Gli scienziati quantificano lo sfiato globale di CO2 vulcanico; stimano il carbonio totale sulla Terra

• Gli scienziati aggiornano le stime degli immensi serbatoi interni di carbonio della Terra, e quanto carbonio la Terra profonda inghiotte ed esala naturalmente;
• 10 anni di studi sulla Terra profonda avanzano la conoscenza, delineano i limiti;
• I vulcani inviano avvisi chimici giorni prima di eruttare?
• Catastrofi di carbonio: La Terra ne ha già viste alcune; non finiscono bene per la vita

I vulcani, la collisione e la diffusione delle placche continentali e oceaniche, e altri fenomeni ri-studiati con innovativi strumenti high-tech, forniscono nuove importanti intuizioni sul funzionamento più interno della Terra, dicono gli scienziati.

Preparandosi a riassumere e celebrare il programma decennale del Deep Carbon Observatory alla National Academy of Sciences, Washington DC, dal 24 al 26 ottobre, il team di 500 membri del DCO Reservoirs and Fluxes ha delineato oggi diversi risultati chiave che spaziano dal presente ai miliardi di anni passati; dal nucleo della Terra alla sua atmosfera, e nelle dimensioni da singoli vulcani ai cinque continenti.

Tra i molti risultati di ampio respiro, delineati e riassunti in una serie di articoli pubblicati sulla rivista Elements:

• Solo due decimi dell’1% del carbonio totale della Terra – circa 43.500 gigatonnellate (Gt) – è in superficie negli oceani, sulla terra e nell’atmosfera. Il resto è nel sottosuolo, compresa la crosta, il mantello e il nucleo – una stima di 1,85 miliardi di Gt in tutto
• Il CO2 rilasciato oggi nell’atmosfera e negli oceani dai vulcani e da altre regioni magmaticamente attive è stimato in 280 – 360 milioni di tonnellate (0,28 – 0,36 Gt) all’anno, compreso quello rilasciato negli oceani dalle dorsali medio-oceaniche
• Le emissioni annuali di carbonio dell’umanità attraverso la combustione di combustibili fossili e foreste, ecc, sono da 40 a 100 volte maggiori di tutte le emissioni vulcaniche
• Il ciclo profondo del carbonio della Terra nel tempo profondo rivela una stabilità equilibrata e a lungo termine della CO2 atmosferica, punteggiata da grandi perturbazioni, tra cui immensi, catastrofici rilasci di magma che si sono verificati almeno cinque volte negli ultimi 500 milioni di anni. Durante questi eventi, enormi volumi di carbonio sono stati degassati, portando ad un’atmosfera più calda, oceani acidificati. ed estinzioni di massa
• Similmente, un gigantesco impatto meteorico di 66 milioni di anni fa, il colpo del bolide Chicxulub sulla penisola messicana dello Yucatan, ha rilasciato tra 425 e 1.400 Gt di CO2, ha rapidamente riscaldato il pianeta e ha coinciso con l’estinzione di massa (>75%) di piante e animali – compresi i dinosauri. Negli ultimi 100 anni, le emissioni da attività antropogeniche come la combustione di combustibili fossili sono state da 40 a 100 volte maggiori delle emissioni geologiche di carbonio del nostro pianeta
• Un cambiamento nella composizione dei gas vulcanici da biossido di zolfo (SO2) puzzolente (simile a fiammiferi bruciati) a un gas più ricco di CO2 inodore e incolore può essere fiutato da stazioni di monitoraggio o droni per avvisare di un’eruzione – a volte ore, a volte mesi in anticipo. I sistemi di allarme precoce delle eruzioni con monitoraggio in tempo reale si stanno muovendo per sfruttare la scoperta del rapporto tra CO2 e SO2, riconosciuta con certezza per la prima volta nel 2014

Dice lo scienziato del DCO Marie Edmonds dell’Università di Cambridge, Regno Unito: “Il carbonio, la base di tutta la vita e la fonte di energia vitale per l’umanità, si muove attraverso questo pianeta dal suo mantello all’atmosfera. Per assicurare un futuro sostenibile, è della massima importanza comprendere l’intero ciclo del carbonio sulla Terra.”

“La chiave per svelare il ciclo naturale del carbonio del pianeta è quantificare quanto carbonio c’è e dove, quanto si muove – il flusso – e quanto velocemente, dai serbatoi della Terra profonda alla superficie e viceversa.”

Aggiunge il collega Tobias Fischer dell’Università del New Mexico, USA: “Il Deep Carbon Observatory ha avanzato la comprensione del funzionamento interno della Terra. Il suo corpo collettivo di più di 1500 pubblicazioni non solo ha aumentato ciò che è noto, ma ha stabilito i limiti di ciò che è conoscibile, e forse inconoscibile.”

“Mentre celebriamo il progresso, sottolineiamo che la Terra profonda rimane una frontiera scientifica altamente imprevedibile; abbiamo davvero solo iniziato a intaccare gli attuali confini della nostra conoscenza.”

Quanto carbonio contiene la Terra?

Gli scienziati sanno da tempo che il carbonio all’interno della Terra esiste come una serie di solidi, fluidi e gas. Alcuni di questi materiali comportano combinazioni di carbonio con l’ossigeno (per esempio l’anidride carbonica), con il ferro (per esempio i carburi), con l’idrogeno (per esempio il cherogene, il carbone, il petrolio e il metano) e con altri elementi (per esempio il silicio, lo zolfo e l’azoto), oltre al carbonio elementare (per esempio la grafite e il diamante).

Gli scienziati del Deep Carbon Observatory sottolineano che la conoscenza del carbonio totale nel mantello inferiore e nel nucleo è ancora speculativa e i numeri sono sicuri di evolvere nella precisione man mano che la ricerca continua. Detto questo, gli esperti (in particolare Lee et al., 2019) stimano i serbatoi di carbonio sulla Terra come segue:

Con i numeri: Migliori stime attuali, carbonio sulla Terra

1,85 miliardi di gigatonnellate (1,85 x 1 miliardo x 1 miliardo di tonnellate): Carbonio totale sulla Terra

Ripartizione:

• 1.845.000.000 (1,845 miliardi) Gt: carbonio totale sotto la superficie
• 1.500.000.000 (1,5 miliardi) Gt: Carbonio nel mantello inferiore:
• 315.000.000 (0,315 miliardi) Gt: Carbonio nella litosfera continentale e oceanica
• 30.000.000 (0,03 miliardi) Gt: Carbonio nel mantello superiore

• 43.500 Gt: carbonio totale sopra la superficie — negli oceani, sulla terra e nell’atmosfera (2/10 di 1% del carbonio totale della Terra)
• 37.000 Gt: Carbonio nelle profondità oceaniche (85,1% di tutto il carbonio in superficie)
• 3.000 Gt: Carbonio nei sedimenti marini (6,9%)
• 2.000 Gt: Carbonio nella biosfera terrestre (4,6%)
• 900 Gt di carbonio nell’oceano superficiale (2%)
• 590 Gt: Carbonio nell’atmosfera (1,4%)

Rilascio di CO2 dai vulcani

Il totale annuo di CO2 emesso dalla Terra attraverso i vulcani e attraverso altri processi geologici come il riscaldamento del calcare nelle catene montuose è recentemente stimato dagli esperti del DCO in circa 300-400 milioni di tonnellate metriche (0.I vulcani e le regioni vulcaniche da soli producono circa 280-360 milioni di tonnellate di CO2 all’anno (da 0,28 a 0,36 Gt). Questo include il contributo di CO2 dalle bocche vulcaniche attive, dal diffuso rilascio di CO2 attraverso i suoli, le faglie e le fratture nelle regioni vulcaniche, i laghi vulcanici, e dal sistema della dorsale medio-oceanica.

In molte regioni del mondo, il degassamento tettonico (emissioni dalle fasce montane e da altri confini di placca), in particolare a temperature notturne fresche, può causare pericolosi livelli di CO2 vicino al suolo – abbastanza da soffocare il bestiame.

Secondo i ricercatori del DCO, con rare eccezioni, in milioni di anni la quantità di carbonio rilasciata dal mantello terrestre è stata in relativo equilibrio con la quantità restituita attraverso la subduzione verso il basso delle placche tettoniche e altri processi.

Catastrofi di carbonio

Mentre il volume di carbonio sepolto attraverso la subduzione e quello rilasciato dai vulcani e dalle fratture tettoniche sono normalmente in equilibrio, circa quattro volte negli ultimi 500 milioni di anni questo equilibrio è stato sconvolto dall’emergere di grandi eventi vulcanici – 1 milione o più chilometri quadrati (l’area del Canada) di magma rilasciato in un arco di tempo di poche decine di migliaia di anni fino a 1 milione di anni.

Queste “grandi province ignee” hanno degassato enormi volumi di carbonio (stimati fino a 30.000 Gt – pari a circa il 70% delle stimate 43.500 Gt di carbonio oggi in superficie).

Lo squilibrio del ciclo del carbonio può causare un rapido riscaldamento globale, cambiamenti nel tasso di erosione dei silicati, cambiamenti nel ciclo idrologico, e in generale rapidi cambiamenti di habitat che possono causare estinzioni di massa mentre la Terra si riequilibra.

Catastrofi di carbonio simili sono state causate da asteroidi / meteore (bolidi), come il massiccio impatto di Chixculub nella zona dello Yucatan in America centrale 65 milioni di anni fa – un evento a cui è stata attribuita l’estinzione dei dinosauri e della maggior parte delle altre piante e animali del tempo.

Secondo i ricercatori australiani Balz Kamber e Joseph Petrus: “L’evento Chicxulub … ha notevolmente sconvolto il bilancio dei gas clima-attivi nell’atmosfera, portando a un brusco raffreddamento a breve termine e a un forte riscaldamento a medio termine.”

“Quindi, alcuni grandi impatti di bolide sono paragonabili a quelli osservati nell’Antropocene in termini di rapida interruzione del ciclo del C (carbonio) e potenzialmente superiori a una dimensione critica di perturbazione.”

Cablare i vulcani

Gli esperti del DCO stimano che circa 400 dei 1500 vulcani attivi dall’ultima era glaciale, 11.700 anni fa, stanno oggi rilasciando CO2. Altri 670 potrebbero produrre emissioni diffuse, con 102 già documentate. Di questi, 22 antichi vulcani che non hanno eruttato dall’epoca del Pleistocene (2,5 milioni di anni fa all’era glaciale) stanno degassando. Quindi tutti i vulcani, quelli giovani e quelli molto vecchi, potrebbero emettere CO2.

Oggi i tassi di emissione di CO2, anidride solforosa e idrogeno solforato sono quantificati per molti dei vulcani più attivi del mondo, grazie anche allo sviluppo di strumenti miniaturizzati, resistenti e poco costosi.

E diversi vulcani sono stati cablati con stazioni permanenti di monitoraggio dei gas per ottenere letture di dati in tempo reale, migliorando il monitoraggio da parte di governi e università negli USA, in Italia, in Costa Rica e altrove. Ora esistono circa 30 stazioni di monitoraggio dei gas sui vulcani dei cinque continenti, che controllano continuamente le emissioni.

Pionieri degli scienziati del sottogruppo DECADE (Deep Earth Carbon DEgassing) di DCO, le tecnologie e le installazioni hanno contribuito a rivoluzionare la raccolta dei dati in luoghi vulcanici inaccessibili o pericolosi. I dati ottenuti sono combinati con le letture di sistemi terrestri e satellitari di lunga data.

Recenti ricerche hanno rivelato il numero di vulcani che si pensa stiano emettendo quantità misurabili di CO2 oggi. Stimati in 150 nel 2013, i ricercatori del DECADE confermano che più di 200 sistemi vulcanici hanno emesso volumi misurabili di CO2 tra gli anni 2005 e 2017. Di questi, diverse super-regioni di degassamento diffuso sono state documentate (ad esempio, Yellowstone, USA, l’East African Rift, Africa, e la provincia vulcanica Technong in Cina, per citarne alcuni). Il degassamento diffuso è ora riconosciuto come una fonte di CO2 paragonabile alle bocche vulcaniche attive.

Tra le eredità del DCO: un nuovo database (http://www.magadb.net) per raccogliere informazioni sui flussi di CO2 da fonti vulcaniche e non vulcaniche in tutto il mondo.

Sussurri vulcanici: I cambiamenti nel rapporto tra SO2 e CO2 possono preannunciare le eruzioni

La ricerca in un numero crescente di vulcani ben monitorati in tutto il mondo ha fornito nuove importanti informazioni sulla tempistica delle eruzioni in relazione alla composizione del degassamento vulcanico.

Il monitoraggio annuale in cinque vulcani ha rivelato che il livello di anidride carbonica rispetto all’anidride solforosa nei gas vulcanici cambia sistematicamente nelle ore e nei mesi precedenti un’eruzione. I vulcani in cui tali modelli sono stati documentati includono Poas (Costa Rica), Etna e Stromboli (Italia), Villarica (Cile), e Masaya (Nicaragua). (Vedi anche http://bit.ly/2Ssk2UN).

Allo stesso modo il rapporto tra CO2 e SO2 è cambiato drammaticamente da mesi ad anni prima delle grandi eruzioni al Kilauea (Hawaii) e al vulcano Redoubt (Alaska), negli Stati Uniti, suggerendo che il monitoraggio della composizione del gas, spesso in pennacchi invisibili, offre un nuovo strumento di previsione delle eruzioni che, in alcuni casi, precede l’aumento della sismicità del vulcano o la deformazione del terreno.

“Il carbonio, il sesto elemento, gioca ruoli unici nel nostro pianeta dinamico e in evoluzione. Fornisce la base chimica per la vita, serve come fonte primaria del nostro fabbisogno energetico, ispira una serie di nuovi materiali notevoli, e gioca un ruolo sproporzionato nel clima e nell’ambiente incerto e mutevole della Terra. Questi aspetti sfaccettati del carbonio hanno ispirato decenni di ricerca intensiva, la maggior parte della quale si è concentrata sul ciclo del carbonio vicino alla superficie – gli oceani, l’atmosfera e la biosfera che mostrano rapidi cambiamenti e che sono maggiormente influenzati dalle attività umane. La ricerca sul carbonio profondo ha una visione globale e a lungo termine, considerando il 90% del carbonio terrestre che è nascosto alla vista nell’interno del pianeta. Esploriamo le forme, le quantità, i movimenti e le origini del carbonio sequestrato nel nucleo inaccessibile della Terra, che cicla nel mantello profondo, reagisce nei fluidi profondi e si annida in un’affascinante biosfera subsuperficiale. Non possiamo capire il carbonio sulla Terra – non possiamo contestualizzare il mutevole mondo di superficie – senza la base necessaria fornita dalla ricerca sul carbonio profondo.”
– Robert H. Hazen, direttore esecutivo, Deep Carbon Observatory; Senior Staff Scientist, Carnegie Institution’s Geophysical Laboratory; Autore: Symphony in C, Carbon and the Evolution of (Almost) Everything

“Per miliardi di anni, la Terra sembra aver trovato un equilibrio tra il carbonio subdotto in profondità nell’interno e quello emesso dai vulcani – processi che aiutano a stabilizzare il clima e l’ambiente. Ma quanto è stabile questo incessante ciclismo? Nessuna legge naturale richiede che la quantità di carbonio che scende verso il basso … debba essere esattamente uguale al carbonio riportato in superficie dai vulcani e da altri mezzi meno violenti. Nessuna questione è più centrale per il Deep Carbon Observatory di questo equilibrio tra ciò che va giù e ciò che torna su.”
– Cin-Ty Lee, Rice University, USA

“La Terra è unica tra i pianeti del nostro sistema solare in quanto ha acqua liquida in superficie, favorisce la vita e ha una tettonica a placche attiva. L’identificazione di tutti i collegamenti tra questi fenomeni è un passo importante nella ricerca continua dell’umanità per capire le origini dell’abitabilità della Terra. Un dato certo, tuttavia, è che il carbonio gioca un ruolo fondamentale. Per esempio, l’ambiente clemente della Terra è legato alla chimica dell’atmosfera, che è abbastanza calda da stabilizzare l’acqua liquida sulla sua superficie ma abbastanza fredda da permettere la tettonica a placche, ed è un fatto incontrovertibile che il contenuto di carbonio della nostra atmosfera e degli oceani sono direttamente collegati al clima della Terra”
– Sami Mikhail, Università di St Andrews, U.

” I risultati importanti di DCO sono modelli di stato stazionario con nuovi dati potenti per valutare i flussi contemporanei tra i serbatoi di carbonio nella Terra profonda e i loro effetti su tutto, dall’evoluzione della vita all’aria che respiriamo. Armati di questa comprensione, possiamo valutare meglio le perturbazioni o le non linearità del sistema Terra nel tempo profondo.”
– Celina Suarez, Università dell’Arkansas, USA

“Abbiamo ottenuto un quadro molto più completo del degassamento vulcanico dell’anidride carbonica sulla Terra, rafforzando l’importanza dei vulcani attivi, ma scoprendo che il sottile rilascio su grandi province idrotermali e aree di rifting continentale sono anche regioni dominanti del degassamento planetario.”
– Cynthia Werner, contrattista, United States Geological Survey

Appendice:

Deep Carbon 2019: Launching the Next Decade of Deep Carbon Science

24-26 ottobre, U.S. National Academy of Sciences a Washington, DC

Le quattro comunità del Deep Carbon Observatory:

Risorse e flussi

Obiettivi decadali

• Stabilire flussi di informazioni continue e ad accesso aperto sull’emissione di gas vulcanici e sull’attività correlata.
• Determinare le forme chimiche e la distribuzione del carbonio nell’interno più profondo della Terra.
• Determinare il bilancio del carbonio sul fondo del mare e i tassi globali di ingresso del carbonio nelle zone di subduzione.
• Stimare la direzione netta e la grandezza dei flussi tettonici di carbonio dal mantello e dalla crosta all’atmosfera.
• Sviluppare un robusto modello globale del ciclo del carbonio nel tempo profondo, compresa la Terra primordiale, e la coevoluzione della geosfera e della biosfera.
• Produrre modelli quantitativi del ciclo globale del carbonio a varie scale, e la scala planetaria (convezione del mantello), la scala tettonica (zona di subduzione, orogenesi, rift, vulcano), e la scala dei serbatoi (nucleo, mantello, crosta, idrosfera).

Domande guida

• Quanto carbonio è contenuto nella Terra?
• Quanto carbonio viene emesso dai vulcani attivi e dalle aree tettoniche attive?
• Come viene riciclato il carbonio tra l’atmosfera e la crosta terrestre, il mantello e il nucleo?
• Quali sono le forme chimiche del carbonio nella Terra profonda, e come sono distribuite?
• Qual è la natura dell’intero ciclo del carbonio terrestre e come è cambiato nella storia della Terra?

Dai numeri

• 504 scienziati
• 39 paesi
• 102 progetti
• 372 pubblicazioni

Istituti di ricerca partecipanti

• Chalmers University of Technology, Svezia
• INGV, Italia
• Università Nazionale del Costa Rica/Osservatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica/Universidad de Costa Rica
• Osservatorio Vulcanologico Rabaul, Papua Nuova Guinea
• Università di Bayreuth, Germania
• Università di Bristol, Regno Unito
• Università di Cambridge, Regno Unito
• Università di Heidelberg, Germania
• Università di Mainz, Germania
• Università del New Mexico, USA
• Università di Palermo, Italia
• Università di Padova, Italia
• Woods Hole Oceanographic Institute, USA
• University College London, UK
• Università dell’Arkansas, USA
• Università di Sydney, Australia
• Università di Alberta, Canada
• Carnegie Institution for Science, USA
• Gemological Institute of America, USA
• US Geological Survey, USA

https://deepcarbon.net/community/reservoirs-and-fluxes

Deep Energy

Dedicato a sviluppare una comprensione fondamentale degli ambienti e dei processi che regolano il volume e i tassi di produzione di idrocarburi abiogeni e altre specie organiche nella crosta e nel mantello attraverso il tempo geologico.

Obiettivo decennale, domande guida:

https://deepcarbon.net/communities/deep-energy

Fisica e chimica estreme

Dedicato a migliorare la nostra comprensione del comportamento fisico e chimico del carbonio in condizioni estreme, come si trova nell’interno profondo della Terra e di altri pianeti.

Obiettivo decennale, domande guida:

https://deepcarbon.net/index.php/community/extreme-physics-and-chemistry

Deep Life

Dedicato a valutare la natura e l’estensione della biosfera profonda microbica e virale.

Obiettivo decennale, domande guida:

https://deepcarbon.net/index.php/community/deep-life

Selected papers, DCO Reservoirs and Fluxes:

• Fischer et al (2019) Science Advances (in review)
• Tamburello G, Pondrelli S, Chiodini G, Rouwet D (2018) Global-scale control of extensional tectonics on CO2 earth degassing. Nature Communications doi: 10.1038/s41467-018-07087-z
• de Moor JM, Aiuppa A, Pacheco J, Avard G, Kern C, Liuzzo M, Martínez M, Giudice G, Fischer TP (2016) Short-period volcanic gas precursors to phreatic eruptions: Approfondimenti dal vulcano Poás, Costa Rica. Earth and Planetary Science Letters doi: 10.1016/j.epsl.2016.02.056
• McCormick Kilbride B, Edmonds M, Biggs J (2016) Observing eruptions of gas-rich, compressible magmas from space. Nature Communications doi:10.1038/ncomms13744
• Johansson L, Zahirovic S, Müller RD (2018) The interplay between the eruption and weathering of Large Igneous Provinces and the deep-time carbon cycle. Geophysical Research Letters doi: 10.1029/2017GL076691
• Kelemen PB, Manning CE (2015) Reevaluating carbon fluxes in subduction zones, what goes down, mostly comes up. PNAS doi: 10.1073/pnas.1507889112
• Elements special issue on Catastrophic Perturbations of Earth’s Carbon Cycle. In stampa, scadenza 1 ottobre 2019. I documenti possono essere visualizzati in anteprima su http://bit.ly/2mzTR2s
• Werner C, Fischer TP, Aiuppa A, Edmonds M, Cardellini C, Carn S, Chiodini G, Cottrell E, Burton M, Shinohara H, Allard P (2019) Carbon Dioxide Emissions from Subaerial Volcanic Regions: Two Decades in Review. Carbonio profondo: Past to Present. Cambridge University Press
• Hauri EH, Cottrell E, Kelley KA, Tucker JM, Shimizu K, Le Voyer M, Marske J, Saal AE (2019) Carbon in the Convecting Mantle. Deep Carbon: Past to Present. Cambridge University Press
• Lee C-T A, Jiang H, Dasgupta R, Torres M (2019) A Framework for Understanding Whole-Earth Carbon Cycling. Deep Carbon: Past to Present. Cambridge University Press

Illustrazioni:

Figura riprodotta da Werner et al., 2019:

I nuovi dati sui flussi di CO2 dai vulcani hanno mostrato che i vulcani dormienti così come i vulcani attivi emettono grandi flussi di CO2 precedentemente “inediti”, derivati dal degassamento dei corpi magmatici nella crosta sottostante. Questi flussi diffusi di CO2 danno un grande contributo al flusso totale di carbonio da degassamento vulcanico.

http://bit.ly/2mVki2U

Il vulcanologo Brendan McCormick della DCO installa un dispositivo di monitoraggio DECADE MultiGAS al vulcano Rabaul in Papua Nuova Guinea. Immagine per gentile concessione di Emma Liu, Università di Cambridge.

http://bit.ly/2mNBkzM

Utilizzando i dispositivi di monitoraggio permanente dei gas DECADE, gli scienziati del DCO hanno osservato notevoli cambiamenti nella composizione delle emissioni di gas prima delle eruzioni nei vulcani Póas e Turrialba in Costa Rica. Nella foto il lago del cratere del vulcano Póas nel 2014. Credit: Katie Pratt, University of Rhode Island, USA

http://bit.ly/2kVHZaM

Campionamento di gas al vulcano Lastarria (Cile settentrionale) durante la spedizione Trail by Fire (http://www.trailbyfire.org/). credit: Yves Moussallam, Lamont Doherty Earth Observatory

http://bit.ly/2lp0MeK

I vulcanologi usano sempre più spesso veicoli aerei (droni) per far volare i loro strumenti di campionamento attraverso pennacchi di gas vulcanici altrimenti irraggiungibili. Preparazione per un volo sul bordo del cratere del vulcano Lascar (Cile settentrionale) durante la spedizione Trail by Fire (http://www.trailbyfire.org/). Credit: Yves Moussallam, Lamont Doherty Earth Observatory

http://bit.ly/2mUuWHc