La vita è comparsa sulla Terra almeno 3,5 miliardi di anni fa e da allora il nostro pianeta è rimasto abitabile, né troppo caldo né troppo freddo. Queste condizioni che permettono la vita sono possibili in parte grazie a un “termostato” climatico interno, basato sul ciclo del carbonio, che controlla la quantità di anidride carbonica nell’atmosfera. “Sembra esserci una sorta di equilibrio in ciò che mantiene il principale gas serra nell’atmosfera terrestre, preservando il clima a una temperatura ideale, abitabile per la vita per periodi di tempo molto lunghi”, ha affermato R.J. Graham, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze Geofisiche dell’Università di Chicago. Il processo che gestisce questo equilibrio, tuttavia, potrebbe non essere un meccanismo immutabile.
In un nuovo studio pubblicato su Nature Communications, Graham e colleghi dell’Università di Chicago e dell’Università di Southampton presentano prove che questo cosiddetto termostato climatico potrebbe aver funzionato in una modalità per la maggior parte degli ultimi 480 milioni di anni, per poi invertire brevemente la modalità – in termini geologici – durante l’era della Pangea, e infine tornare alla modalità iniziale. Se il meccanismo del termostato si fosse effettivamente invertito, affermano gli scienziati, questo cambiamento potrebbe fornire una nuova prospettiva sulla storia del nostro pianeta e sui meccanismi climatici, nonché sul futuro della vita sulla Terra con l’aumentare della luminosità del Sole.
Controlli del termostato
L’anidride carbonica è il principale regolatore a lungo termine dell’effetto serra terrestre. Rimuoverla dall’atmosfera equivale ad attivare l’aria condizionata, mentre reintrodurla attiva il riscaldamento. Il ciclo di feedback si basa su un processo noto come alterazione dei silicati. La CO₂ presente nell’atmosfera si combina con l’acqua piovana, rendendola leggermente acida, il che provoca la disgregazione chimica delle rocce. I minerali disciolti e il carbonio provenienti dalla CO₂ vengono trasportati nei fiumi e negli oceani, dove formano rocce carbonatiche sul fondale marino. Nel corso di milioni di anni, queste rocce vengono trasportate all’interno della Terra attraverso la subduzione e il carbonio viene rilasciato dai vulcani sotto forma di anidride carbonica nell’atmosfera, completando il ciclo.
L’erosione dei silicati accelera quando il pianeta si raffredda e rallenta quando si riscalda. Ma gli scienziati dibattono da tempo su cosa determini esattamente questa velocità: la temperatura o le precipitazioni? Le rocce più calde reagiscono semplicemente più rapidamente, oppure l’erosione è maggiormente influenzata dalla quantità di acqua che scorre sulla roccia e attraverso il suolo? Nella versione in cui la temperatura è il fattore principale, l’erosione è influenzata principalmente dal calore. Le reazioni chimiche avvengono più velocemente in condizioni di temperatura più elevata. Nella versione in cui le precipitazioni sono il fattore principale, invece, la mancanza d’acqua può diventare un fattore limitante. Quando l’acqua che scorre sulla roccia si satura di minerali disciolti, la temperatura non ha importanza; solo una maggiore quantità d’acqua permetterà all’erosione di continuare.
Gli scienziati tengono conto di questa distinzione perché il termostato a base d’acqua è meno efficace. “È meno efficiente“, ha spiegato Graham, primo autore dello studio. “L’aumento delle temperature incrementa le precipitazioni, ma l’accelerazione dell’erosione è inferiore rispetto all’aumento diretto della dissoluzione delle rocce dovuto al semplice innalzamento della temperatura. Pertanto, il meccanismo idrologico potrebbe funzionare come un termostato meno efficiente, consentendo cambiamenti climatici più ampi pur mantenendo l’equilibrio tra l’afflusso e il deflusso di carbonio”, ha spiegato Graham.
Lo studio
Il team dell’Università di Chicago, composto dal Professor Dorian Abbot e dal Professore associato B. B. Cael, ha ipotizzato di poter distinguere tra le due “modalità” ricercando segnali legati alla posizione e alla distribuzione delle masse continentali. Per identificare questi segnali, il team ha analizzato 120 simulazioni di modelli climatici, tutte identiche tranne che per la disposizione dei continenti generati casualmente, e ha calcolato i tassi di erosione sia in base alle ipotesi di temperatura che a quelle idrologiche. Hanno quindi cercato correlazioni tra i tassi di erosione e la distribuzione delle masse continentali.
Hanno scoperto che l’erosione guidata dalla temperatura dipende dalla quantità di territorio situato ai tropici, dove la temperatura aumenta ma non necessariamente l’umidità, poiché le precipitazioni extra evaporano con più luce solare. L’erosione causata dall’acqua, tuttavia, è correlata al grado di consolidamento o frammentazione dei continenti. Le masse continentali sparse con più regioni costiere consentono un maggiore deflusso.
Pattern del passato
Poiché un’erosione più rapida raffredda il pianeta, le tracce di ciascun meccanismo dovrebbero riflettersi nella registrazione geologica delle temperature globali, quindi il team ha cercato questi indizi nel passato. Confrontando una ricostruzione delle temperature terrestri di 480 milioni di anni con le mappe ricostruite degli antichi continenti, i ricercatori hanno trovato segni che per la maggior parte di quel tempo, il termostato terrestre funzionava in modalità dominata dalla temperatura, dove l’erosione era principalmente guidata dal calore. Tuttavia, per circa 100 milioni di anni, il pattern è cambiato, passando alla firma idrologica. Questo periodo coincide con quello in cui la maggior parte delle terre emerse era unita nel supercontinente Pangea. I ricercatori suggeriscono che l’aridità della Pangea possa spiegare questo cambiamento: con una minore quantità di acqua che attraversa il suolo, l’erosione è stata determinata principalmente dalla presenza – o dall’assenza – di acqua, piuttosto che dalla temperatura.
Gli scienziati precisano tuttavia che tali risultati si basano su simulazioni che utilizzano fattori idealizzati: non sono state prese in considerazione catene montuose, differenze nella tipologia di rocce, presenza di vegetazione o altre variabili. Esistono inoltre diverse ricostruzioni della geografia antica e, ai fini del modello, si è ipotizzato che l’emissione di anidride carbonica di origine vulcanica sia rimasta costante, sebbene sia possibile che essa sia aumentata durante la frammentazione del supercontinente. Lo studio dei suoli antichi risalenti all’epoca della Pangea, alla ricerca di tracce riconducibili a questo meccanismo di termostatazione, potrebbe confermare tale ipotesi.
Le implicazioni per le zone abitabili
Oltre a fornire nuove prospettive sulla regolazione climatica del nostro pianeta, la possibile natura dinamica di questo “termostato” potrebbe arricchire la nostra comprensione della cosiddetta “zona abitabile“, ovvero l’intervallo di orbite attorno a una stella in cui un pianeta può ospitare acqua allo stato liquido e, potenzialmente, sostenere la vita. “Il concetto di zona abitabile si fonda su presupposti riguardanti il funzionamento di questo meccanismo di retroazione della CO₂”, afferma Graham. “Se il termostato non è efficiente quanto potrebbe essere, è plausibile che non riesca a operare in modo adeguato da garantire l’abitabilità dei pianeti situati nell’intera estensione della zona abitabile”.