Pubblichiamo un interessante contributo scritto da un affermato fisico italo-argentino, Roberto Gratton. L’articolo è un po’ lungo e anche un po’ difficile ma sicuramente chiaro ad un’attenta lettura e dedicato ad un tema poco conosciuto. Leggetelo per capire meglio uno dei tanti squilibri provocati dall’uomo a causa del suo impatto “aggressivo” sulla natura.

 

Il gas delle nostre cucine è in gran parte metano, un composto di carbonio e idrogeno dalla semplice formula CH4. Quando brucia, cioé quando riesce a combinarsi con l’ossigeno dell’aria, cosa che non accade in condizioni normali, i prodotti della reazione sono molecole di anidride carbonica e vapore d’acqua sparate a grande velocità, che, frenate dall’aria stessa (o da altri ostacoli), cedono la loro energia sotto forma di calore. Ma se apriamo la manopola del gas, per accendere la fiamma occorre un cerino. Ció perché la reazione si sviluppa solo se la temperatura è altissima, ma, una volta iniziata, la fiamma non si spegne finchè non chiudiamo la manopola.

Il metano nell’atmosfera

Nell’universo c’è molto metano. Ad esempio abbonda nelle atmosfere dei pianeti giganti del sistema solare. Ma in un campione di un litro preso a caso nell’atmosfera terrestre il metano occuperebbe un pò meno di due millimetri cubici, cosí poco che per misurare la sua concentrazione ci vogliono tecniche raffinate. A titolo di confronto, nello stesso campione, il vapore d´acqua occuperebbe un paio di centimetri cubici e l’anidride carbonica un pò meno di mezzo centimetro. Ma la nostra atmosfera è tanto estesa da contenere circa 5000 milioni di tonnellate di metano (d’ora in poi, invece di milioni di tonnellate, diremo teragrammi: Tg), tanto quanto il gas estratto in tre anni da tutti i giacimenti del mondo. Però circa il 99% del gas estratto è bruciato, e per ogni molecola bruciata di metano se ne libera una di anidride carbonica nell’aria. Questo è un male, ma un male minore: sarebbe assai peggio se il metano fosse semplicemente rilasciato senza essere bruciato.

Due secoli fa c’era nell’atmosfera meno della metà del metano che c’è addesso. Lo sappiano dell’aria nelle bolle racchiuse in ghiacciai molto stabili e spessi. Questa tecnica ci dice quanto metano c’era fino a più di 400.000 anni fa. Ebbene, in questi 400.000 anni la quantitá di metano è oscillata tra circa 1200 e 2500 Tg, cioè molto al di sotto dei 5000 Tg attuali, e mai è cresciuta così velocemente come in questi ultimi 200 anni.

Da questa “storia” del metano ricaviamo in primo luogo che per moltissimo tempo il suo contenuto nell’atmosfera è stato regolato da un bilancio tra processi di immissione e di eliminazione del tutto naturali, ma variabili e non sempre equilibrati, dipendenti da fattori diversi, tra i quali i principali sembrano essere stati la temperatura e l’umidità. Invece, negli ultimi 200 anni, caratterizzati da una forte crescita della popolazione unana e delle sue attività, ci sono stati grossi mutamenti: i processi naturali sono stati alterati nella loro entità ed altri nuovi processi sono comparsi, con il risultato netto di uno squilibrio a favore delle immissioni.

Ma perchè occuparci di un gas la cui concentrazione nell’aria, sia pure in crescita, è così piccola? Innanzitutto il metano non è assolutamente tossico. Anche la puzza che rivela le perdite si deve a minime quantità di gas innocui aggiunti proprio con quello scopo. Perchè? Perchè forti perdite di metano, a parte lo spreco, possono provocare esplosioni se in qualche punto la concentrazione diventa troppo alta e se scoccasse una scintilla. Questo rischio è però tollerabile e con un pò di precauzioni si può ridurlo quasi a zero.

Il metano dell’atmosfera, anche se così scarso, ha però un ruolo non trascurabile nel determinare le temperatura tipiche nel sottile strato dove si sviluppa la vita. Una superficie ideale a un centinaio di chilometri d’altezza che racchiude la Terra è attraversata nei due sensi da flussi di energia trasportata da onde. Quelle che entrano vengono dal Sole e quelle che escono si perdono nello spazio. In ambedue i casi si tratta di onde elettromagnetiche, i cui gli spettri sono assai diversi. Inoltre, ambedue i flussi sono fortemente non uniformi e variabili nel tempo. Globalmente, però, e su tempi abbastanza lunghi, l’energia uscente bilancia quella entrante. Il bilancio avviene attraverso la mediazione dell’atmosfera e della superficie, e coinvolge un complesso insieme di fattori, che a loro volta agiscono l’uno sull’altro. Citiamo, ad esempio, lo stato della superficie (se coperta d’acqua, se desertica, se boscosa, se innevata), il contenuto d’acqua nell’aria, l’abbondanza ed il tipo di nuvole, la temperatura vicino alla superficie, i venti e le correnti marine, ma anche l’abbondanza di certi gas -tra cui l’anidride carbonica e il metano- in quanto anche piccole variazioni delle loro concentrazioni rendono l’atmosfera più o meno opaca alla radiazione infrarossa, il che è importante. Se uno di questi fattori subisce una variazione, almeno alcuni altri devono anch’essi variare per ripristinare l’equilibrio (medio e globale) tra i flussi entranti e uscenti.

Il sistema è così complesso che non si può stabilire a priori come reagirebbe, ad esempio, ad un cambio dell’opacità dell’atmosfera nell’infrarosso. Ma si può idealmente isolare un unico altro fattore che per buone ragioni si ritiene collegato e supporre fissi tutti gli altri. Questo metodo può sembrare arbitrario ma finchè si tratta di piccole variazioni risulta abbastanza affidabile. Inoltre, piaccia o no, è in pratica l’unica cosa che si puó fare. Ma torniamo al nostro caso. Se ci limitiamo a due soli fattori, e cioè l’opacitá dell’atmosfera nell’infrarosso e la temperatura vicino alla superficie, mantenendo fisso tutto il resto, si puó dimostrare che un incremento di opacità porta ad un incremento della temperatura. Ora, aumentare i tassi di emissione (Tg per anno, Tg/a) dell’anidride carbonica e del metano fa crescere le loro concentrazioni nell’atmosfera e la rende più opaca nell’infrarosso. Quindi, a parità degli altri fattori, ne seguirebbe un incremento della temperatura (ci sono altri gas che producono lo stesso effetto, in particolare il vapore d’acqua, ma tralasceremo questo caso, non perchè non sia importante -anzi, è importantísimo- ma il discorso si farebbe troppo complicato per via dei cambi di stato che si danno nella stessa atmosfera).

Riassumendo, pur nei limiti di modelli molto idealizzati, l’ìncremento delle emissioni di questi due gas porta ad una Terra un po’ più calda, ma è importante dire che l’aggiunta di una molecola di metano produce un effetto molte volte più grande dell’aggiunta di una di anidride carbonica. Appunto dicevamo che è meglio bruciare tutto il metano estratto dai giacimenti!

L’uomo e il metano

Passiamo ora ad esaminare i processi che regolano la quantità di metano nell’atmosfera, per capire come  essa è influenzata dalle attività umane ed in particolare dall’allevamento delle mucche.  Comincieremo col dire che, una volta immesso nell’atmosfera, il metano viene eliminato lentamente. Se di colpo cessasse l’emissione occorrebbero nove anni per dimezzare i 5000 Tg ora presenti. Ció vuol dire che gli attuali tassi di emissione e di eliminazione sono di circa 600 Tg/a.  Sappiamo già che il metano è inossidabile a temperatura ambiente; chimicamente lo attaccano soltanto molecole instabili (ioni negativi OH*) che si formano nell’aria umida e scompaiono molto rapidamente, cosicchè la loro concentrazione è sempre bassissima. Ciò malgrado, queste fuggenti molecole distruggono circa l’80% del metano immesso. Un pó meno del 10% è convogliato da potenti correnti ascendenti fino alla stratosfera, dove la radiazione ultravioletta rende possibili altre reazioni. Infine, una frazione finora valutata con grande incertezza (tra il 3% e il 10%) filtra nel suolo ed è distrutta da batteri detti metanotrofi.

Quanto ai processi di emissione sono in prevalenza dovuti all’azione di batteri, detti metanogenici. Le eccezioni sono le perdite di gas (circa 15 Tg/a), le fuoruscite dalle miniere di carbone (assai piú importanti, tra 60 e 90 Tg/a) e il metano liberato negli incendi di boschi e praterie (stimato con grande incertezza tra 15 e 80 Tg/a); piccole in confronto sono le emmssioni “geologiche”, circa 10 Tg/a. Come si vede queste sorgenti “non batteriche” sono dovute quasi tutte ad attività umane.

Torniamo ora ai batteri metanogenici, causa di emmissioni tra i 400 e i 500 Tg/a. Questi batteri si nutrono di materia organica “morta”, in larga prevalenza vegetale, per lo più cellulosa, portandola a forme via via più semplici e liberando nel contempo metano (e altri gas in proporzioni minori). Ma non sono i soli a nutrirsi di materia organica: hanno competitori che, invece, liberano soprattutto anidride carbonica. L’ago della bilancia è l’abbondanza dell’ossigeno nell’ambiente dove ha luogo la decomposizione. Se l’ ossigeno manca o è scarso, ossia le condizioni sono anaerobiche, quelli che prevalgono sono i batteri metanogenici e viene emmesso metano. Ma di che ambienti si tratta?

Innanzitutto i fondi delle acque stagnanti  di torbiere, paludi e acquitrini di svariati tipi, compresi la tundra e i bassifondi costieri, dove affondano lentamente resti vegetali e dove l’ossigeno scarseggia, a differenza delle acque correnti. Molti di questi ambienti sono naturali, e mandano nell’atmosfera tra 100 e 200 Tg/a, ma ce ne sono anche di artificiali: i più importanti sono le risaie ad annegamento, che emettono tra 50 e 100 Tg/a.  Un altra sede per la decomposizione anaerobica sono i depositi di pattume, dai quali fuoriescono circa 50 Tg/a.

Le mucche e il metano

pink_floyd_atom_heart_mother copiaE veniamo finalmente al nostro titolo: quasi 200 Tg/a  provengono da batteri attivi in ambienti anaerobici assai diversi, ma tutto sommato con forti analogie: gli stomaci degli erbivori. E qui occorre fare un discorso a parte. Nel mondo d’oggi, tolti gli insetti, (tra i quali solo le termiti sembra cha diano un contributo importante, valutato sui 25 Tg/a), sono gli erbivori domestici -specie le mucche e le pecore- a prevalere largamente in produzione di biomassa. Per ogni chilo vivente di erbivori domestici che brucano -tra boschi, savane, sterpaie, steppe- ci sono solo 70 grammi di erbivori selvatici. Basti questo confronto per capire quanto l’uomo abbia cambiato il mondo!

Quindi, mentre l’emissione dovuta agli erbivori selvatici è piccola, circa 10 Tg/a, quella dovuta agli erbivori domestici supera certamente i 100 Tg/a, e tra questi sono le mucche, per quantità (tra 1000 e 1500 milioni di capi) e dimensioni, i massimi contribuenti.

Vale la pena dedicare qualche riga alla digestione delle mucche, il processo che trasforma erba e granaglia in succulente bistecche o nutriente latte. Le mucche si nutrono essenzialmente di parti di piante, vale a dire cellulosa ed altri carboidrati non solubili nell’acqua. Le piante contengono anche molta lignina, anch’essa un carboidrato ma tanto “duro” che neppure gli erbivori riescono a ricavarne nutrimento. La materia ingerita deve essere trasformata in sostanze più semplici che la mucca puó sfruttare. Il primo passo è la triturazione del cibo nella bocca. Dopodiché, il cibo triturato viene spinto in una grossa cavità -detta ruminale- dove, in assenza di ossigeno, a circa 39ºC, viene “processato” dai batteri. Teoricamente la mucca dovrebbe sfruttare al massimo l’energia disponibile e cosí sarebbe se i residui fossero solo anidride carbonica e acqua, composti non combustibili. Ma lungo alcune vie di decomposizione (ce ne sono diverse, secondo le sostanze ingerite) si libera idrogeno, che, combianandosi con il carbonio nella stessa cavità ruminale, forma metano. Una volta formato, come abbiamo detto, sebbene si tratti di un combustibile ad alto contenuto energetico, il metano è assai stabile a basse temperature (come i 39 gradi della cavità ruminale). Quindi la mucca non può far altro che espellerlo insieme con l’anidride carbonica. Le quantità prodotte sono notevoli: i due gas sommati si formano ad un tasso di oltre mezzo litro al minuto.

Ma dove finisce allora tutto questo gas?  All’incirca una volta al minuto le pareti della cavità si contraggono e il gas è espulso verso la bocca. Si tratta di una specie di rutto ma in realtà soltanto una piccola parte del gas fuoriesce direttamente. Il resto si somma al normale flusso respiratorio (molto grande, se consideriamo che per ogni atto, e ce ne sono tra 10 e 15 al minuto, la mucca inspira circa 5 litri d’aria). Semplicemente la frazione di metano nell’aria espirata cala fino alla successiva contrazione ruminale.

mucche (da sxc.hu)La quantitá di metano che emette una mucca dipende da fattori non ancora del tutto chiariti. Certamente c’è una dipendenza abbastanza diretta con il peso dell’animale. Ma, come detto, le vie di decomposizione sono diverse e su di esse influisce la qualità dell’alimentazione e l’eventuale presenza di certe sostanze. Sta di fatto che una mucca sui 400 chili emmette in media tra 0,15 e 0,3 chili di metano al giorno: una quantitá rispettabile!

Forse queste cifre dicono poco, ma, sia pure attraverso calcoli piuttosto complicati, si puó vedere che per ogni bella bistecca alla florentina che gustiamo, si è liberato nella nostra atmosfera circa mezzo chilo di metano!

La prima ragione, forse la principale, per cercare di abbassare queste cifre è frenare l’emissione di metano verso l’atmosfera. Non vale la scusa che tutti gli erbivori emmettono metano, ossia che in fondo si tratta di un fatto naturale. L’esistenza sulla Terra di oltre 1000 milioni di capi bovini non è affatto naturale!

C’è una seconda ragione, però. Da un punto di vista energetico, le mucche sono un po’ come una cucina con una perdita. La fuga di un gas ad alto contenuto energetico sarebbe infatti da evitare. Messa in cifre, è una perdita in media tra il 6% e il 9% dell’energia teoricamente disponibile. Proprio come se per ogni metro cubo di gas che arriva a casa lasciassimo sfuggire nell’aria tra i 60 e i 90 litri. E’ chiaro che nessuno vorrebbe avere a casa una cucina con una simile perdita. Se riuscissimo ad eliminarla non soltanto ne verrebbe un beneficio per la nostra atmosfera, ma anche per le tasche dei produttori di latte e di carne!

Il punto è che non si tratta di riparare un tubo o una valvola. Certamente la perdita di metano delle mucche si riduce riducendo la proporzione di cellulosa dell’alimentazione rispetto agli amidi contenuti nei grani. In altre parole, le mucche alimentate a grani perdono meno metano (all’incirca la metà) di quelle che pascolano nelle praterie. Ma a sua volta, la produzione dei grani produce conseguenze ambientali assai serie. La vera sfida è quindi ridurre le perdite di metano mantenendo l’alimentazione a pascolo. Non è una sfida disperata. Ci sono buone ragioni (sarebbe troppo lungo elencarle) per ritenere possibile una riduzione sostanziale ma occorrono lunghi studi e soprattutto molte misure applicate a mucche mantenute quanto più possibile in condizioni simili a quelle che ci sono in campagna.

 

ps. ringraziamo Federico Luciani dell’Accademia del Fumetto di Pescara per la vignetta d’apertura dell’articolo