Un bacino di carbonio trasformativo nell’oceano?

Diversi decenni fa, quando la concentrazione di anidride carbonica (CO₂) nell’atmosfera era ben al di sotto di 400 parti per milione, gli scienziati del clima hanno iniziato a mettere in guardia sulle conseguenze negative per il clima della Terra derivanti dall’uso di combustibili fossili.Da questi primi avvertimenti è emerso un consenso sul fatto che le emissioni di carbonio avrebbero dovuto essere ridotte (e alla fine azzerate) per evitare conseguenze pericolose del riscaldamento globale come caldo estremo, tempeste più forti e inondazioni e siccità più intense.

Oggi la CO atmosferica₂ concentrazione è ben superiore a 400 parti per milione e continua ad aumentare, e numerose ricerche e recenti eventi meteorologici estremi sottolineano il fatto che queste pericolose conseguenze si stanno già verificando.I governi hanno fissato obiettivi ambiziosi per ridurre le emissioni e sono stati compiuti alcuni progressi, ma ci sono serie domande e preoccupazioni al riguardo ritmo lento di questo progresso abbondare.

 Per ogni approccio alla rimozione del biossido di carbonio, rimangono interrogativi sulla portata dell’impatto che può avere nell’estrazione e nello stoccaggio sicuro del carbonio atmosferico.

Per ridurre efficacemente i livelli di carbonio nell’atmosfera sarà necessaria una serie di azioni, tra cui: individui che prendono decisioni difficili sui cambiamenti dello stile di vita alla cooperazione internazionale per perseguire soluzioni da un menu diversificato di opzioni.Tra le opzioni allo studio ci sono i metodi per rimozione deliberata di anidride carbonica (CDR) dall'atmosfera, un tempo considerata l'ultima risorsa.Molti approcci al CDR, sia a terra che in mare, sono in varie fasi di test e sviluppo.Ciascuno presenta vantaggi e svantaggi, ad esempio, rispetto ai costi e agli effetti secondari potenzialmente negativi.E per ciascuno di essi, restano interrogativi sulla portata dell’impatto che può avere sulla riduzione e sullo stoccaggio sicuro del carbonio atmosferico.

Qui descriviamo un approccio CDR alternativo, ispirato a un processo naturale di sequestro del carbonio sul fondale marino, che in teoria potrebbe rimuovere quantità sostanziali di carbonio atmosferico.Anche su questo approccio bisognerebbe rispondere a domande e preoccupazioni significative, ma considerando il suo vasto potenziale, riteniamo che valga la pena indagare.

Il menu attuale delle opzioni di rimozione dell'anidride carbonica

Il campo del CDR sta esplodendo domanda di strategie economicamente vantaggiose supera l'offerta.Gli approcci più familiari mirano a immagazzinare il carbonio organico nella biomassa, sulla terra e negli oceani.Gli sforzi per ripristinare gli habitat naturali con capacità di stoccaggio del carbonio sono lodevoli.Tuttavia, questo carbonio organico è vulnerabile all’ossidazione e al rilascio nell’atmosfera, in particolare attraverso la combustione negli incendi e il decadimento della vegetazione colpita dalla siccità.In mare, tali sforzi vengono perseguiti attraverso la coltivazione di alghe e la fertilizzazione con sostanze nutritive, ad esempio, anche se non è chiaro quanta parte della nuova biomassa creata venga infine immagazzinata o per quanto tempo.

L'anidride carbonica può anche essere catturata utilizzando la chimica acido-base e quindi sequestrata nella roccia (ad esempio, in formazioni di giacimenti petroliferi esauriti) o nell'oceano.Tuttavia, tali approcci incontrano anche difficoltà nel raggiungimento dello stoccaggio permanente, sollevando dubbi sulla sicurezza e sul potenziale di rilascio del carbonio sequestrato nell’atmosfera.

Il miglioramento dell’alcalinità dell’oceano è molto promettente perché la capacità dell’oceano di immagazzinare bicarbonato è ampia nel periodo di tempo rilevante.

Conversione di CO₂ al carbonato minerale offre un meccanismo per lo stoccaggio permanente [Kelemen e la materia, 2008].Reazioni naturali note come reazioni di Ebelmen-Urey [PierreHumbert, 2010], in cui minerali silicatici come la forsterite (Mg₂SiO₄;una forma di olivina) reagiscono con la CO₂ per produrre minerali carbonatici e silice (ad esempio, Mg₂SiO₄ +2CO₂ → 2MgCO₃ +SiO₂), si ritiene che abbiano agito come un termostato planetario per gran parte della storia della Terra a causa della loro dipendenza dalla temperatura e dai relativi feedback.Queste reazioni, in passato, hanno gradualmente tirato fuori la Terra dai climi caldi dell’effetto serra riducendo la CO2 atmosferica₂, e alla fine elimineranno il picco di carbonio di origine antropica, anche se non in un arco temporale rilevante per la civiltà umana.

Nel frattempo, l’umanità potrebbe aver bisogno di implementare il CDR su vasta scala per compensare l’estrazione e la combustione di combustibili fossili nel secolo scorso.Miglioramento dell’alcalinità dell’oceano (OAE), in cui l'aggiunta di ioni come Mg²⁺ e Ca²⁺ (proveniente da materiali come olivina o calce) nell’oceano provoca una maggiore dissoluzione della CO2 atmosferica₂ per formare bicarbonato (HCO₃^–), è molto promettente, perché la capacità dell’oceano di immagazzinare bicarbonato è ampia nel periodo di tempo in questione [Renforth e Henderson, 2017].In effetti, gli approcci OAE – che spesso coinvolgono materiali dispersi sulla superficie dell’oceano – sono allo studio, sebbene anch’essi debbano affrontare dubbi sulla loro fattibilità su larga scala.Esistono altri contesti marini in cui l’OAE potrebbe essere perseguita su larga scala e con risultati duraturi?

Gli errori di trasformazione offrono un approccio trasformativo

Il mantello terrestre, che costituisce oltre l’80% del volume del pianeta, è un vasto serbatoio di roccia ultramafica (a basso contenuto di silice).Concettualmente, una piccola frazione di questa roccia – almeno circa 600 chilometri cubi se completamente convertita in carbonato – potrebbe neutralizzare l’intera quantità di carbonio fossile dell’era industriale presente nell’atmosfera.

Le faglie trasformate oceaniche e le estensioni delle loro zone di frattura presentano ambienti tettonici in cui tali rocce reattive del mantello, che sono tipicamente sepolte sotto chilometri di crosta, sono esposte sulla superficie terrestre.La scoperta delle faglie trasformi – che collegano i confini divergenti delle placche situate nei centri di espansione in mezzo all’oceano – è stata la chiave per scatenare la rivoluzione tettonica a placche negli anni ’60.Karson, 2020].E oggi, la concomitanza delle rocce giuste e della batimetria in altorilievo presenta una combinazione ottimale di squilibri chimici e gravitazionali, suggerendo un potenziale di CDR su larga scala che non si trova da nessun’altra parte sulla Terra.

Soprattutto ai confini delle placche a diffusione lenta e povere di magma (<4 centimetri all’anno), le faglie trasformate presentano minerali di silicato di magnesio in abbondanza a reazione relativamente rapida.Kelemen et al., 2020].La scala delle valli di faglia trasformata fa impallidire quella delle caratteristiche erosive terrestri come il Grand Canyon.Le pareti delle valli sottomarine sono soggette a deperimento di massa, che espone superfici fresche di minerali silicatici reattivi.Localmente, il movimento delle faglie di distacco quasi orizzontali provoca lo scivolamento di porzioni di crosta dal mantello sottostante, consentendo un’ulteriore esposizione della roccia ultramafica sul fondale marino.

La fratturazione attiva, necessaria affinché le reazioni acqua-roccia producano soluzioni alcaline, è diffusa.Le lente velocità delle onde sismiche osservate lungo le faglie trasformate oceaniche implicano che l’acqua penetra a profondità superiori a 30 chilometri.Wang et al., 2022].A causa del raffreddamento differenziale nella roccia del fondale marino in questi ambienti, anche le estensioni della zona di frattura dei confini delle placche trasformate continuano a subire movimenti verticali differenziali e nuove fratture.Inoltre, faglie attive che espongono rocce reattive del mantello sono localmente presenti lungo le creste delle creste e lungo le pareti delle fosse.

Suburbanizzare la città perduta?

È noto che le impostazioni delle faglie di trasformazione oceanica ospitano sistemi idrotermali a bassa temperatura che sequestrano la CO2 disciolta₂ facendo precipitare il carbonato minerale [Kelley et al., 2007].Un ottimo esempio, il Campo idrotermale di Lost City (LCHF), si trova a circa 30° di latitudine N e 15 chilometri a ovest della dorsale medio atlantica sul massiccio dell'Atlantide.Qui, le prese d'aria del fondale marino rilasciano fluidi alcalini ad alto pH che reagiscono con l'acqua di mare per far precipitare torri alte oltre 60 metri fatte di carbonato (ad esempio, CaCO₃) e brucite (Mg[OH]₂).

Circolazione idrotermale a bassa temperatura presso l'LCHF è collegato a l'idratazione esotermica dell'olivina e dei minerali correlati mediante acqua che filtra sotto il fondo marino (ad esempio, 2Mg₂SiO₄ + H₂O+2H⁺ →Mg₃Sì₂O₅(OH)₄ +mg²⁺).Questa reazione forma minerali del gruppo serpentino (ad esempio Mg₃Sì₂O₅(OH)₄), i minerali primari nella roccia serpentinite.I fluidi idrotermali salgono quindi attraverso un sistema permeabile di roccia fratturata.La miscelazione dei fluidi caldi e alcalini di sfiato (pH > 10) con l'acqua di mare sposta localmente gli equilibri dei carbonati per favorire la precipitazione dei carbonati.

Immaginate se fosse possibile potenziare questo naturale processo CDR espandendo deliberatamente i sistemi idrotermali a bassa temperatura come Lost City e consegnando i fluidi alcalini alla superficie dell'oceano per invertire contemporaneamente l’acidificazione antropica degli oceani e ridurre la CO2 atmosferica₂.Può sembrare un’impresa audace e tecnicamente impegnativa, ma le tecnologie fondamentali necessarie sono già disponibili.

La perforazione e l’idrofratturazione nei siti di spreco di massa attiva creerebbero nuove superfici minerali reattive e promuoverebbero la serpentinizzazione, ulteriori cracking e la produzione di maggiori volumi di fluidi idrotermali alcalini e ad alto pH.Quindi i fluidi potrebbero essere pompati o fatti salire in modo galleggiante attraverso tubazioni isolate per aumentare l'alcalinità dello strato misto superficiale dell'oceano.Rispetto all’infrastruttura esistente per i combustibili fossili che attraversa i continenti e i fondali marini, convogliare questi fluidi in superficie dovrebbe essere assolutamente fattibile.Per quanto riguarda le infrastrutture di superficie, flotte di portaerei messe fuori servizio – presumibilmente alimentate da fonti di energia non fossili come il nucleare o l’eolico – potrebbero fungere da piattaforme di perforazione.Le scarpate di faglia trasformata della Terra coprono un’area dell’ordine di 100.000 chilometri quadrati, un’area probabilmente più che sufficiente per questo approccio al CDR [ad esempio, Kelemen et al., 2020].

Anche se la tecnologia fondamentale e la scala del materiale del mantello esposto fossero disponibili, ci sono tuttavia questioni scientifiche pratiche da affrontare.Ad esempio, sarebbero necessarie ulteriori ricerche per comprendere l’importanza relativa dei feedback negativi e positivi negli ambienti idrotermali a bassa temperatura.Kelemen et al., 2020].I feedback negativi potrebbero includere “intasamento”, dove la precipitazione di minerali secondari inibisce la permeabilità e la produzione di fluidi alcalini.I feedback positivi che mantengono in funzione questi sistemi, nel frattempo, sono evidenziati sia dalla lunga vita delle bocche che dalla pervasività delle rocce fratturate e alterate.

Ci sono anche potenziali problemi cinetici da affrontare, sebbene la chimica favorisca un aumento del consumo di CO₂ nell’oceano, il ritmo delle reazioni potrebbe essere troppo lento per avere importanza nelle tempistiche umane.Sono state esplorate diverse opzioni per accelerare i tassi di CO₂-reazioni di consumo.Kelemen e la materia [2008], ad esempio, hanno dimostrato che la velocità di carbonatazione dell'olivina aumenta un milione di volte rispetto alla velocità tipica alla temperatura di reazione ottimale di 185°C (365°F) e ad elevate pressioni parziali di CO₂.Sono state esplorate anche strategie elettrochimiche per accelerare il processo [ad es. Rau et al., 2013].

Il problema del metano

L’idea di espandere intenzionalmente i sistemi idrotermali e di convogliare i fluidi verso la superficie dell’oceano solleva precise preoccupazioni.In cima alla lista c'è il metano.

Al di là delle questioni sulla sua fattibilità tecnica, l’idea di espandere intenzionalmente i sistemi idrotermali e di convogliare i fluidi verso la superficie dell’oceano solleva preoccupazioni distinte.In cima alla lista c’è che il metano, un potente gas serra, è un prodotto onnipresente della serpentinizzazione.Che ruolo svolgono i minerali privi di carbonio nella formazione di metano ricco di carbonio?

Nelle reazioni di serpentinizzazione, l'olivina del mantello, una soluzione solida composta tipicamente al 90% da forsterite (Mg₂SiO₄) e 10% fayalite (Fe₂SiO₄), rilascia ferro ridotto (Fe²⁺), che è il colpevole.L’acqua ossida il ferro ridotto, formando idrogeno molecolare (H₂) nel processo (cioè, 3Fe₂SiO₄ + 2 ore₂O→2Fe₃O₄ +3SiO₂ + 2 ore₂).Questo idrogeno converte quindi qualsiasi carbonio ossidato (ad esempio, CO₂) presente nel metano (cioè 4H₂ +CO₂ → CH₄ + 2 ore₂O).Sarebbe chiaramente indesiderabile creare o ampliare le fonti di metano e far sì che il gas finisca nell’atmosfera.

Le notizie potrebbero però non essere tutte negative.Sia l’idrogeno che i gas metano sono fonti di energia: il primo è una fonte di energia pulita.La raccolta dei gas potrebbe aiutare a soddisfare la continua domanda di energia convenzionale e la crescente domanda di energia pulita, contribuendo anche a finanziare le perforazioni e le infrastrutture CDR.In un contesto alternativo, focalizzato sul piano economico, l’obiettivo principale per l’espansione dei sistemi di sfiato idrotermali come descritto potrebbe anche essere quello di produrre e commercializzare fonti di idrogeno gassoso che generino reddito, con il CDR come sottoprodotto vantaggioso.

La raccolta di questi gas nelle profondità dell’oceano potrebbe ovviamente rivelarsi impegnativa.A Lost City, la roccia carbonatica sul fondale marino aiuta a concentrare i flussi dei fluidi di sfiato.Se un’infrastruttura artificiale possa concentrare allo stesso modo i gas prodotti senza perdite eccessive è una questione aperta.

Cos'altro potrebbe andare storto?

Esistono anche altre preoccupazioni, oltre alla potenziale fuga di metano in eccesso.I sistemi idrotermali a bassa temperatura come Lost City sono in netto contrasto con i sistemi idrotermali ad alta temperatura, che sono comuni lungo le dorsali medio-oceaniche.Questi sistemi ad alta temperatura, in cui il magnesio disciolto viene effettivamente scambiato con protoni (cioè Mg²⁺ → 2H⁺), sfogano soluzioni acide che sottraggono al bilancio di alcalinità dell’oceano, quindi aumentare inavvertitamente i flussi di fluidi da questi sistemi sarebbe controproducente.Chiaramente è da evitare la vicinanza a siti con elevato flusso di calore.

La perforazione sopra le scarpate di faglia potrebbe anche plausibilmente innescare eventi di devastazione di massa e tsunami, un potenziale pericolo che è stato studiato in regioni tettonicamente attive come la Fossa di Porto Rico.

Le attività associate all’approccio CDR proposto potrebbero anche distruggere gli habitat dei fondali marini e della superficie oceanica.Tale interruzione è a preoccupazione principale con sforzi di estrazione mineraria dei fondali marini, e sarebbero necessari sforzi sostanziali per evitare di danneggiare gli ecosistemi dei fondali marini nell’interesse del CDR.Per ridurre al minimo i disagi negli habitat oceanici di superficie, si potrebbe progettare un sistema di distribuzione per rimuovere i soluti problematici e per diluire i fluidi alcalini di sfiato prima che vengano mescolati con le acque superficiali.

Dissipare un problema malvagio

Il vaso di Pandora dell’energia fossile ha creato il “malvagio” problema del cambiamento climatico, che non ha una soluzione semplice o unica.Incropera, 2015].La transizione dalle fonti energetiche fossili è in corso, ma anche se le emissioni di carbonio scomparissero domani, un eccesso di CO₂ rimarrebbero a lungo nei nostri cieli.

Il naturale processo CDR che si verifica nelle faglie di trasformazione oceanica, se potesse essere sfruttato, rappresenterebbe una soluzione potenzialmente trasformativa.

Non esistono opzioni perfette per rimuovere il carbonio in eccesso: tutti i metodi devono affrontare dubbi sulla loro sicurezza, durata ed efficacia su larga scala.Il naturale processo CDR che si verifica nelle faglie di trasformazione oceanica, se potesse essere sfruttato per ridurre la CO2 atmosferica₂ e aumentare il pH della superficie dell’oceano, rappresenta una soluzione potenzialmente trasformativa.Queste impostazioni combinano squilibri chimici e gravitazionali ottimali sulla scala necessaria: le rocce giuste pronte a fratturarsi sono presenti in quantità effettivamente illimitate.Se i gas ridotti come l’idrogeno e il metano potessero essere raccolti per produrre energia senza timore di perdite, l’approccio potrebbe essere finanziariamente sostenibile.

Soluzioni di geoingegneria può avere conseguenze indesiderate, quindi è necessario un approccio cauto.Suggeriamo che siano necessarie ulteriori ricerche per indagare la fattibilità tecnica dell’approccio CDR qui delineato e identificare possibili siti di test lungo le faglie trasformi per esperimenti pilota di perforazione.È inoltre necessario un sistema di governance per monitorare e regolare la ricerca, i test e lo sviluppo del CDR marino.

Quindi vale la pena esplorare questa idea potenzialmente salva-pianeta o intrigante ma fonte di distrazione?Accogliamo con favore il contributo della comunità delle scienze della Terra e non solo.Indipendentemente dalla propria opinione, sta diventando sempre più chiaro che sono necessarie idee ambiziose per accelerare i progressi verso la mitigazione degli effetti del riscaldamento globale e dissipare il terribile problema che stiamo affrontando.

Fonte : Eos