Ci sono alcuni tipi di atomi che possono essere una parte di una pianta un giorno, un animale il giorno successivo, e poi viaggiare a valle come parte dell’acqua di un fiume il giorno successivo. Questi atomi possono essere una parte di entrambi gli esseri viventi come piante e animali, così come le cose non viventi come acqua, aria e persino rocce. Gli stessi atomi vengono riciclati più e più volte in diverse parti della Terra. Questo tipo di ciclo di atomi tra esseri viventi e non viventi è noto come ciclo biogeochimico.,
Tutti gli atomi che sono elementi costitutivi degli esseri viventi fanno parte dei cicli biogeochimici. I più comuni di questi sono i cicli di carbonio e azoto.
Piccoli atomi di carbonio e azoto sono in grado di muoversi intorno al pianeta attraverso questi cicli. Ad esempio, un atomo di carbonio viene assorbito dall’aria nell’acqua dell’oceano dove viene utilizzato dal piccolo plancton galleggiante che fa la fotosintesi per ottenere la nutrizione di cui hanno bisogno., C’è la possibilità che questo piccolo atomo di carbonio diventi parte dello scheletro del plancton, o una parte dello scheletro dell’animale più grande che lo mangia, e poi parte di una roccia sedimentaria quando gli esseri viventi muoiono e rimangono solo le ossa. Il carbonio che fa parte delle rocce e dei combustibili fossili come petrolio, carbone e gas naturale può essere tenuto lontano dal resto del ciclo del carbonio per lungo tempo. Questi luoghi di stoccaggio a lungo termine sono chiamati “lavandini”. Quando i combustibili fossili vengono bruciati, il carbonio che era stato sotterraneo viene inviato nell’aria come anidride carbonica, un gas serra.,
Recentemente, le persone hanno causato il cambiamento di questi cicli biogeochimici. Quando abbattiamo le foreste, creiamo più fabbriche e guidiamo più automobili che bruciano combustibili fossili, il modo in cui carbonio e azoto si muovono intorno alla Terra cambia. Questi cambiamenti aggiungono più gas serra nella nostra atmosfera e questo causa il cambiamento climatico.
Il ciclo del carbonio
L’elemento carbonio è una parte dell’acqua di mare, dell’atmosfera, delle rocce come calcare e carbone, dei terreni e di tutti gli esseri viventi., Sul nostro pianeta dinamico, il carbonio è in grado di spostarsi da uno di questi regni all’altro come parte del ciclo del carbonio.
- Il carbonio si sposta dall’atmosfera alle piante. Nell’atmosfera, il carbonio è collegato all’ossigeno in un gas chiamato anidride carbonica (CO2). Attraverso il processo di fotosintesi, l’anidride carbonica viene estratta dall’aria per produrre cibo a base di carbonio per la crescita delle piante.
- Il carbonio si sposta dalle piante agli animali. Attraverso le catene alimentari, il carbonio che si trova nelle piante si sposta verso gli animali che li mangiano. Anche gli animali che mangiano altri animali ottengono il carbonio dal loro cibo.,
- Il carbonio si sposta dalle piante e dagli animali ai terreni. Quando le piante e gli animali muoiono, i loro corpi, il legno e le foglie decadono portando il carbonio nel terreno. Alcuni sono sepolti e diventeranno combustibili fossili in milioni e milioni di anni.
- Il carbonio passa dagli esseri viventi all’atmosfera. Ogni volta che espiri, stai rilasciando gas di anidride carbonica (CO2) nell’atmosfera. Gli animali e le piante hanno bisogno di liberarsi del gas di anidride carbonica attraverso un processo chiamato respirazione.
- Il carbonio si sposta dai combustibili fossili all’atmosfera quando i combustibili vengono bruciati., Quando gli esseri umani bruciano combustibili fossili per alimentare fabbriche, centrali elettriche, automobili e camion, la maggior parte del carbonio entra rapidamente nell’atmosfera come gas di anidride carbonica. Ogni anno, cinque miliardi e mezzo di tonnellate di carbonio vengono rilasciate bruciando combustibili fossili. Di questa enorme quantità, 3,3 miliardi di tonnellate rimangono nell’atmosfera. La maggior parte del resto si dissolve nell’acqua di mare.
- Il carbonio si sposta dall’atmosfera agli oceani. Gli oceani, e altri corpi d’acqua, assorbono un po ‘ di carbonio dall’atmosfera. Il carbonio viene disciolto nell’acqua.,
L’anidride carbonica è un gas serra e intrappola il calore nell’atmosfera. Senza di essa e altri gas serra, la Terra sarebbe un mondo congelato. Ma dall’inizio della rivoluzione industriale circa 150 anni fa gli esseri umani hanno bruciato così tanto carburante e rilasciato così tanto anidride carbonica nell’aria che il clima globale è salito oltre un grado Fahrenheit. L’atmosfera non ha tenuto così tanto carbonio per almeno 420.000 anni secondo i dati delle carote di ghiaccio., Il recente aumento delle quantità di gas serra come l’anidride carbonica sta avendo un impatto significativo sul riscaldamento del nostro pianeta.
Il carbonio si muove attraverso il nostro pianeta anche su scale temporali più lunghe. Ad esempio, nel corso di milioni di anni l’erosione delle rocce sulla terra può aggiungere carbonio all’acqua superficiale che alla fine scorre verso l’oceano. Su lunghe scale temporali, il carbonio viene rimosso dall’acqua di mare quando i gusci e le ossa degli animali marini e del plancton si raccolgono sul fondo del mare. Questi gusci e ossa sono fatti di calcare, che contiene carbonio., Quando si depositano sul fondo del mare, il carbonio viene immagazzinato dal resto del ciclo del carbonio per un certo periodo di tempo. La quantità di calcare depositato nell’oceano dipende in qualche modo dalla quantità di oceani caldi, tropicali e poco profondi del pianeta perché è qui che vivono prolifici organismi produttori di calcare come i coralli. Il carbonio può essere rilasciato nell’atmosfera se il calcare si scioglie o viene metamorfosato in una zona di subduzione.
Il ciclo dell’azoto
L’azoto è un elemento che si trova sia nella parte vivente del nostro pianeta che nelle parti inorganiche del sistema terrestre., L’azoto si muove lentamente attraverso il ciclo e viene immagazzinato in serbatoi come l’atmosfera, gli organismi viventi, i terreni e gli oceani lungo la strada.
La maggior parte dell’azoto sulla Terra si trova nell’atmosfera. Circa l”80% delle molecole nell” atmosfera terrestre sono costituiti da due atomi di azoto legati insieme (N2). Tutte le piante e gli animali hanno bisogno di azoto per produrre aminoacidi, proteine e DNA, ma l’azoto nell’atmosfera non è in una forma che possono usare., Le molecole di azoto nell’atmosfera possono diventare utilizzabili per gli esseri viventi quando vengono spezzate durante fulmini o incendi, da alcuni tipi di batteri o da batteri associati alle piante di legumi. Altre piante ottengono l’azoto di cui hanno bisogno dai terreni o dall’acqua in cui vivono principalmente sotto forma di nitrato inorganico (NO3-). L’azoto è un fattore limitante per la crescita delle piante. Gli animali ottengono l’azoto di cui hanno bisogno consumando piante o altri animali che contengono molecole organiche composte parzialmente di azoto., Quando gli organismi muoiono, i loro corpi si decompongono portando l’azoto nel suolo sulla terra o negli oceani. Quando piante e animali morti si decompongono, l’azoto viene convertito in forme inorganiche come i sali di ammonio (NH4+ ) mediante un processo chiamato mineralizzazione. I sali di ammonio vengono assorbiti sull’argilla nel terreno e quindi modificati chimicamente dai batteri in nitrito (NO2-) e quindi nitrato (NO3- ). Il nitrato è la forma comunemente usata dalle piante. È facilmente dissolto in acqua e lisciviato dal sistema del suolo., Il nitrato disciolto può essere restituito all’atmosfera da alcuni batteri attraverso un processo chiamato denitrificazione.
Alcune azioni degli esseri umani stanno causando cambiamenti nel ciclo dell’azoto e nella quantità di azoto immagazzinata nei serbatoi. L’uso di fertilizzanti ricchi di azoto può causare il carico di nutrienti nei corsi d’acqua vicini, poiché i nitrati del fertilizzante si lavano in corsi d’acqua e stagni. L’aumento dei livelli di nitrato fa sì che le piante crescano rapidamente fino a quando non consumano la fornitura di nitrati e muoiono., Il numero di erbivori aumenterà quando la fornitura di piante aumenta e quindi gli erbivori sono lasciati senza una fonte di cibo quando le piante muoiono. In questo modo, i cambiamenti nella fornitura di nutrienti influenzeranno l’intera catena alimentare. Inoltre, gli esseri umani stanno alterando il ciclo dell’azoto bruciando combustibili fossili e foreste, che rilascia varie forme solide di azoto. L’agricoltura influisce anche sul ciclo dell’azoto. I rifiuti associati all’allevamento del bestiame rilasciano una grande quantità di azoto nel suolo e nell’acqua. Allo stesso modo, i rifiuti delle acque reflue aggiungono azoto ai terreni e all’acqua.,
Azoto e inquinamento atmosferico
Una foschia sgradevole di smog, visibile dal laboratorio Mesa di NCAR, riposa sopra Boulder Valley. (Immagine: UCAR)
L’ossido nitrico (NO) e il biossido di azoto (NO2) sono noti insieme come ossidi di azoto. Questi ossidi di azoto contribuiscono al problema dell’inquinamento atmosferico, giocando un ruolo nella formazione di smog e piogge acide. Essi vengono rilasciati nell “atmosfera terrestre da fonti naturali e generati dall” uomo.
L’ossido nitrico è un gas incolore e infiammabile con un leggero odore., Il biossido di azoto è un gas rosso-arancio profondo velenoso ma non infiammabile. Insieme agli aerosol, è responsabile del colore bruno-rossastro dello smog. Ad alte concentrazioni è altamente tossico e può causare gravi danni ai polmoni. Il biossido di azoto è un forte agente ossidante ed è quindi molto reattivo con altri composti.
Gli scienziati stimano che tra 20 e 90 milioni di tonnellate di ossidi di azoto in prodotti naturalmente ogni anno da fonti come vulcani, oceani, decadimento biologico, e fulmini., Le attività umane aggiungono altri 24 milioni di tonnellate di ossidi di azoto alla nostra atmosfera ogni anno.
Sia NO che NO2 si formano durante la combustione ad alta temperatura nell’atmosfera, quando l’ossigeno si combina con l’azoto. I gas di scarico delle automobili e dei camion sono le principali fonti di ossidi di azoto, così come le emissioni degli impianti di produzione di energia elettrica. Lo scarico dell’automobile ha più NO di NO2, ma una volta che il NO viene rilasciato nell’atmosfera si combina rapidamente con l’ossigeno nell’aria per formare NO2.
Gli ossidi di azoto sono almeno parzialmente responsabili di diversi tipi di inquinamento atmosferico., Il biossido di azoto conferisce il suo colore alla foschia bruno-rossastra che chiamiamo smog. La fotodissociazione del biossido di azoto dalla luce solare produce ossido nitrico e ozono nella troposfera, che è un altro componente dello smog. Una serie di reazioni chimiche trasformano i composti organici volatili (COV) in sostanze che si combinano con il biossido di azoto per produrre PAN (nitrato di perossiacitile), un altro elemento dello smog. Il biossido di azoto nell’aria reagisce anche con il vapore acqueo per formare acido nitrico, uno dei tipi di acido nelle piogge acide. La concentrazione di ossido nitrico nell’aria non inquinata è di circa 0,01 ppm., Nello smog, la concentrazione aumenta di venti volte a circa 0,2 ppm.
Sebbene gli ossidi di azoto abbiano acquisito una dubbia distinzione come inquinanti, sono anche utilizzati in modo vantaggioso in alcuni processi industriali. L’ossido nitrico è fabbricato su larga scala e viene successivamente utilizzato per produrre acido nitrico (HNO3). Per creare ossido nitrico per usi industriali, i chimici combinano ammoniaca (NH3) con ossigeno (O2), rilasciando acqua (H2O) come sottoprodotto. I composti azotati derivati dall’acido nitrico vengono utilizzati per creare fertilizzanti chimici, esplosivi e altre sostanze utili.