L’Atmosfera.

Nonostante gli innumerevoli studi e ricerche svolte negli ultimi secoli non è stata ancora accertata l’origine della Vita, cioè non è stato individuato quel fenomeno e quel momento magico che le ha dato inizio nel nostro pianeta; tuttavia si conoscono perfettamente i meccanismi con cui essa si rigenera e si propaga e quali sono le condizioni necessarie per cui questo avvenga.

La Fisica, la Chimica e la Biologia sono le scienze che sono coinvolte in questo processo di creazione e di riproduzione di esseri viventi in questo pianeta di cui facciamo parte.

La prima condizione necessaria per la nostra esistenza e la nostra sopravvivenza è data dalla presenza dell’atmosfera terrestre, cioè di quell’involucro gassoso che circonda il nostro globo, dello spessore di circa 50 chilometri la cui massa totale è stata stimata in 5,150 1021 grammi (cioè circa 1/106 della massa totale della terra che è di 5,972 × 1027 g) e che avvolge una superficie di 5,101 1014 m2 .



FIGURA 1

La composizione chimica media dell’atmosfera al suolo ed in assenza di vapore acqueo è la seguente : Azoto p.m.=28 uma (78,084% vol. 75,50 % in peso) Ossigeno p.m.=32 uma (20,946%vol. 23,15 % peso ) Argon p.m. = 39,95 uma (0,934%vol. 1,29 % peso ) CO2 p.m.= 44 uma (0,0415% vol 0,063 % peso) altri gas (0,036%v.). Azoto ed Ossigeno costituiscono insieme il 99% (98.65% in peso). La quantità di CO2 in atmosfera può essere stimata in 896,4 GtC (vedi cap. 4b) che sono in equilibrio con 550 GtC di biomassa totale sulla terra.(Cap. 2c) In assenza di venti o di moti convettivi la distribuzione dei gas nell’atmosfera è determinata dal loro peso molecolare per cui l’anidride carbonica si trova principalmente nella troposfera che è lo strato più basso, ed in percentuale maggiore al livello del mare. La quantità di acqua può variare dallo 0 al 6% (media 0,33% cioè 8 volte maggiore della CO2).

L’atmosfera quindi contiene gli elementi chimici fondamentali per la presenza della vita nel nostro pianeta cioè il carbonio che è presente nella CO2, l’idrogeno che è presente nell’acqua e l’Ossigeno che è presente in entrambi.

Essa tuttavia non limita la sua azione a quella di deposito dei principali elementi chimici necessari per la vita ma, grazie alla presenza dell’Acqua, esercita una funzione stabilizzatrice della temperatura della atmosfera stessa ed una funzione di ridistribuzione sulla intera superficie terrestre degli elementi chimici necessari alla vita.

L’effetto termostabilizzatore dell’acqua dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche di questa molecola che è fondamentale per la vita sul nostro pianeta. Essa è presente sulla terra nei suoi tre stati di aggregazione, cioè solido, liquido e vapore con la possibiltà di cambiare stato di aggregazione in funzione della temperatura. Un abbassamento della temperatura permette di passare dallo stato liquido allo stato solido, transizione che libera quello che viene denominato calore latente di cristallizzazione e che costituisce un feedback negativo, cioè che si oppone alla causa che lo ha determinato. Analogamente avviene quando si passa dallo stato gassoso allo stato liquido in cui entra in gioco il calore latente di vaporizzazione. Nel processo inverso cioè nel passaggio solido-liquido-vapore il calore che prima veniva liberato ora viene assorbito quindi nello scioglimeento dei ghiacci il calore viene assorbito e la temperatura del sistema solido-liquido in equilibrio non cambia sino a quando il ghiaccio non è completamente fuso. Lo stesso tipo di meccanismo avviene nel sistema liquido-gas in cui i processi di vaporizzazione e condensazione vanno a controbilanciare i processi di riscaldamento e di raffreddamento della atmosfera.

Essendo la temperatura terrestre determinata essenzialmente dall’irraggiamento solare che logicamente dipende dall’alternarsi tra giorno e notte e dalle variazioni stagionali, ne consegue che il riscaldamento non è uniforme sulla superficie terrestre e provoca variazioni di densità dell’aria con conseguenti perturbazioni atmosferiche che contribuiscono esse stesse alla termostabilizzazione dell’atmosfera. Inoltre la formazione di nuvole tende a diffondere la radiazione solare e quindi a dimuire l’irraggiamento che le ha provocate.

L’energia elettromagnetica proveniente dal sole si trova nel campo del visibile-vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico, e viene in parte reirradiata nello spazio alla stessa lunghezza d’onda della luce incidente, in parte utilizzata nei processi di fotosintesi ed in parte assorbita a seconda della composizione chimica della superficie e trasformata istantaneamente in energia termica.

Questo processo di termalizzazione della radiazione avviene a causa del decadimento non radiativo dai livelli elettronici molecolari eccitati dalla radiazione incidente al livello energetico fondamentale, decadimento che è molto veloce e quindi molto efficiente.

Quindi il calore assorbito dai mari e dalle superfici emerse determina un aumento di temperatura di entità inversamente proporzionale alla capacità termica degli stessi e viene dissipato tramite due meccanismi principali, uno di tipo termico-cinetico che, come abbiamo visto, provoca la evaporazione dell’acqua che raffredda la superficie sottraendo il calore latente di evaporazione, l’altro attraverso il contatto diretto con le molecole dei gas atmosferici che si riscaldano per conduzione determinando la dilatazione termica degli stessi e creando correnti ascenzionali e traslazionali, creando quindi perturbazioni atmosferiche che hanno il compito di trasferire energia, acqua, CO2, O2 ed altri gas atmosferici in zone della terra meno soleggiate soprattutto a causa di variazioni stagionali.

Un terzo tipo di dissipazione energetica è dovuto al fenomeno dell’irraggiamento, cioè allo stesso tipo di fenomeno che avviene nel sole che genera l’energia elettromagnetica che ci riscalda con la differenza però che, essendo la temperatura della terra molto inferiore a quella del sole, l’emissione radiative avviene nella zona del medio-lontano infrarosso dello spettro elettromagnetico, zona caratteristica delle transizioni vibro-rotazionali di bending delle molecole di Acqua e di CO2 che assorbe a 667 cm-1 .

L’energia infrarossa emessa dalla superficie terrestre viene quindi assorbita da queste molecole, definite come Gas serra, che tuttavia redistribuiscono tale energia alle molecole gassose circostanti tramite il solito processo di decadimento non radiativo in forma di energia cinetica. Tali molecole hanno comunque la possibilità intrinseca di emettere radiazione elettromagnetica quando sono in particolari condizioni di rarefazione, cioè quando la probabilità di decadimento non radiativo è molto bassa a causa della distanza tra queste molecole e le altre molecole che costituiscono l’atmosfera. Questo irraggiamento è responsabile della escursione termica che si osserva tra il giorno e la notte sulle terre emerse ed in minima parte sugli oceani, esso è presente sia in estate che in inverno ed è attribuibile quasi esclusivamente alle molecole di H2O che essendo le più leggere del mix molecolare del gas atmosferico risentono in misura minore della attrazione gravitazionale e quindi popolano più facilmente gli strati superiori dell’atmosfera che sono i più rarefatti, comportamento contrario a quello della CO2 che essendo la molecola più pesante tende a disporsi negli strati più densi a contatto con la superficie terrestre.



b) La Fotosintesi.

La CO2 quindi, essendo la molecola più pesante dell’atmosfera (tranne l’Ozono O3 che tuttavia è presente in quantità trascurabile) costituisce una coltre aderente alla sfera terrestre che contribuisce insieme all’acqua ed ai processi di conduzione diretta, a riscaldare l’atmosfera per renderla adatta alla formazione ed al mantenimento della Biosfera.

La sua presenza quindi è una condizione necessaria ma non sufficente per mantenere e conservare la vita sul nostro pianeta che richiede la presenza dell’H2O e della luce come elementi costituenti per la fotosintesi e le condizioni di temperatura adatte alla produzione di materiale organico.

La Fotosintesi è la strada che la natura ha adottato per trasformare la energia elettromagnetica del sole in energia chimica necessaria per gli esseri viventi, sia vegetali che animali. Energia che è stata immagazzinata in milioni di anni e che costituisce la vera risorsa di energia rinnovabile perché può essere rigenerata in un nuovo processo di fotosintesi partendo dalla CO2 generata attraverso la respirazione e la combustione.

Prima di passare ad analizzare le condizioni necessarie per la formazione delle molecole organiche, diamo un’occhiata allo schema di reazione chimica ed alle energie messe in gioco.

Il meccanismo mediante il quale a partire da CO2 ed H2O si ha la possibilità di sintetizzare la materia organica è denominato Fotosintesi Clorofilliana che, come dice il nome stesso ha la necessità, per essere attuato, della presenza della luce, cioè della radiazione elettromagnetica la cui energia è

e = hν = hc/λ

(in cui h è la costante di Plank, ν è la frequanza, λ è la lunghezza d’onda e c la velocità della luce) e che viene direttamente dal sole.

La reazione di fotosintesi è un processo abbastanza complesso che avviene all’interno della Clorofilla, cioè una macromolecola organica che a partire dalla CO2 e dall’acqua da origine alla materia organica tramite la seguente reazione tipo:

6CO2 + 6H2O + 54E → C6H12O6 + 6O2

in cui da sei molecole di acqua e 6 di anidride carbonica si formano una molecola di glucosio e sei molecole di ossigeno.

Il simbolo E indica l’energia di 1 Einstein che indica l’energia di un numero di fotoni pari al numero di Avogadro NA , essendo l’energia di un fotone

e = hc/λ

risulta che

E = NAe = NAhc/λ = 28.600/λ,

in cui E è in kilocalorie e λ è data in nanometri (1 nm = 10-9 metri).

La parte dello spettro solare usata per la fotosintesi è stimata in circa 570 nm quindi

1E= 28.600/570 = 50 kcalorie .

Il numero 54 nella formula precedente è il numero minimo di E per ottenere la fotosintesi di 6 moli di O2 formatosi, quindi ogni mole di O2 necessita di 9 E , cioè

1 mole di O2 necessita di 9x50 = 450 kcal (ossia 0,52335 kWh = 1884.06 kJ).

Questa in teoria è l’energia minima per trasformare in biomassa 12 gr di carbonio presenti in una grammomolecola di CO2 (P.M. 44 uma), ne consegue che l’energia minima necessaria per ottenere 1 gr di C presente nella biomassa è di

523,35/12 = 43,6 Wh/1g C

L’energia fornita da 1 gr di C nel processo di combustione è molto minore. Nell'anno 2019 sono stati immessi in atmosfera 11,5 1015 gC = 11,5 PgC ( in cui PgC indica i petagrammi di carbonio che corrispondono alle Giga Tonnellate di C, GTC) che hanno fornito una energia di 143967 TWh [fig. 4c] ossia 144 1015 Wh per cui ogni grammo di Carbonio ha fornito una energia di

144/11,5 = 12,5 Wh/1g C

ne consegue quindi, sempre in teoria, che l’energia fornita in combustione da un gr di Carbonio è

12,5/43,6 Wh = 28,7%

di quella assorbita per la fotosintesi.

Ma la resa energetica del processo di fotosintesi è molto minore del 28,7% rispetto alla luce totale irradiata dal sole, questo perché in primo luogo, più della metà della luce solare incidente è composta da lunghezze d'onda troppo lunghe per essere assorbite e parte del resto viene riflessa o persa nelle foglie. Di conseguenza, le piante possono assorbire al massimo solo il 34% circa della luce solare incidente.

In secondo luogo, le piante devono svolgere una varietà di processi fisiologici nei tessuti non fotosintetici come radici e steli; questi processi, così come la respirazione cellulare in tutte le parti della pianta, consumano l'energia immagazzinata [respirazione autotrofica].

In terzo luogo, i tassi di fotosintesi in piena luce solare a volte superano le esigenze delle piante, con conseguente formazione di zuccheri e amido in eccesso. Quando ciò accade, i meccanismi regolatori della pianta rallentano il processo di fotosintesi, consentendo alla luce solare assorbita in più di non essere utilizzata.

In quarto luogo, in molte piante, l'energia viene utilizzata dal processo di fotorespirazione eterotrofica cioè di altri esseri viventi che si nutrono delle piante.

La stagione vegetativa, infine, può durare solo pochi mesi all'anno; la luce solare ricevuta durante le altre stagioni non viene utilizzata.

La fotosintesi tuttavia è l’unico meccanismo naturale fondamentale per accumulare energia elettromagnetica e trasformarla in energia chimica, energia che in seguito viene trasformata dagli organismi viventi in energia meccanica con la produzione di CO2. Senza l’anidride carbonica quindi non vi è vita e non vi è ossigeno.

L’ irraggiamento solare e la presenza di acqua e CO2 in atmosfera e la enorme riserva di acqua negli oceani, nei mari e nei laghi e fiumi, garantiscono la creazione delle condizioni climatiche necessarie alla vita che esamineremo in un paragrafo successivo.


c) La Biomassa. [Global Primary Production.pdf ]

Il prodotto finale della fotosintesi è costituito dalla Biomassa. Attualmente la biomassa terrestre complessiva è stata stimata in 550 gigatonnellate di Carbonio (GtC), cioè 550 PgC = 550 1015 gC (1 Petagrammo = 1 gigatonnellata = 1 x 1015 grammi) una misura che fa riferimento alla quantità di carbonio contenuto nell'intera comunità di esseri viventi sia vegetali che animali.

La quantità di CO2 dell’atmosfera trasformata in biomassa in un anno viene definita come GPP (Gross Primary Production) che nel 2015 ammontava a circa 250 PgC.

Ma non tutta l’energia elettromagnetica trasformata in energia chimica può essere accumulata, infatti una parte di essa viene utilizzata dalle piante per il processo di accrescimento per cui circa il 50% del carbonio assorbito della atmosfera viene restituito ad essa come CO2 attraverso il processo di respirazione autotrofica.

Il restante 50% circa del Carbonio assorbito costituisce la NPP (Net Primary Production) (125 PgC nel 2015 di cui 60 PgC/y sulla terra ferma e 65 PgC/y negli oceani ) viene in gran parte utilizzato dagli altri organismi viventi quali ad esempio gli animali attraverso un processo denominato respirazione eterotrofica.

Il rimanente che viene definito come NEP (Net Ecosystem Production) costituisce la parte della Biomassa che rimane sulla superficie della terra e che è destinata nei millenni futuri a divenire sorgente fossile di Energia. Nel 2015 la NEP si era ridotta a 5 PgC yr–1 sulla terra e a 11 PgC yr–1 negli oceani per un totale di 16,5 PgC.

Questi valori sono dello stesso ordine di grandezza di quelli relativi alla immissione di CO2 nell’Atmosfera dovuti alle attività antropiche (9 PgC yr–1 nel 2015) indicando fortemente che i combustibili fossili non solo forniscono energia per le attività umane ma sono necessari anche per la produzione di Biomasse indispensabili per sostenere la vita sul nostro pianeta.

Ne consegue quindi che 896,4 PgC presenti in atmosfera sotto forma di CO2 sono in equilibrio con 550 PgC presenti sulla terra sotto forma di Biomassa. Ogni anno 250 PgC vengono prelevati dalla atmosfera per essere utilizzati nelle reazioni di fotosintesi ma la metà di questo carbonio viene restituito alla atmosfera come CO2 a causa dei processi di respirazione autotrofa delle piante che si accrescono mentre 125 PgC rimangono nelle terre emerse e negli oceani in percentuali quasi uguali.


d) Le condizioni climatiche

Come accennato precedentemente, le condizioni climatiche, cioè la temperatura, l’umidità e la circolazione dei venti, sono determinanti perché la reazione di fotosintesi abbia successo. Il fenomeno trainante nel determinare le condizioni climatiche è senza dubbio l’irraggiamento che è determinato da molti fattori. Se consideriamo la terra come una sfera perfetta di colore nero, cioè che assorbe tutta la radiazione incidente e siamo in assenza di atmosfera, allora la radiazione solare che raggiunge un metro quadro della superficie terrestre sarà funzione dell’angolo che forma la perpendicolare della superficie presa in considerazione con la direzione di propagazione dei raggi solari che si suppone siano della stessa intensità e paralleli tra di loro.

In generale, secondo l'interpretazione classica ondulatoria l'energia posseduta dal campo elettromagnetico è riconducibile all'ampiezza (precisamente al quadrato dell'ampiezza) dell'onda che ne descrive la propagazione.

Il vettore Campo Elettrico E che vibra perpendicolarmente alla direzione di propagazione della luce può essere quindi espresso come somma vettoriale di due componenti di cui una giace sul piano parallelo alla superficie terrestre illuminata che determina l’energia elettromagnetica che provoca il riscaldamento e l’altra nella direzione ad essa perpendicolare.

Ne consegue che se noi consideriamo un metro quadro di terreno all’incrocio tra il meridiano zero e l’equatore alle ore 12 del giorno di equinozio l’intensità luminosa è di 1362W [remotesensing-09-01143-v2.pdf ] intensità che varia se consideriamo un diverso meridiano spostandoci sempre lungo l’equatore cioè in funzione della longitudine, come riportato dalla curva rossa nella seguente figura. Lo stesso discorso può essere ripetuto se nello stesso giorno e nello stessa ora e nello stesso minuto consideriamo un metro quadrato di terreno che si trova ad un parallelo superiore od inferiore rispetto all’equatore, cioè ad una diversa latitudine mantenendo sempre la stessa longitudine, la curva blu rappresenta quindi l’intensità luminosa in funzione della latitudine e della longitudine.

Integrando per una intera giornata, cioè dall’alba al tramonto, la curva blu rappresenta la quantità di radiazione assorbita per 1 m2 di terreno che va diviso per due se vogliamo mediare tra il giorno e la notte. Indipendentemente dai fenomeni di diffusione causati dalla umidità e dagli altri gas atmosferici, l’irraggiamento dipende strettamente dall’alternarsi del giorno e della notte, dalle stagioni e dalla latitudine che caratterizza le zone climatiche.

FIGURA 2
Le lettere rappresentano le varie zone climatiche e cioè la A e la H sono le zone dei circoli polari Antartico ed Artico rispettivamente (da 66,55° a 90°) , le lettere B ed G sono la prima zona temperate (da 43° a 66,55°) le lettere C e F sono la seconda zona temperata, quella più vicina all’equatore cioè da (23,45° a 43°) mentre le lettere D ed E sono le zone tropicali.

Nella figura accanto la linea rossa rappresenta la intensità della radiazione registrata nello stesso giorno e nello stesso istante lungo la linea equatoriale in funzione dell’angolo tra la direzione di propagazione della luce e la perpendicolare della superficie presa in considerazione. La linea blu rappresenta invece la distribuzione su tutta l’emisfero terrestre della luce che incide non solo sull’equatore ma su tutto il meridiano sempre nello stesso giorno e nella stessa ora. La linea verde invece rappresenta la distribuzione osservata nello stesso posto e nella stessa ora ma nel giorno del solstizio estivo in cui si vede chiaramente che il massimo dell’irraggiamento (1362 W/m2) si ha in corrispondenza del tropico del cancro, coè a 23,45 ° Nord, naturalmente nel caso del solstizio invernale l’immagine sarebbe simmetrica con il massimo spostato a sinistra della figura cioè sul tropico del capricorno. In questo calcolo è stato completamente trascurato l’effetto dovuto alla variazione della distanza tra la terra ed il sole.


Naturalmente non tutta l’energia sopra calcolata nel precedente grafico raggiunge la superficie terrestre a causa di diversi fenomeni tra cui uno è lo scattering di Rayleig, cioè una interazione elastica di diffusione tra la radiazione e le molecole presenti nell’atmosfera (è il fenomeno che colora di blu il cielo) inoltre vi è diffusione a causa del vapore acqueo e delle nuvole ed infine , non essendo la terra un corpo nero, parte della radiazione incidente viene riflessa in dipendenza del colore della superficie e della intensità del colore stesso.

E’ evidente comunque che i processi vitali nel nostro pianeta sono fortemente dipendenti dalle variazioni stagionali derivate dalla entità dell’irraggiamento solare, ma è altrettanto importante la disposizione e la dimensione delle terre emerse in rapporto alle superfici marine che costituiscono il 71% della superficie della terra e che determinano la disponibilità dell’acqua.

Le diverse conformazioni territoriali, la latitudine e la diversa capacità termica dei terreni rispetto alle superfici degli oceani comportano forti differenze sul riscaldamento terrestre che danno origine a vari moti convettivi dell’atmosfera che determinano le condizioni climatiche e la concentrazione dell’acqua nell’atmosfera.


FIGURA 3

Il calore accumulato durante il giorno inizia a disperdersi durante la notte attraverso un processo di emissione radiativa che in analogia con la emissione solare viene definito emissione del corpo nero. Il significato fisico di questo processo che è un processo ideale risiede nel fatto che la popolazione di livelli energetici molecolari sia elettronici che vibrazionali e rotazionali può avvenire non solo tramite assorbimento della radiazione elettromagnetica ma anche per effetto di trasferimenti di energia termica dovuto alla cessione di energia cinetica tramite urti tra le molecole, in pratica, la popolazione di questi livelli dipende dalla temperature dell’ambiente in cui si trovano queste molecole e la forma della emissione di queste molecole segue una legge teorica e viene rappresentata come emissione di un corpo nero.(vedi figura accanto.)


L’emissione del sole segue abbastanza fedelmente questa legge e dalla forma della curva si può estrapolare la sua temperatura, ma un corpo nero è classificato come un corpo che emette tutta la energia che assorbe e la terra in cui abitiamo non può sicuramente essere classificata come un corpo nero per diverse ragioni tra cui le più importanti sono: 1) Parte della energia luminosa proveniente dal sole viene trasformata in energia chimica tramite il processo della fotosintesi. 2) parte della energia viene assorbita ma parte di essa viene riflessa , basta guardare una foto del nostro pianeta presa dai satelliti orbitanti intorno alla terra, 3) mentre nel corpo nero abbiamo una distribuzione continua di livelli elettronici all’interno del materiale come ad esempio in un metallo conduttore ad alta temperature (lampada ad incandescenza), sulla superficie terrestre abbiamo cristalli e molecole che hanno una ditribuzione discreta dei livelli elettronici dovuta alla formazione di legami chimici e che quindi possono emettere radiativamente solo a determinate frequenze.