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martedì 30 ottobre 2012

Fertilizzazione degli oceani con ferro e altre sostanze nutritive

Gli oceani svolgono un ruolo enorme nella definizione del clima planetario, sia attraverso il trasporto del calore e fornitura di vapore acqueo, sia attraverso l'assorbimento di una grande frazione di CO₂ dei combustibili fossili.

Le stime relative all'accumulo netto nell'oceano di CO₂, ammontano a circa il 40% delle emissioni derivanti dai combustibili fossili (attraverso la reazione del gas CO₂ con lo ione carbonato contenuto sulla superficie dell'intero oceano, e basate su modelli derivati da Oeschger et al. 1975.), che sono attualmente vicine a 3 GtC /anno mentre, recentemente, Tans et al. (1990) riportano un valore molto più basso di 0,6 GtC/anno.

Il ruolo oceanico dipende quasi totalmente dal tasso di miscelazione e di alcalinità.

L'importo potenziale di carbonio totale che potrebbe essere utilizzato dalla fotosintesi oceanica è stato stimato essere di 35 Gt/anno.

Nel 1984, tre gruppi di ricerca, hanno pubblicato indipendenti ipotesi su questo fenomeno (Knox e McElroy; Sarmiento e Toggweiler; Siegenthaler e Wenk).

Ognuno è giunto alla conclusione che la chiave è nelle concentrazioni di nutrienti, nelle regioni superficiali oceaniche polari. In settori come l'estremo nord del Pacifico e l'oceano circumpolare antartico, sono inutilizzate alte concentrazioni di nitrati e fosfati (gli ingredienti chiave per la crescita delle piante).

I modelli del 1984 hanno dimostrato che, se questi nutrienti sono stati assimilati, la conversione di CO₂ in carbonio organico, potrebbe facilmente spiegare il segnale dell'era glaciale.

Questi nutrienti possono essere considerati come un'importante capacità chimica dell'oceano inutilizzata, uno di una scala che incide significativamente sull'equilibrio globale del carbonio.

La fertilizzazione degli oceani con il ferro è un metodo proposto per far aumentare la quantità di alghe per l'assorbimento di CO₂. L'anidride carbonica necessaria per tale crescita viene fornita in parte dall'atmosfera: quando le alghe muoiono e si depositano sul fondo marino, il carbonio presente nella biomassa non si diffonde nell'atmosfera.

Questa metodica consiste nello scaricare in mare tonnellate di solfato di ferro, che si trova o nella forma ferrosa FeSO₄ oppure nella forma ferrica Fe₂ (SO₄)₃.

Per verificare la funzionalità di questo metodo, alcuni scienziati indiani dell'"Istituto Nazionale di Oceanografia", in collaborazione con quelli tedeschi dell'"Istituto Alfred Wegener" e altri 50 scienziati arrivati da diverse nazioni quali Spagna, Cile, Francia, Gran Bretagna ed anche Italia, hanno preso parte ad un esperimento denominato "Lohafex" (termine che deriva da "Loha", parola hindi che significa ferro e "fex", che sta ad indicare un esperimento di fertilizzazione).

Il gruppo di Scienziati dei 7 Paesi è salpato il 7 Gennaio del 2009 da Cape Town, in Sudafrica, sulla nave "Polarstern", diretta verso il Mare di Scozia, in una zona a sud dell'Oceano Atlantico, tra l'Argentina e la Penisola Antartica.

Lì sono state scaricate 20 tonnellate di solfato di ferro in 2 mesi e mezzo, su una superficie oceanica di 300 Km², attraverso cui gli Scienziati hanno cercato di stimolare la crescita delle alghe per aumentare così il loro assorbimento della CO₂.

Nonostante le avverse condizioni meteo, gli Scienziati hanno analizzato per 39 giorni gli effetti del supplemento di ferro sul plancton e sulla chimica dell'oceano.

In un primo momento, tutto sembrava procedere come previsto: il ferro stimolava la crescita del fitoplancton (la parte vegetale del plancton), che era raddoppiato in numero nel corso delle prime 2 settimane dello studio ma poi, improvvisamente, è intervenuto lo zooplancton (la parte animale) che, per mezzo della catena alimentare, ha provveduto a riequilibrare il rapporto tra il numero delle prede e quello dei loro predatori (principio ecologico di "Lotka-Volterra").

Questo fenomeno è stato spiegato dal Dottor Wajih Naqvi, del "National Institute of Oceanography" ("NIO") indiano: "la crescente pressione di pascolo dello zooplancton composto da piccoli crostacei (copepodi) ha impedito l'ulteriore fioritura di fitoplancton".

L'aumento abnorme della popolazione di zooplancton, ha tenuto sotto controllo quella di fitoplancton, impedendo un ulteriore assorbimento di CO₂. Di conseguenza, solo una percentuale minima di carbonio è stata sottratta agli strati superficiali per essere immagazzinata nelle profondità oceaniche.

Esperimenti effettuati negli anni passati, avevano portato a risultati piuttosto diversi, in quanto significative quantità di carbonio erano state spostate nelle profondità dell'oceano. Cos'era cambiato?

Secondo gli scienziati, le sperimentazioni avevano innescato fioriture di diatomee, un tipo di alga composta da una conchiglia formata da ossido di silicio SiO₂, sviluppata come arma difensiva contro l'eccessiva proliferazione della popolazione di zooplancton.

Quando le diatomee muoiono, la scarsità di acido salicilico, componente principale del rivestimento esterno dell'alga, ha impedito loro di prosperare nel sito dove è stato condotto l'esperimento "Lohafex".

Nel frattempo, l'esperimento ha continuato a dare risultati stupefacenti, come dichiarato dal Professor Victor Smetacek, dell'Istituto tedesco "Alfred Wegener" per la Ricerca Polare e Marina: "con grande sorpresa, l'area fertilizzata con ferro ha attratto un gran numero di predatori dello zooplancton, appartenenti al gruppo di crostacei noto come anfipodi".

Dopo tre settimane di esperimenti, gli scienziati hanno versato altre quantità di ferro nella zona senza però provocare alcun effetto sul fitoplancton, segno evidente che l'area ne era già satura.

La spedizione ha fatto ritorno a Bremerhaven, in Germania, verso la fine di Maggio del 2009 e, come espresso dal Dottor Naqvi, "l'esperimento ha rappresentato il primo esempio di collaborazione internazionale nelle scienze oceaniche interdisciplinari".

La fertilizzazione oceanica ha generato pareri piuttosto discordanti tra gli ambientalisti e i Ricercatori: per i primi, rappresentati dall'"Africa Centre for Biosafety", l'esperimento "Lohafex" ha violato una moratoria varata dalle Nazioni Unite, che bandisce le attività di fertilizzazione e permette di creare solo esperimenti pilota su piccola scala, mentre per i ricercatori non vi è alcuna violazione.

I dati raccolti dall'esperimento hanno portato alla conclusione che, nonostante l'immissione di tonnellate di fertilizzante ferroso nell'oceano, non c'è stato verso di far crescere ulteriormente il fito e lo zooplancton, quindi sostanzialmente tutta la spedizione è stata un generale fallimento: ad oggi, la fertilizzazione oceanica con ferro non è considerata ancora un valido sistema per catturare la CO₂ dall'aria!

Ci sono due basi per il costo di fertilizzazione con ferro, uno basato sul lavoro di Martin, e l'altro sulla base del laboratorio del "National Research Council" ("NRC"): quello di Martin indicherebbe che la fertilizzazione di tutti gli oceani del Sud potrebbe essere realizzata con solo 0,43 milioni di tonnellate di ferro (Fe) per anno, l'importo necessario per supportare la rimozione di 2 o 3 GtC /anno (Fonte: Martin, 1990).

Egli non dà alcun numero per la zona di oceano da fecondare e neanche alcuna forma chimica specifica per il ferro.

Il laboratorio "NRC" suggerisce che la fertilizzazione con ferro possa rimuovere una media di 1,8 GtC /anno per un periodo di 100 anni. Il laboratorio propone un'applicazione da 1 a 5 Mt Fe/anno sottoforma di una soluzione di cloruro ferroso (FeCl₂), "o magari in qualche altra forma", e definisce l'area da fecondare come "circa 18 milioni di miglia quadrate".

I costi stimati saranno rappresentati dalle operazioni delle navi, e dal costo dei prodotti chimici.

Saranno prese in considerazione, per stimare gli effetti in un 1 milione di miglia nautiche quadrate, una zona suddivisa in corsie da 1 miglio. Tutto ciò genera 1 milione di miglia di vapore ogni anno. Quindici navi, ognuna delle quali emette vapore per 240 miglia al giorno (alla velocità di 10 nodi) per 300 giorni all'anno, viaggerebbero per 1 milione di miglia.

Quando viene considerato il tempo di rifornimento, è possibile quantificare che 20 navi, ciascuna avente una capacità di 10 mila tonnellate, venga riempita ognuna di vapore ogni 2 mesi.

Se si assume un costo di 100 milioni di dollari a nave, avente ognuna un costo di esercizio di 10.000 dollari al giorno, otteniamo un costo per la flotta intera di 2 miliardi di dollari, attribuendo un costo annuo del capitale (ammortamento in 20 anni) di 0.10 miliardi di dollari e un costo operativo annuale di 73 milioni di dollari.

Si arriva così ad un costo totale di esercizio annuo, di 173 milioni di dollari, per una copertura di 1 milione di chilometri quadrati. Per 18 milioni di chilometri quadrati il sistema deve essere aumentato in dimensioni di un fattore pari a 18, dando circa 3 miliardi di dollari all'anno.

Nell'Oceano Antartico, dobbiamo dare una concessione generosa per contingenze atmosferiche: in questo caso usiamo un fattore pari a 3, dando una stima di 9 miliardi di dollari all'anno per le operazioni e i costi delle navi. A questo possiamo aggiungere 1 miliardo di dollari all'anno per le operazioni generali di sistema, dando un costo totale di operazioni di 10 miliardi di dollari all'anno.

Per le stime di valutazione si deve aggiungere il costo legato alla fertilizzazione con ferro.

Di solito, la forma di ferro che viene assorbita facilmente dagli organismi viventi è la forma ferrosa: il composto più economico e facilmente disponibile è il solfato ferroso. Le 0,43 Mt di ferro stimate da Martin sono pari a circa 1,2 milioni di tonnellate di solfato ferroso, che può essere acquistato in massa ad un costo che va dai 10 ai 15 dollari a tonnellata (Fonte: "Reporter Marketing Chemical", 1991), per un totale da 12 a 18 milioni di dollari all'anno.

Il cloruro ferroso, citato dal laboratorio "NRC", è molto più costoso del solfato ferroso. Può essere acquistato in massa per 220 dollari a tonnellata di Fe nel settore chimico (Fonti: Alfred M. Tenney, "Eaglebrook", Inc., private communication to Lynn Lewis, "GM Research", 11 Aprile 1991).

La richiesta del gruppo di lavoro del laboratorio "NRC" da 1 a 5 Mt Fe dà un costo di cloruro ferroso da 0,22 a 1,1 miliardi di dollari all'anno.

In questo modo il range dei costi della chimica può essere compreso tra 0,012 e 1,1 miliardi di dollari all'anno.

Tuttavia, sia il solfato ferroso che il cloruro ferroso sono relativamente economici, perché sono il prodotto di scarto del "decapaggio" dell'acciaio con l'acido.

L'attuale disponibilità di cloruro ferroso nel Nord America è stimata essere di circa 1,5x10⁵ tonnellate di ferro equivalente, e l'importo mondiale può ammontare ad un milione di tonnellate (Fonte: Alfred M. Tenney, "Eaglebrook", Inc., comunicazione a Lynn Lewis, "GM Research", 1991).

Se assumiamo che il prezzo sarà inferiore a 100 volte il prezzo corrente di cloruro di ferro, si ottiene una gamma totale dei costi per la fertilizzazione con esso di 0,010 a 100 miliardi di dollari all'anno.

Aggiungendo il costo delle operazioni a quello relativo dei fertilizzanti, otteniamo un range di costo che va da 10 a 110 miliardi di dollari all'anno. Questo consentirà di mitigare da 1,8 a 3 GtC (usando il range sia di Martin che del laboratorio "NRC"), equivalente alla riduzione di circa 7-11 GtCO₂/anno, ottenendo un range finale da circa 1 a 15 dollari per tonnellata di CO₂/anno.