Uno studio condotto da ricercatori dell'Università di Chicago, della Rice University e del California Institute of Technology getta nuova luce sul delicato equilibrio dei cicli biogeochimici che mantengono la Terra temperata, idratata e prospera.

Il ciclo degli elementi tra oceani, atmosfera e terra gioca un ruolo nel mantenere stabile il clima, ma è così complesso che gli scienziati in genere isolano parti del tutto per cercare di comprenderne meglio il funzionamento. Tuttavia, un nuovo studio, pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences il 13 marzo, offre un approccio diverso.

I ricercatori offrono invece un punto di vista ampio e semplificato, utilizzando una nuova serie di strumenti matematici per illuminare le relazioni tra i diversi cicli chimici che in precedenza erano difficili da individuare.

"Il nostro approccio fornisce un nuovo modo per identificare gli elementi fondamentali della stabilità nei componenti chimici del clima terrestre:i modi sottostanti in cui il clima può essere stabilizzato nel corso del tempo geologico a causa del movimento degli elementi attraverso l'oceano, l'atmosfera e le rocce. serbatoi", ha detto Preston Cosslett Kemeny, un ricercatore post-dottorato del TC Chamberlain dell'UChicago e primo autore dell'articolo.

"Questo è un modo elegante e semplificato di pensare a un problema enorme, che organizza molte ricerche precedenti sui cicli elementari in pacchetti di reazioni chimiche che possono essere bilanciate e comprese", ha affermato l'UChicago Asst. Prof. Clara Blättler, autrice senior dell'articolo.

Cicli e clima

Spesso diamo per scontato che il pianeta Terra abbia ospitato una vita complessa per centinaia di milioni di anni. Ma questa stabilità non era certamente garantita:basta guardare Marte e Venere, che si sono formati più o meno dagli stessi materiali della Terra, ma che attualmente non supportano nemmeno l’acqua liquida. Qual è il segreto della Terra?

Un aspetto chiave è il ciclo chimico. Elementi come il carbonio, lo zolfo e il calcio si spostano tra la terra, l'oceano e l'atmosfera in modi che hanno mantenuto le condizioni sulla superficie terrestre relativamente stabili per centinaia di milioni di anni.

Ad esempio, gli scienziati ritengono che le temperature del pianeta siano in parte mantenute dal graduale spostamento del carbonio avanti e indietro tra l’oceano, l’atmosfera e la terra. Quando l’anidride carbonica si accumula nell’atmosfera e riscalda la superficie, provoca la disgregazione delle rocce più velocemente, spostando il carbonio nell’oceano e successivamente nelle rocce sul fondo del mare. Nel corso di milioni di anni, il pianeta si raffredda gradualmente man mano che il carbonio viene risucchiato dall'atmosfera.

Districare questi cicli è stato il lavoro di decenni. È una sfida perché i cicli durano milioni di anni, cambiano continuamente, si svolgono su tutto il globo e interagiscono costantemente tra loro. È così complesso che gli scienziati spesso esaminano solo parti dell'intero quadro, in genere considerando un numero limitato di cicli di elementi o un piccolo sottoinsieme delle loro interazioni. Ma quando mancano i pezzi del puzzle, i ricercatori devono fare delle ipotesi per colmare le lacune.

Kemeny si chiedeva se lavorare in questo modo potesse tendere a offuscare il quadro generale di come le interazioni biogeochimiche danno origine alla stabilità planetaria.

Lui, insieme a Blättler, Mark Torres della Rice University e Woodward Fischer del Caltech, hanno fatto un passo indietro. Hanno eseguito un'analisi matematica in cui hanno considerato un'ampia gamma di reazioni chimiche che comprendono i principali cicli chimici, ma non hanno specificato come o quanto i cicli interagissero tra loro.

Il risultato è un quadro che identifica tutte le combinazioni maggiori e minori di reazioni che bilanciano il ciclo del carbonio terrestre e le loro relazioni reciproche, qualcosa che mancava nel campo. Visto in questo modo, il clima della Terra può essere rappresentato da una serie di equazioni chimiche interconnesse che devono bilanciarsi in determinati periodi di tempo.

Gli autori hanno affermato che il loro lavoro è utile poiché gli scienziati continuano a studiare la storia della Terra e come il clima è cambiato nel tempo.

"Ad esempio, supponiamo che tu stia considerando un'ipotesi sul perché il clima è cambiato in passato, come il grande raffreddamento degli ultimi 65 milioni di anni", ha detto Kemeny. "Puoi prendere questo quadro e usarlo per dire, beh, se il processo X aumentasse o diminuisse, allora avrebbe dovuto causare anche Y, o avrebbe dovuto essere bilanciato da Z, e che devi tenere conto di questi risultati... quindi con questa previsione possiamo cercare prove del funzionamento congiunto dell'intero sistema geochimico."

Altre relazioni tra i cicli chimici possono diventare visibili se osservate a volo d'uccello. "Ad esempio, questa analisi ha identificato un nuovo modo per bilanciare i flussi di carbonio nel sistema oceano-atmosfera accumulando ossigeno atmosferico", ha affermato Kemeny.

Nel complesso, "Speriamo che sia un modo meraviglioso per aiutare a comprendere tutte le sostanze chimiche coinvolte nel rendere la Terra un luogo sicuro in cui la vita possa evolversi", ha affermato Blättler.