Come gli alberi influenzano il clima: si tratta solo di fotosintesi? Understand article

Gli alberi sono incredibili fabbriche chimiche, che catturano il diossido di carbonio e producono l’ossigeno che ci serve per respirare, ma sintetizzano anche molti altri prodotti chimici. Dobbiamo comprendere il loro effetto sull’atmosfera per ottenere la massima efficacia delle iniziative di piantumazione di alberi.

Cambiamento climatico e qualità dell’aria sono problemi pressanti nel 21° Secolo. Entrambi sono legati alla combustione di combustibili fossili o biocarburanti, che producono biossido di carbonio, biossido di zolfo, ossidi di azoto e una varietà di particolati. Si sa che la cattiva qualità dell’aria è nociva per la salute di esseri umani, piante e animali, che saranno anche influenzati dal cambiamento climatico. Le previsioni delle temperature medie globali e della piovosità dipendono da una comprensione accurata dei composti volatili e del modo in cui le loro concentrazioni probabilmente cambieranno col cresecere della popolazione e con cambiamenti politici e delle temperature.

Piantumazione mondiale di alberi

Il biossido di carbonio (CO2) è il principale gas serra responsabile dell’intrappolamento del calore nell’atmosfera. La piantumazione globale di alberi è un modo per contrastare il cambiamento climatico [1]. Gli alberi convertono la CO2 in glucosio attraverso la fotosintesi  (equazione 1).

\[{\text{6 CO}_\text{2}}\text{(g)}+\text{6 H}{ }_\text{2}\text{O}\text{(l)}⇄\text{C}{ }_\text{6}\text{H}_\text{12}\text{O}{ }_\text{6}\text{(aq)}+\text{6 O}{ }_\text{2}\text{(g)}\]

Quando il glucosio viene convertito in cellulosa, la CO2 viene sequestrata finché l’albero non viene bruciato o non si decompone. L’azione immediata di ripiantare circa 0.9 miliardi di ettari (ha) di foresta potrebbe rimuovere (sequestrare) fino a 200 gigatonnellate di CO2. [1] Ciò equivale a circa il 25% dell’attuale carico di carbonio atmosferico. Gli studi hanno dimostrato che questa operzione sarebbe più efficace ai tropici.

Una panoramica della foresta pluviale tropicale nei monti Nilgiri, in India
Immagine: Madhaabiii/Wikimedia, CC BY-SA 4.0

Tuttavia, la rimozione della CO2 attraverso la fotosintesi non è il solo modo in cui gli alberi influenzano l’atmosfera terrestre. Gli alberi generano fresco e ombra nei mesi estivi e offrono un riparo dai venti e dalla pioggia nei mesi invernali. Le radici degli alberi, e la maggiore quantità di materia organica nel suolo per l’accumulo del letto di foglie, migliorano la strutura del suolo, ne accrescono la stabilità complessiva e promuovono l’attività dei funghi, generando una maggiore porosità. Inoltre, gli alberi producono e rilasciano un gran numero di diverse molecole per sostenere i loro stessi processi vitali. Sono questi composti che, per esempio, danno alle foreste di pini il loro profumo. In presenza di inquinanti come NOx, alcune di queste molecole, compresi isoprene e terpeni, possono agire come composti biogenici volatili (BVOC). Questi prodotti chimici possono reagire con gli ossidanti nell’atmosfera [ad esempio il radicale idrossile (•OH), ozone (O3), il radicale nitrato (NO3•)] per produrre inquinanti secondari, come altro ozono (O3), un gas serra a breve vita che può anche ridurre il rendimento delle coltivazioni, e aerosol organici secondari (SOA) che possono avere un impatto significativo sul clima. Questi inquinanti secondari hanno vita breve ma possono influenzare anche la capacità della Terra di riflettere l’energia termica verso lo spazio. I potenziali impatti a breve e lungo termine di questi composti sul cambiamento climatico, la sicurezza alimentare e l’uso del suolo sono problemi importanti nei piani di piantumazione di alberi urbani, se le emissioni di NOx non vengono controllate a loro volta.

Termini chiave

TermineSignificato
AerosolUna sospensione di particelle solide fini (particolato), o goccioline liquide, in un gas o nell’aria
Composti organici biogenici volatili (BVOC)Molecole a base di carbonio prodotte naturalmente, che formano facilmente vapori e possono reagire con altri composti chimici dell’atmosfera.
Gas serraGas, come biossido di carbonio, metano, vapor d’acqua e ossido nitroso (N2O), che intrappolano la radiazione infrarossa nell’atmosfera e provocano un riscaldamento.
Radicale libero idrossile (HO•)Una specie estremamente reattiva che contiene un elettrone spaiato e che si forma nell’atmosfera. Attacca la gran parte delle molecole organiche.
NOxUn miscuglio estremamente inquinante di ossidi di azoto, prevalentemente gas di biossido di azoto (NO2) e ossido di azoto (NO), prodotti da combustione ad alte temperature.
Ozono (O3)Una forma (allotropo) tossica dell’ossigeno. Nell’alta atmosfera lo strato di ozono filtra i raggi UV che altrimenti raggiungerebbero la superficie della Terra. Tuttavia, nella bassa atmosfera (troposfera), l’ozono reagisce in diversi modi con NOx e VOC ed è un gas serra.  
Aerosol organici secondari (SOA)Composti chimici prodotti dopo diversi cicli di ossidazione di una molecola organica.
Inquinanti secondariInquinanti prodotti dalle reazioni con inquinanti primari.
TerpeniUna classe di composti (prevalentemente) prodotti dalle piante con la formula (C5H8)n e che comprende oltre 30000 prodotti.
TeratonUn trilione di tonnellate

Ci sono molti fattori importanti da considerare quando si avvia un programma globale di riforestazione. Dobbiamo capire quali composti chimici vengono podotti dagli alberi a differenti temperatue e come i loro prodotti di degradazione influenzano il clima e la qualità dell’aria. Per esempio, i progetti di piantumazione di alberi urbani vengono promossi per rimuovere i particolati e offrire spazi verdi per una migliore qualità della vita. Tuttavia, in presenza di alte concentrazioni di gas NOx (ad esempio dal traffico), il rilascio di BVOC da parte degli alberi può accelerare la formazione di O3 troposferico e influenzare negativamente la qualità dell’aria e il clima[2]. L’impatto complessivo della piantumazione urbana di alberi può non essere necessariamente negativa, perché gli alberi svolgono comunque funzioni importanti nelle aree urbane, ma è necessario tenere in considerazione questo ulteriore impatto dell’inquinamento da NOx e controllare le emissioni di NOx.

BVOC principali

Isoprene

L’isoprene è un idrocarburo insaturo prodotto dalle piante con una emissione globale di >500 teraton all’anno[3]. A concentrazioni di NOx molto basse (meno di 50 parti per trilione) l’isoprene può essere benefico, perché i prodotti della sua degradazione possono catalizzare la formazione di HO, un “detergente chimico” atmosferico che accelera la rimozione di inquinanti organici e riduce i gas serra regionali come il metano (CH4)[4–7]. Tuttavia, se ci sono alte concentrazioni NOx nelle aree attorno agli alberi, l’isoprene può portare alla formazione di inquinanti secondari.

Isoprene

Terpeni

Questi composti chimici, prevalentemente derivati dalle piante, consistono di monoterpeni e sesquiterpeni con emissioni annue stimate in circa 150 e 30 teraton, rispettivamente[3]. Mentre l’isoprene viene emesso dagli alberi solo durante le ore di luce, i terpeni vengono emessi per tutto il giorno. Questi idrocarburi insaturi estremamente reattivi, svolgono molte funzioni nelle piante, compreso attrarre gli impollinatori, riparare le ferite, attrarre organismi che rimuovono i predatori, comunicare, maturare i frutti, proteggere dai raggi UV e allontanare specie reattive dell’ossigeno, in particolare O3, per mezzo di reazioni accelerate[8,9]. I terpeni spesso si accumulano in strutture specializzate, come i condotti resinali[9], da dove evaporano e reagiscono rapidamente, con tempi di vita di minuti o ore a seconda della struttura, posizione e quantità di ossidanti. C’è spesso del terpene residuo nel materiale vegetale morto, che rende la lettiera forestale più combustibile. D’altro canto, i terpeni possono essere benefici perché alterano la composizione chimica della troposfera e provocano un raffreddamento attraverso la formazione di SOA che funzionano da nuclei di accrescimento per la formazione di nubi[10].

MonoterpeniFonti comuniEsempi di utilizzo
MirceneTimo selvatico, luppolo, canapa, cardamomoPrecursore di diverse molecole di profumo
α-PinenePino europeo, rosmarino, canapa, eucalipto, olio di buccia d’aranciaSolvente, repellente per insetti, precursore per profumi
SabineneMaggiorana, peccio norvegese, leccioTrattamento per infiammazioni cutanee e dermatiti, agente antibatterico efficace contro i batteri gram-positivi
LimoneneOlio di agrumiSolvente, aromatizzante alimentare, profumeria, insetticida
CanfenePresente in molti oli essenzialiPrecursore per profumi e additivo aromatizzante per alimenti
Tabella 1. Esempi di monoterpeni, le loro fonti e usi comuni

Sono stati identificati cinque gruppi di alberi che producono monoterpeni (figura 1), in base ai carbocationi intermedi fondamentali nelle reazioni che li generano. Al cambiare della temperatura, le emissioni di monoterpeni cambiano da un gruppo a un altro, perché vengono attivati o disattivati differenti percorsi biochimici in risposta alle condizioni ambientali.

Figura 1. Emissioni di monoterpeni da una foglia classificata in gruppi. Le frecce rosse indicano le catene di reazioni preferite ad alta temeratura e quelle blu le catene di reazioni a  bassa temperatura. GPP è Geranil pirofosfato.  Dati dal Rif. [11].
Image: Christina Hof/Science in School, CC-BY

Ricerche recenti in Amazzonia hanno dimostrato che quando la temperatura della foglia sale da 27 a 35°C, i monoterpeni del Gruppo 4 e Gruppo 2 diminuiscono come specie principli presenti (da ~80% a 45%), mentre il Gruppo 1 sale da ~10% a 50%. [11]

Perché questo è importante? In molti modelli di chimica dell’atmosfera, utilizzati per predire il cambiamento climatico, viene normalmente considerato l’impatto di solo uno o due monoterpeni del Gruppo 2, poiché si ritiene che siano le specie dominanti. Ora si è dimostrato che questo non è vero al crescere della temperatura.

Le sfide attuali

Comprendere attraverso quali meccanismi si degradano questi composti è un sfida e la nostra comprensione del fenomeno è lontano dall’essere completa. Un meccanismo più completo per la degradazione delle molecole BVOC mostra che due, tre o forse quattro generazioni di prodotti di decadimento possono avere un impatto sul clima: il raffreddamento può essere molto più importante di quanto stimato inizialmente. [12] Sapere quali sono i prodotti di decadimento in ciascun passaggio, e quanto a lungo possono persistere nell’atmosfera, permetterebbe calcoli più accurati dei loro effetti sul clima. Si ritiene che, al crescere della temperatura, inizino ad aumentare le emissioni del Gruppo 1, perciò i loro prodotti di decadimento dovrebbero essere studiati con maggiore attenzione. Attualmente, solo composti a bassa temperatura del Gruppo 2 vengono considerati nei modelli climatici. Sebbene i monoterpeni reagiscano rapidamente con gli ossidanti principali dell’atmosfera, le persistenze di specie diverse variano in misura significativa. Perciò il loro ruolo nel modificare la composizione chimica dell’atmosfera a scala locale, regionale o anche globale, varia grandemente.  Per esempio, nelle condizioni pulite  (concentrazioni molto basse di NOx) delle foreste tropicali, la permanenza dei terpeni del Gruppo 1 è molto più breve rispetto a tutte le altre classi.[13–17 Questo riduce la distanza entro la quale si producono gli effetti dei prodotti di decadimento.

Antica faggeta di Biogradska Gora, Montenegro
Snežana Trifunović/Wikipedia, CC BY-SA 3.0

Non è quindi importante solo piantare più alberi, ma piantare le giuste specie alle latitudini giuste. Non ripristinare le foreste o, ancora peggio, ridurle ancora di più, avrà un impatto ben superiore all’aumento delle concentrazioni di CO2. La deforestazione porterà a un aumento delle temperature alla superficie che provocheranno un aumento delle emissioni di questi prodotti chimici. Un ostacolo importante alla nostra comprensione dell’impatto climatico della piantumazione di alberi è la mancanza di conoscenza dei meccanismi di decadimento di cinque gruppi di terpeni. Questa informazione potrebbe essere inserita nei modelli di previsione dei cambiamenti climatici per migliorarne la precisione.


References

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[14] Atkinson R, Aschmann SM, Arey J (1990) Rate constants for the gas-phase reactions of OH and NO3 radicals and O3 with sabinene and camphene at 296±2 K Atmospheric Environment 24: 2647­–2654. doi: 10.1016/0960-1686(90)90144-C

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Resources

Author(s)

Tim Harrison, il Dr. Anwar Khan, e il Prof. Dudley Shallcross fano parte del Gruppo di Ricerca Atmosferica alla SCuola di Chimica, Cantock’s Close, Università di Bristol, UK.


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