La Chimica del Mare

 

Il mare, una vasta distesa di acqua salata che copre oltre il 70% della superficie terrestre, è molto più di una semplice massa liquida. È un sistema dinamico e complesso, la cui chimica è fondamentale per la vita sul nostro pianeta. Dalla composizione elementare alle interazioni biogeochimiche, la chimica del mare influenza il clima, sostiene ecosistemi unici e offre risorse inestimabili. Questo articolo, pur mantenendo un carattere prettamente divulgativo, si propone di esplorare in profondità gli aspetti chiave della chimica marina.

La composizione elementare: i mattoni del mare

L'acqua di mare è una soluzione complessa di sali, gas e materia organica disciolti. Sebbene l'acqua (H₂O) sia il componente più abbondante, la sua salinità, ovvero la quantità totale di materiale disciolto in un chilogrammo di acqua di mare, è il parametro più distintivo. La salinità media globale è di circa 35 grammi per chilogrammo (o 35‰).

I principali ioni responsabili della salinità sono:

• Cloruro (Cl⁻): l'anione più abbondante, circa il 55% della massa totale dei soluti.
• Sodio (Na⁺): il catione più abbondante, circa il 30% della massa totale dei soluti.
• Solfato (SO₄²⁻): circa il 8% della massa totale.
• Magnesio (Mg²⁺): circa il 4% della massa totale.
• Calcio (Ca²⁺): circa l'1% della massa totale.
• Potassio (K⁺): circa l'1% della massa totale.

Oltre a questi ioni maggiori, l'acqua di mare contiene una miriade di elementi minori e in tracce, molti dei quali sono essenziali per la vita marina. Questi includono, tra gli altri, bromo, stronzio, boro, fluoro, silicio, azoto e fosforo. La loro concentrazione, sebbene bassa, può avere un impatto sproporzionato sui processi biologici.

Gas disciolti: il respiro del mare

Il mare è un gigantesco serbatoio di gas atmosferici. La solubilità dei gas nell'acqua di mare dipende dalla temperatura, dalla salinità e dalla pressione. I gas più importanti dal punto di vista chimico e biologico sono:

• Ossigeno (O₂): essenziale per la respirazione della maggior parte degli organismi marini. La sua concentrazione varia significativamente con la profondità, la temperatura e l'attività biologica. Le zone a minimo ossigeno (OMZ) sono aree dove la concentrazione di ossigeno è drasticamente ridotta, con profonde implicazioni per la vita marina.
• Anidride Carbonica (CO₂): l'anidride carbonica, anche detta diossido di carbonio, è di cruciale importanza. L'oceano è il più grande serbatoio di carbonio attivo sulla Terra e svolge un ruolo fondamentale nel ciclo globale del carbonio. La CO₂ disciolta in acqua di mare forma un sistema tampone complesso che coinvolge acido carbonico (H₂CO₃), ioni bicarbonato (HCO₃⁻) e ioni carbonato (CO₃²⁻). Questo sistema regola il pH dell'acqua di mare e assorbe una quantità significativa dell'anidride carbonica antropogenica dall'atmosfera, mitigando, ma non eliminando, il cambiamento climatico.

Il sistema del diossido di carbonio: un regolatore climatico e una sfida

Il sistema del diossido di carbonio nell'oceano è di vitale importanza. Quando la CO₂ atmosferica si dissolve nell'acqua di mare, si verificano le seguenti reazioni:

CO₂(aq) ​+ H₂​O ⇌ H₂​CO₃​ (Acido carbonico)

H₂​CO₃​ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻​ (Ione idrogencarbonato o bicarbonato)

HCO₃⁻​ ⇌ H⁺ + CO₃^2−​ (Ione carbonato)

Questo sistema tampone è ciò che ha mantenuto il pH oceanico relativamente stabile per milioni di anni. Tuttavia, l'eccessivo assorbimento di CO₂ atmosferica dovuta alle attività umane sta causando un fenomeno noto come acidificazione degli oceani. L'aumento della concentrazione di ioni idrogeno (H⁺) abbassa il pH dell'acqua di mare, rendendola più acida.

Le conseguenze dell'acidificazione degli oceani sono profonde:

• Impatto sulla calcificazione: molti organismi marini, come coralli, molluschi e plancton calcareo, costruiscono i loro scheletri e gusci utilizzando ioni carbonato (CO₃²⁻). Con la diminuzione della disponibilità di ioni carbonato dovuta all'acidificazione, la calcificazione diventa più difficile, rendendo questi organismi più vulnerabili.
• Effetti fisiologici: l'acidificazione può avere impatti diretti sulla fisiologia degli organismi marini, influenzando la crescita, la riproduzione e il metabolismo.
• Alterazioni delle reti trofiche: l'impatto su specie chiave può riverberarsi lungo l'intera rete trofica marina, alterando gli equilibri degli ecosistemi.

Nutrienti: il carburante della vita marina

I nutrienti, in particolare i composti di azoto, fosforo e silicio, sono essenziali per la crescita del fitoplancton, i produttori primari dell'oceano. La loro disponibilità limita spesso la produttività biologica.

• Azoto: presente principalmente come nitrati (NO₃⁻), nitriti (NO₂⁻), ammoniaca (NH₃) e azoto organico. Il ciclo dell'azoto marino è complesso e coinvolge processi come la fissazione dell'azoto (da N₂ a composti organici), la nitrificazione e la denitrificazione.
• Fosforo: principalmente come fosfato (PO₄³⁻). Il fosforo è un nutriente cruciale per la costruzione di ATP, DNA e membrane cellulari.
• Silicio: essenziale per la formazione del frustolo (scheletro siliceo) di diatomee, un gruppo importante di fitoplancton.

La distribuzione dei nutrienti nell'oceano è disomogenea e influenza la produttività primaria. Le aree di risalita (upwelling), dove acque profonde ricche di nutrienti vengono portate in superficie, sono zone altamente produttive.

Microminerali ed elementi presenti in traccia: ruoli discreti ma fondamentali

Anche elementi presenti in concentrazioni estremamente basse, come ferro, zinco, rame, manganese e cobalto, svolgono ruoli vitali. Molti di essi sono cofattori enzimatici e sono essenziali per processi biologici chiave, come la fotosintesi e la fissazione dell'azoto. La disponibilità di ferro, in particolare, è spesso un fattore limitante per la produttività primaria in vaste aree dell'oceano aperto.

Materia organica disciolta e particolata: la componente carboniosa del mare

L'oceano contiene una vasta gamma di composti organici, sia disciolti (DOM) che particolati (POM). Questi includono carboidrati, proteine, lipidi, acidi nucleici e una moltitudine di molecole organiche complesse.

• Materia Organica Disciolta (DOM): costituita da molecole organiche di varie dimensioni e complessità. È una fonte di energia e nutrienti per i microrganismi marini e svolge un ruolo importante nel ciclo globale del carbonio.
• Materia Organica Particolata (POM): include organismi vivi, detriti, feci e aggregati. La POM è una componente chiave della "neve marina" che affonda attraverso la colonna d'acqua, trasportando carbonio e nutrienti verso le profondità oceaniche e il fondo marino.

Cicli biogeochimici: l’interconnessione chimica e biologica

La chimica del mare non è statica; è guidata da una complessa rete di cicli biogeochimici che coinvolgono processi fisici, chimici e biologici. Oltre al ciclo del carbonio, altri cicli fondamentali includono:

• Ciclo dell'azoto: trasformazione e riciclo dell'azoto attraverso diverse forme.
• Ciclo del fosforo: movimento del fosforo tra le riserve oceaniche.
• Ciclo del silicio: l'assorbimento e il rilascio di silicio da parte degli organismi.
• Ciclo dello zolfo: coinvolge composti come il solfato e il dimetilsolfuro (DMS), che influenza la formazione di nubi e il clima.

Questi cicli sono strettamente interconnessi e i cambiamenti in uno possono avere effetti a cascata su altri.

Conclusioni: l’importanza della chimica marina per il nostro futuro

La chimica del mare è un campo di studio vasto e in continua evoluzione, di importanza cruciale per comprendere il funzionamento del nostro pianeta. Dalla regolazione del clima alla sostenibilità degli ecosistemi marini e alla fornitura di risorse, ogni aspetto della vita sulla Terra è influenzato dalla composizione chimica degli oceani.

Le sfide attuali, come l'acidificazione degli oceani e l'inquinamento, sottolineano l'urgente necessità di una ricerca continua e di una gestione saggia per proteggere questo ambiente vitale per le generazioni future. Comprendere la chimica del mare non è solo una questione accademica, ma una priorità per il benessere del nostro pianeta.