Biosfera - Roma Tre

Biosfera
Leonardo Beccarisi
Corso di Ecologia
Università degli Studi di Roma Tre
3 marzo 2011
16a lezione
Sommario
1
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia
Il problema energetico
Compartimenti della biosfera
2
Distribuzione e formazione della biosfera
Estensione verticale
Formazione della biosfera
Biodiversità
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia
Biosfera
Biosfera Involucro terrestre in cui è presente la vita.
Alcune caratteristiche:
ˆ Disponibilità di una fonte di energia luminosa (il sole).
ˆ Presenza dell’atmosfera (un prodotto della forza
gravitazionale) che protegge da radiazioni ultraviolette
(tossiche per i tessuti biologici) e meteoriti.
ˆ Presenza di acqua in tre stati di aggregazione.
L’acqua:
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
costituisce il 60-80% della massa degli organismi viventi
occupa i 3/4 della superficie terrestre
è il medium in cui avvengono le reazioni biochimiche
è un solvente per sostanze polari o ioniche
ha funzione di trasporto di materia sia a livello di
organismo che di ecosistema
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia
Energia
Energia utilizzata dagli organismi autotrofi
ˆ Energia solare (fotoautotrofi)
ˆ Energia chimica di vari composti minerali (chemioautotrofi)
Fonti di energia naturale
ˆ Sole (energia solare)
ˆ Geotermia (energia geotermica)
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia
Fonti di energia primaria per l’uomo
A Fonti non rinnovabili
ˆ Carbone
ˆ Petrolio
ˆ Gas naturale
B Fonti rinnovabili
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
Energia
Energia
Energia
Energia
Energia
Energia
Energia
geotermica
idroelettrica
marina (moto ondoso, maree, . . . )
solare
eolica
da biomasse
da termovalorizzazione (incenerimento dei rifiuti)
C Energia nucleare
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia primaria
Centrale termoelettrica (Italia)
Fonti di energia
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia primaria
Centrale idroelettrica (Russia)
Fonti di energia
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia primaria
Impianto solare (USA)
Fonti di energia
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia primaria
Impianto eolico (Belgio)
Fonti di energia
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia primaria
Impianto eolico off-shore (Danimarca)
Fonti di energia
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia primaria
Centrale geotermica (Giappone)
Fonti di energia
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia primaria
Centrale nucleare (Spagna)
Fonti di energia
Energia e materia nella biosfera
Fonti di energia
Produzione di energia in Italia
Energia e materia nella biosfera
Il problema energetico
Combustione
Combustione del metano (CH4 )
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2 O
Energia e materia nella biosfera
Il problema energetico
Aumento della concentrazione atmosferica di
anidride carbonica
Concentrazione (in volume) di CO2 a Mauna Loa (Hawaii)
Energia e materia nella biosfera
Riscaldamento globale
Il problema energetico
Energia e materia nella biosfera
Il problema energetico
Soluzioni per la riduzione di CO2 atmosferica
ˆ Utilizzo di fonti energetiche rinnovabili
ˆ Risparmio energetico
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
Usare meno l’automobile
Isolare termicamente i fabbricati
Produrre meno rifiuti ed evitare gli sprechi consumistici
Utilizzare elettrodomestici ad alto rendimento energetico
Utilizzare lampade elettriche a basso consumo energetico
ˆ Immagazzinamento di CO2
ˆ Piantumare alberi
ˆ Minimum till (aratura minima dei campi coltivati)
ˆ Iniettare CO2 in strati di rocce sotterranee o in acque profonde
Energia e materia nella biosfera
Il problema energetico
Obiettivi della Unione europea per l’anno 2020
Pacchetto clima-energia: obiettivo 20/20/20 (2009) e Comunicazione Energia 2020
(2010)
Obiettivi ambientali
ˆ Incremento del 20% di produzione energetica da fonti rinnovabili
ˆ Riduzione del 20% delle emissioni di CO2
ˆ 20% in più di risparmio energetico
Obiettivi economici
ˆ Diminuire la dipendenza dai paesi
esteri produttori di idrocarburi
ˆ Costruzione di una rete comunitaria
che consenta una libera circolazione
dell’energia
ˆ Apertura di un dibattito su un
maggiore ricorso al nucleare
Energia e materia nella biosfera
Il problema energetico
La scelta dell’energia nucleare
Vantaggi, inconvenienti, rischi
Il nucleare presenta:
A. Vantaggi
ˆ Nessun inquinamento atmosferico
B. Inconvenienti
ˆ Necessità di un’assoluta sicurezza
C. Rischi
ˆ Incidenti gravi, improbabili ma possibili
ˆ Obiettivi ideali di attentati
ˆ Radiazioni radioattive delle scorie
Energia e materia nella biosfera
Il problema energetico
La scelta dell’energia nucleare
Smaltimento delle scorie radioattive
Un reattore con una potenza di 1000 megawatt
produce in media ogni anno 80 m3 di materiale a
bassa o media radioattività e circa 9 m3 di rifiuti
ad alta radioattività.
La maggior parte dei rifiuti è messa in depositi
provvisori.
Alcuni esperti propongono di finanziare nuove
ricerche per capire se le scorie parzialmente
esauste potrebbero trasformarsi in una riserva
strategica di energia per il futuro da utilizzare
all’interno di centrali di nuova concezione.
Energia e materia nella biosfera
Il problema energetico
Produzione di energia nucleare in Italia
La produzione di energia nucleare
in Italia durò dal 1963
(costruzione della centrale di
Latina) al 1987 (referendum
contro il nucleare).
Parte dell’energia attualmente
importataa viene prodotta con
centrali nucleari.
a
L’importazione di energia avviene
prevalentemente dalla Svizzera e dalla
Francia
I compartimenti della biosfera
Atmosfera
Idrosfera
Geosfera
Distribuzione e formazione della biosfera
Estensione verticale
Estensione verticale della biosfera
Distribuzione e formazione della biosfera
Formazione della Terra
4,6 miliardi di anni fa
Formazione della biosfera
Distribuzione e formazione della biosfera
Formazione della biosfera
Origine della vita
Condizioni della Terra primordiale da cui
trassero origine i primi composti organici
1 L’atmosfera era composta da metano,
ammoniaca, anidride carbonica,
idrogeno ed acqua; l’ossigeno
molecolare era scarso o assente
2
I primi semplici composti organici
(aminoacidi) si formarono in
quest’atmosfera esposta a varie forme
di energia (luce ultravioletta, scariche
elettriche)
3
Questi composti si accumularono in un
brodo primordiale
4
Dal brodo primordiale si svilupparono
le molecole organiche più complesse
Alexander Oparin (1894-1980)
Stanley Miller (1930-2007)
Distribuzione e formazione della biosfera
Formazione della biosfera
Prime rocce sedimentarie note
3,8 miliardi di anni fa
Le Banded Iron-Formations
(BIFs) di Isua (Groenlandia)
La temperatura della superficie solida
Era scesa da circa 1500° (punto di fusione del ferro), ad una temperatura
media compresa tra 0-100° (punti di ebollizione e di congelamento
dell’acqua).
Distribuzione e formazione della biosfera
Formazione della biosfera
I primi fossili
2,8 miliardi di anni fa
Stromatoliti
Ambiente di formazione attuale di
stromatoliti (Shark Bay, Australia).
Le stromatoliti sono strutture
sedimentarie, contenenti
carbonati, prodotte da
microrganismi fotoautotrofi, in
particolare cianobatteri
(= alghe azzurre).
Distribuzione e formazione della biosfera
Formazione della biosfera
I più antichi organismi multicellulari noti
670 milioni di anni fa
Fauna di Ediacara
Distribuzione e formazione della biosfera
Formazione della biosfera
I più antichi animali con rivestimento esterno
550 milioni di anni fa
Opabinia regalis (ricostruzione)
Distribuzione e formazione della biosfera
Formazione della biosfera
I più antichi animali con rivestimento esterno
550 milioni di anni fa
Aysheaia pedunculata (ricostruzione)
Distribuzione e formazione della biosfera
Formazione della biosfera
I più antichi animali con rivestimento esterno
550 milioni di anni fa
Pikaia gracilens (ricostruzione)
Distribuzione e formazione della biosfera
Formazione della biosfera
Ossigeno atmosferico
Great Oxygenation Event (GOE)
Le linee verde e rossa rappresentano il range delle stime (Ga = Miliardi di anni fa).
Stage 1 (3.85–2.45 Ga) Nessuna produzione di O2
Stage 2 (2.45–1.85 Ga) L’O2 prodotta è assorbita dagli oceani
Stage 3 (1.85–0.85 Ga) L’O2 prodotta inizia ad essere assorbita dalla superficie terrestre e
forma lo strato di ozono atmosferico
Stage 4 e 5 (0.85 Ga-presente) L’O2 si accumula nell’atmosfera
Distribuzione e formazione della biosfera
Formazione della biosfera
Ossigeno atmosferico
La funzione tossica dell’ossigeno
L’ossigeno inibisce alcuni processi fondamentali della biosfera.
L’azotofissazione1 è il processo con cui l’azoto molecolare atmosferico
viene convertito in ammoniaca. La presenza di ossigeno, anche a basse
concentrazioni, inattiva il processo. L’azotofissazione è svolta solo da
specie batteriche, come alcune alghe azzurre (in cui l’azotofissazione si
compie all’interno di cellule specializzate a membrana spessa, dette
eterocisti) ed altri batteri azotofissatori anaerobi o aerobi con
metabolismo particolare.
1
o fissazione dell’azoto
Distribuzione e formazione della biosfera
Biodiversità
Evoluzione biologica
L’evoluzione è un processo a due fasi:
1
Variazione genetica La produzione di
variazione genetica tra una
generazione e l’altra avviene grazie a
ˆ ricombinazione genetica
ˆ flusso genico
ˆ mutazioni
2
Selezione La selezione riguarda la
sopravvivenza differenziale tra gli
organismi di nuova formazione.
Distribuzione e formazione della biosfera
Che cosa è la biodiversità?
La biodiversità è la
moltitudine delle modalità con
cui la vita si manifesta.
a. Diversità di specie
b. Diversità genetica
c. Diversità di ecosistemi
Biodiversità
Distribuzione e formazione della biosfera
Biomi
I biomi sono tipi generali di
ecosistemi, distinti sulla base di:
ˆ condizioni climatiche
ˆ modalità di crescita
ˆ tipi di vegetazione.
Ogni bioma ha una propria peculiare
distribuzione geografica.
Biodiversità
Distribuzione e formazione della biosfera
Biodiversità
Distribuzione dei biomi
Cunningham Fig. 8.3 p.206
Distribuzione e formazione della biosfera
Biodiversità
Distribuzione dei biomi
Cunningham Fig. 8.2 p.206
Collegamenti con il libro di testo
Capitolo 3 pp. 69-71
Capitolo 4 pp. 101-103
Capitolo 8 pp. 205-207
Morin pp. 59-78
Letture consigliate
Ippolito F. (eds.), 1993 Ambiente Terra. I fattori naturali della sua evoluzione. Le
Scienze.
Mayr E., 1998 Il modello biologico. McGraw-Hill.
Siti web
Energy Strategy for Europe http://ec.europa.eu/energy
Forum Nucleare Italiano www.forumnucleare.it
Fonti delle immagini Wikipedia (pp. 24, 28, 13, 21, 15, 16);Paul Harrison (p. 27); Heinrich D. Holland (p. 32); Kristian Peters
(pp. 33); Aleksey Nagovitsyn (p. 28); Nobu Tamura (pp. 29, 31); Sitron (p. 30); jonadab (p. 4); StefanvonHalenbach (p. 22);
Uwe Gille (p. 23); IncessantBlabber (p. 20); erlandh (p. 18); Vignaccia76 (p. 6); Dr. Meierhofer (p. 7); Doc Searls (p. 8);
Melipal1 (p. 9); Kim Hansen (p. 10); Si-take (p. 11); RobertoUderio (p. 12); Wilson44691 (p. 26).
Presentazione realizzata con il sistema Beamer 3.07.