Hydrological Controls on Carbonate mediated CO₂ Consumption (Hydro4C)
Progetti
Progetti di Rilevante Interesse Nazionale, PRIN2022 – CUP B53D23007410006, European Union – Next Generation EU
Referente interno: Ivan Marchesini
Email: ivan.marchesini@cnr.it
Progetto 2022PFNNRS_PE10_PRIN2022 – PNRR M4.C2.1.1 – Finanziato dall’Unione europea – Next Generation EU – CUP: B93C22002120001
Il carbonio migra continuamente tra oceani, atmosfera, ecosistemi e geosfera ([1,2]). L’alterazione chimica dei minerali carbonatici e silicatici, che consuma CO₂ atmosferica arricchendo il carico disciolto delle acque, rappresenta un importante sink di CO₂ atmosferica. Considerando la scala temporale dei fenomeni, inferiore o superiore a 1 milione di anni, si distingue il ciclo del carbonio a breve termine da quello a lungo termine (si veda ad esempio [3,4]). Nel breve termine il carbonio viene scambiato all’interno dei sistemi superficiali, cioè oceani, biosfera, suolo e atmosfera, includendo anche la produzione antropica di CO₂, mentre nel lungo termine lo scambio avviene tra geosfera e sistema oceano atmosfera.
Poiché i soluti prodotti dall’alterazione chimica arricchiscono il carico disciolto fluviale, la composizione delle acque dei fiumi può essere considerata un buon indicatore dei processi di alterazione chimica ([5–9]). Assumendo che nei bacini idrografici le uniche reazioni rilevanti siano la dissoluzione di silicati e carbonati per alterazione chimica, conoscendo il carico disciolto, il deflusso e la litologia, è possibile calcolare la quantità di CO₂ atmosferica consumata dall’alterazione chimica (si veda ad esempio [3,4,6–11]). Questo approccio considera come fattori di primo ordine che controllano l’alterazione chimica la litologia e il deflusso, mentre tra i fattori di secondo ordine rientrano: i) il percorso idrologico e la stagionalità, ii) la temperatura, iii) l’erosione meccanica, iv) la copertura del suolo (si veda ad esempio [7] e riferimenti ivi citati).
Tra i fattori di primo ordine, come evidenziato ad esempio da [3,4,10,11], le carte geologiche forniscono spesso informazioni limitate sulla natura chimica e fisica delle rocce. Questa carenza è particolarmente problematica per rocce sedimentarie e metamorfiche, generando incertezze nella stima della CO₂ atmosferica consumata dall’alterazione chimica [3]. Inoltre, le carte litologiche utilizzate per tali stime non considerano l’uso del suolo e i processi pedologici correlati ([3,4,6–12]).
Per quanto riguarda i fattori di secondo ordine, la relazione tra carico disciolto e portata fluviale è stata analizzata da [13,14], evidenziando che la variazione delle concentrazioni ioniche è generalmente molto inferiore rispetto alla variazione della portata. Questo comportamento è stato definito chemostatico. Secondo [13], quantificare tali correlazioni in diversi bacini fluviali può contribuire a comprendere meglio gli scenari di concentrazione di CO₂ atmosferica nella prospettiva del cambiamento climatico.
La correlazione tra erosione e alterazione chimica è stata indagata da numerosi autori ([15–19]), i quali hanno evidenziato come l’orogenesi, intensificando sia l’alterazione fisica sia quella chimica, possa svolgere un ruolo chiave nel ciclo globale del carbonio. Come sottolineato da [20], circa il 40% della denudazione chimica globale si verifica nel 10% più ripido della superficie terrestre. Le regioni montuose sembrano quindi esercitare un’influenza rilevante sui processi di consumo di CO₂ atmosferica.
Inoltre, [21] evidenzia l’importanza di distinguere tra alterazione di carbonati e di silicati nella valutazione del drawdown di CO₂, poiché tassi elevati di erosione sembrano aumentare la proporzione di soluti provenienti da fonti carbonatiche. Studi recenti suggeriscono che il ruolo dell’alterazione dei carbonati nel ciclo globale del carbonio non può essere trascurato su scale temporali brevi, poiché la rapida cinetica di dissoluzione dei carbonati rende questo processo particolarmente sensibile alle perturbazioni ambientali ([22]). Il tasso di alterazione dei minerali carbonatici è approssimativamente 10–20 volte superiore rispetto a quello dei silicati ([5,23]), con un maggiore potenziale di rimozione di CO₂ nel breve termine. Questo implica che, nell’Antropocene, l’alterazione dei carbonati possa avere un ruolo più significativo rispetto a quella dei silicati nel controllo del ciclo globale del carbonio ([22,24]).
In questa prospettiva, risulta particolarmente interessante indagare il ruolo nel ciclo globale del carbonio di litologie miste carbonatiche o non puramente silicatiche, in cui la componente carbonatica non è dominante ma comunque non trascurabile (si veda ad esempio [3–9]). Molti autori concordano nell’indicare che anche piccole percentuali di minerali carbonatici all’interno di litotipi misti possono governare la maggior parte delle reazioni di alterazione chimica, determinando un comportamento simile a quello di litologie interamente carbonatiche, almeno nel breve termine ([3,4,6,7]).
Il progetto Hydro4C si propone di migliorare la comprensione e la quantificazione dei meccanismi idrologici che regolano lo scambio di CO₂ tra atmosfera e rocce nei bacini mediterranei. In particolare, il progetto affronta due questioni fondamentali:
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Nel breve termine, esiste una differenza significativa nel consumo di CO₂ tra bacini caratterizzati da litologie sedimentarie miste e bacini a litologia puramente carbonatica?
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In quale misura il consumo di CO₂ atmosferica è guidato da processi controllati dall’idrologia, quali l’erosione e il flusso di acque sotterranee?
