Geografia fisica - degradazione meteorica ed erosione

L’ANIDRIDE CARBONICA, LA DEGRADAZIONE CHIMICA E IL GEOSTISTEMA CLIMA

La variabilità della concentrazione dell’anidride carbonica nell’atmosfera determina

una variabilità della velocità ella degradazione. Se la concentrazione di anidride

carbonica nell’atmosfera aumenta, aumenta anche la quantità di questo gas nel suolo;

e ciò accelera i processi di degradazione chimica. Inoltre, l’anidride carbonica, essendo

un gas serra, favorisce il riscaldamento dell’atmosfera e quindi promuove la

degradazione. Ma d’altra parte, la degradazione chimica converte l’anidride carbonica

in ioni bicarbonato, e quindi fa diminuire la quantità di anidride carbonica

nell’atmosfera. Questa diminuzione di CO può portare, nel tempo, verso condizioni di

2

clima più freddo. In questo modo l’alterazione della superfice terrestre di un granulo di

feldspato è connessa alle cause delle variazioni climatiche globali. Un raffreddamento

dell’atmosfera, però, comporta una minore intensità di degradazione; e ciò conduce un

nuovo accumulo di CO nell’atmosfera e a un conseguente riscaldamento,

2

completando così il ciclo.

IL RUOLO DELL’ANIDRIDE CARBONICA

La reazione di un feldspato in acqua pura in laboratorio è un processo lentissimo. In

tali condizioni sarebbero necessarie migliaia di anni per alterare una piccola quantità

di feldspato: questa reazione non è quindi in grado di spiegare la degradazione

chimica, ben più rapida, che si osserva ampiamente in natura. Volendo accelerare la

reazione in laboratorio, si potrebbe usare un acido forte, come l’acido cloridrico,

capace di sciogliere il feldspato in alcuni giorni. Poiché gli ioni idrogeno hanno una

forte tendenza a combinarsi chimicamente con altre sostanze, gli acidi sono eccellenti

solventi. Sulla superfice terrestre, l’acido naturale più comune – e responsabile

dell’incremento di velocità della degradazione chimica – è l’acido carbonatico (H CO ),

2 3

un acido debole che si forma per dissoluzione nell’acqua piovana di una piccola

quantità di anidride carbonica (CO ) gassosa proveniente dall’atmosfera:

2

Anidride carbonica + Acqua = Acido Carbonico

CO H O H CO

2 2 2 3

Soluzioni di anidride carbonica in acqua sono familiari a tutti, basti pensare alle

bevande gasate. Quando si apre la bottiglia, la pressione diminuisce, il gas disciolto

esce dalla soluzione sotto forma di bollicine e la bevanda diventa meno acidula.

Quando la quantità di anidride carbonica nella bevanda eguaglia la quantità contenuta

nell’atmosfera, il gas non si libera più e la bevanda risulta debolmente acida e non più

effervescente, come l’acqua di pioggia. La quantità di anidride carbonica disciolta

nell’acqua piovana è piccola, essendo piccola la quantità di questo gas presente

nell’atmosfera. Circa lo 0,03& delle molecole presenti nell’atmosfera è costituita da

molecole di anidride carbonica; questa percentuale può apparire estremamente

piccola, ma fa sì che la CO sia il quarto gas atmosferico in ordine di abbondanza

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decrescente. La quantità di acido carbonico che si forma nell’acqua piovana è molto

piccola, essendo soltanto di circa 0,0006 g/L. al crescere della quantità di anidride

carbonica immessa nell’atmosfera dalla combustione di petrolio, gas naturale e

carbone fossile, cresce lievemente la quantità di acido carbonico presente nella

pioggia. La maggior parte dell’acidità delle cosiddette “piogge acide” è però dovuta ai

composti aeriformi dello zolfo e dall’azoto, che reagiscono con l’acqua per formare,

rispettivamente, l’acido solforico e l’acido nitrico, due acidi forti. Questi acidi

favoriscono l’alterazione chimica assai più dell’acido carbonico. Sebbene l’acqua di

pioggia contenga in soluzione una quantità relativamente piccola di anidride

carbonica, tale quantità è sufficiente per alterare i feldspati e disciogliere grandi

quantità di roccia in un lungo intervallo di tempo. È ora possibile scrivere la reazione

chimica che costituisce l’alterazione dei feldspati:

Feldspato + Acido Carbonico + Acqua = Caolinite D + Silice D + Ioni di Potassio D +

Ioni di Bicarbonato D +

KAlSi O 2H CO H O ALSi O (OH) 4SiO 2K

3 8 2 3 2 2 5 4 2

-

2HCO 3

D = Disciolto/i

Questa semplice reazione illustre i tre principali effetti prodotti sui silicati dalla

degradazione chimica. Essa provoca la dissoluzione dei cationi e della silice, produce

l’idratazione dei minerali e inoltre rende le soluzioni meno acide. Più specificatamente,

l’acido carbonico presente nell’acqua di pioggia favorisce la degradazione dei feldspati

nei seguenti modi:

• Una piccola quantità di molecole di acido carbonico si ionizza, formando ioni

+ 3-

idrogeno (H ) e ioni bicarbonato (HCO ). E ciò rende le gocce d’acqua

debolmente acide.

• L’acqua debolmente acida attacca i feldspati e fa passare in soluzione gli ioni

potassio e la silice, lasciando come residuo la caolinite, un’argilla solida. Gli ioni

idrogeno si combinano con gli atomi di ossigeno dei feldspati per formare

l’acqua che resta imprigionata nella struttura cristallina della caolinite. La

caolinite entra a far parte del suolo o viene asportata.

• Con il procedere della reazione la soluzione diventa meno acida.

• La silice disciolta, gli ioni potassio e gli ioni bicarbonato vengono portati via

dalle acque di pioggia che dilavano il terreno e dai corsi d’acqua e, alla fine,

giungono al mare.

IN NATURA: I FELDISPATI NEGLI AFFIORAMENTI ROCCIOSI E NEL SUOLO UMIDO

Ora che si conosce la reazione chimica con cui l’acqua piovana degrada i feldispati è

più semplice comprendere perché i feldispati di un affioramento roccioso si

conservano meglio di quelli sepolti da un suolo umido. I feldispati di una roccia nuda si

degradano soltanto mentre essa è inumidita dall’acqua piovana; durante tutti i periodi

aridi, l’unica umidità che si può trovare sulla roccia nuda è rappresentata dalla

rugiada. Nel suolo umido, invece, i feldispati sono continuamente a contatto con

piccole quantità d’acqua contenuta nei pori, ossia negli interstizi fra i granuli del suolo,

e perciò si degradano continuamente. La quantità di acido presente nell’acqua dei pori

del suolo è maggiore di quella presente nell’acqua piovana; infatti, quando l’acqua di

pioggia si infiltra nel suolo, essa porta con sé non soltanto l’acido carbonico che

conteneva inizialmente, ma anche l’acido carbonico addizionale e altri acidi, prodotti

dalle radici delle piante, dai numerosi insetti e da altri animali che vivono nel suolo,

oltre che dai batteri che decompongono i resti delle piante e degli animali. Questi acidi

organici, quindi, attaccano chimicamente i feldispati e altri minerali presenti nelle

rocce in profondità. Il processo respiratorio di questi batteri può far aumentare la

quantità di anidride carbonica presente nel suolo, fino a raggiungere un valore che è

cento volte superiore a quello atmosferico.

Le rocce subiscono la degradazione chimica più rapidamente nei climi tropicali che nei

climi temperati e nei climi freddi, poiché la velocità di degradazione cresce al crescere

della temperatura. Il principale motivo sta nel fatto che nei climi caldi e umidi le piante

e i batteri si sviluppano e proliferano rapidamente, fornendo acidi che favoriscono

l’alterazione e la dissoluzione. Inoltre, la maggior parte delle reazioni chimiche

acquista rapidità con l’aumentare della temperatura.

La rapida degradazione dei cerbonati

Anche l’olivina, il silicato che si altera più rapidamente, si discioglie in modo

relativamente lento rispetto altri minerali costituenti le rocce. I calcari, costituiti dai

minerali calcite (carbonato di calcio) e dolomite (carbonato di calcio e magnesio), sono

tra le rocce che si degradano più rapidamente nelle regioni umide. I vecchi edifici di

pietra calcarea presentano gli effetti della dissoluzione per opera dell’acqua di pioggia.

Le acque sotterranee disciolgono grandi quantità di minerali carbonatici,

determinando la formazione di grotte nelle formazioni calcaree. Data la velocità di

dissoluzione dei calcari durante la stagione della crescita vegetativa, gli agricoltori e i

giardinieri aggiungono calcare ai suoli per bilanciare l’acidità. Quando i calcari si

disciolgono non si formano minerali delle argille; essi infatti si dissolvono

completamente e i loro costituenti vengono asportati in soluzione acquosa. L’acido

carbonico promuove la dissoluzione dei calcari, oltre che l’alterazione dei silicati. La

reazione globale con cui la calcite, il principale minerale dei calcari, si scioglie

nell’acqua piovana, o in altra acqua contenente anidride carbonica, è la seguente:

Calcite + Acido Carbonico = Ione Calcio + Ione Bicarbonato

2+ 3-

CaCO H CO Ca 2HCO

3 2 3

Questa reazione procede soltanto in presenza di acqua, che contiene l’acido carbonico

e gli ioni disciolti. Quando la calcite si discioglie, gli ioni calcio e bicarbonato vengono

asportati in soluzione. Quando si discioglie la dolomite (CaMg[CO ] ), una altro

3 2

abbondante carbonato, vengono prodotte quantità uguali di ioni calcio e di ioni

magnesio.

Stabilità chimica: un controllo della velocità di alterazione

Sulla superfice terrestre le rocce silicatiche sono molto più abbondanti di quelle

calcaree. Tuttavia, poiché i carbonati si disciolgono più rapidamente e in maggiori

quantità rispetto ai silicati, la degradazione chimica dei calcari incide sulla

degradazione chimica annuale totale delle terre emerse più di qualsiasi altra roccia. La

diversa velocità di alterazione e di dissoluzione dei minerali dipende dalla loro diversa

stabilità chimica, in presenza di acqua e a determinate temperature. La stabilità

chimica è una misura della capacità di una sostanza chimica a rimanere in una data

forma chimica invece di reagire spontaneamente per assumere una differente forma

chimica; e la stabilità o la instabilità chimica di una sostanza dipende da un insieme di

condizioni ambientali. I feldispati, per esempio, sono stabili alle condizioni che

contraddistinguono la crosta profonda, ma sono instabili alle condizioni esistenti sulla

superfice terrestre. Le caratteristiche di un minerale che consentono di determinare la

stabilità chimica sono due: la solubilit&agrav