Negli ultimi 540 milioni di anni, la Terra ha subito cinque estinzioni di massa, ciascuno coinvolge processi che hanno sconvolto il normale ciclo del carbonio attraverso l'atmosfera e gli oceani. Queste perturbazioni globalmente fatali nel carbonio si sono sviluppate ciascuna nel corso di migliaia o milioni di anni, e coincidono con il diffuso sterminio delle specie marine in tutto il mondo.

La domanda per molti scienziati è se il ciclo del carbonio stia ora vivendo una scossa significativa che potrebbe portare il pianeta verso una sesta estinzione di massa. In epoca moderna, le emissioni di anidride carbonica sono aumentate costantemente dal 19° secolo, ma decifrare se questo recente picco di carbonio potrebbe portare all'estinzione di massa è stato difficile. Questo principalmente perché è difficile mettere in relazione le antiche anomalie del carbonio, che si verificano da migliaia a milioni di anni, ai disagi di oggi, che hanno avuto luogo in poco più di un secolo.

Ora Daniel Rothman, professore di geofisica presso il Dipartimento della Terra del MIT, Scienze atmosferiche e planetarie e co-direttore del Lorenz Center del MIT, ha analizzato cambiamenti significativi nel ciclo del carbonio negli ultimi 540 milioni di anni, compresi i cinque eventi di estinzione di massa. Ha individuato "soglie di catastrofe" nel ciclo del carbonio che, se superato, porterebbe a un ambiente instabile, e alla fine, estinzione di massa.

In un articolo pubblicato su Progressi scientifici , propone che l'estinzione di massa si verifichi se viene superata una delle due soglie:per i cambiamenti nel ciclo del carbonio che si verificano su lunghi tempi, le estinzioni seguiranno se tali cambiamenti si verificheranno a ritmi più rapidi di quanto gli ecosistemi globali possano adattarsi. Per le perturbazioni del carbonio che si verificano in tempi più brevi, il ritmo dei cambiamenti del ciclo del carbonio non avrà importanza; Invece, la dimensione o l'entità del cambiamento determinerà la probabilità di un evento di estinzione.

Portando avanti nel tempo questo ragionamento, Rothman prevede che, dato il recente aumento delle emissioni di anidride carbonica in un lasso di tempo relativamente breve, una sesta estinzione dipenderà dall'aggiunta o meno di una quantità critica di carbonio agli oceani. Tale importo, lui calcola, è di circa 310 gigatonnellate, che stima essere approssimativamente equivalente alla quantità di carbonio che le attività umane avranno aggiunto agli oceani del mondo entro l'anno 2100.

Questo significa che l'estinzione di massa seguirà presto all'inizio del secolo? Rothman dice che ci vorrà del tempo, circa 10, 000 anni, perché si verificassero tali disastri ecologici. Però, dice che entro il 2100 il mondo potrebbe essersi spostato in un "territorio sconosciuto".

"Questo non vuol dire che il disastro accada il giorno dopo, " Dice Rothman. "Sta dicendo che, se lasciato deselezionato, il ciclo del carbonio si sposterebbe in un regno che non sarebbe più stabile, e si comporterebbe in un modo che sarebbe difficile prevedere. Nel passato geologico, questo tipo di comportamento è associato all'estinzione di massa".

La storia segue la teoria

Rothman aveva precedentemente lavorato sull'estinzione di fine Permiano, l'estinzione più grave nella storia della Terra, in cui un massiccio impulso di carbonio attraverso il sistema terrestre è stato coinvolto nell'eliminazione di oltre il 95 percento delle specie marine in tutto il mondo. Da allora, le conversazioni con i colleghi lo hanno spinto a considerare la probabilità di una sesta estinzione, sollevando una domanda essenziale:

"Come puoi davvero confrontare questi grandi eventi nel passato geologico, che si verificano in tempi così vasti, a quello che sta succedendo oggi, che è secoli al massimo?" dice Rothman. "Così mi sono seduto un giorno d'estate e ho cercato di pensare a come si potrebbe procedere in questo modo sistematicamente".

Alla fine ha derivato una semplice formula matematica basata su principi fisici di base che mette in relazione il tasso critico e l'entità del cambiamento nel ciclo del carbonio alla scala temporale che separa il cambiamento veloce da quello lento. Ha ipotizzato che questa formula dovrebbe prevedere se l'estinzione di massa, o qualche altro tipo di catastrofe globale, dovrebbe verificarsi.

Rothman ha poi chiesto se la storia ha seguito la sua ipotesi. Cercando tra centinaia di articoli geochimici pubblicati, ha identificato 31 eventi negli ultimi 542 milioni di anni in cui si è verificato un cambiamento significativo nel ciclo del carbonio della Terra. Per ogni evento, comprese le cinque estinzioni di massa, Rothman ha notato il cambiamento nel carbonio, espresso nella documentazione geochimica come un cambiamento nell'abbondanza relativa di due isotopi, carbonio-12 e carbonio-13. Ha anche notato la durata del tempo durante il quale si sono verificati i cambiamenti.

Ha quindi ideato una trasformazione matematica per convertire queste quantità nella massa totale di carbonio che è stata aggiunta agli oceani durante ogni evento. Finalmente, ha tracciato sia la massa che la scala temporale di ciascun evento.

"È diventato evidente che c'era un tasso caratteristico di cambiamento che il sistema fondamentalmente non amava superare, "dice Rothman.

In altre parole, ha osservato una soglia comune sotto la quale la maggior parte dei 31 eventi sembrava rimanere. Sebbene questi eventi abbiano comportato cambiamenti significativi nel carbonio, erano relativamente benigni, non abbastanza da destabilizzare il sistema verso la catastrofe. In contrasto, quattro dei cinque eventi di estinzione di massa si sono verificati oltre la soglia, con la più grave estinzione di fine Permiano essendo la più lontana oltre la linea.

"Poi si è trattato di capire cosa significasse, "dice Rothman.

Una perdita nascosta

Dopo ulteriori analisi, Rothman ha scoperto che il tasso critico di catastrofe è correlato a un processo nascosto all'interno del ciclo naturale del carbonio della Terra. Il ciclo è essenzialmente un ciclo tra la fotosintesi e la respirazione. Normalmente, c'è una "perdita" nel ciclo, in cui una piccola quantità di carbonio organico si deposita sul fondo dell'oceano e, col tempo, è sepolto come sedimento e sequestrato dal resto del ciclo del carbonio.

Rothman ha scoperto che il tasso critico era equivalente al tasso di produzione eccessiva di anidride carbonica che risulterebbe dall'ostruzione della perdita. Qualsiasi ulteriore anidride carbonica iniettata nel ciclo non può essere descritta dal ciclo stesso. Uno o più altri processi avrebbero invece portato il ciclo del carbonio in un territorio instabile.

Ha quindi stabilito che il tasso critico si applica solo oltre la scala temporale in cui il ciclo del carbonio marino può ristabilire il suo equilibrio dopo essere stato disturbato. Oggi, questo lasso di tempo è di circa 10, 000 anni. Per eventi molto più brevi, la soglia critica non è più legata alla velocità con cui il carbonio viene aggiunto agli oceani ma invece alla massa totale del carbonio. Entrambi gli scenari lascerebbero un eccesso di carbonio in circolazione negli oceani e nell'atmosfera, probabilmente con conseguente riscaldamento globale e acidificazione degli oceani.

Il secolo è il limite

Dal tasso critico e dalla scala temporale di equilibrio, Rothman ha calcolato che la massa critica di carbonio per i giorni nostri è di circa 310 gigatonnellate.

Ha quindi confrontato la sua previsione con la quantità totale di carbonio aggiunta agli oceani della Terra entro l'anno 2100, come previsto nel più recente rapporto del Gruppo intergovernativo di esperti sui cambiamenti climatici. Le proiezioni IPCC considerano quattro possibili percorsi per le emissioni di anidride carbonica, che vanno da quello associato a politiche rigorose per limitare le emissioni di anidride carbonica, ad un altro relativo all'ampia gamma di scenari senza limitazioni.

Lo scenario migliore prevede che gli esseri umani aggiungeranno 300 gigatonnellate di carbonio agli oceani entro il 2100, mentre nello scenario peggiore verranno aggiunti più di 500 gigatonnellate, supera di gran lunga la soglia critica. In tutti gli scenari, Rothman mostra che entro il 2100, il ciclo del carbonio sarà vicino o ben oltre la soglia della catastrofe.

"Ci dovrebbero essere modi per ridurre [le emissioni di anidride carbonica], " dice Rothman. "Ma questo lavoro indica i motivi per cui dobbiamo stare attenti, e dà più ragioni per studiare il passato per informare il presente."