Introduzione
I processi idrotermali riguardano i movimenti sotterranei dell’acqua calda. (“Thermos” significa calore e “hydros” significa acqua.) Il calore è solitamente fornito da upwellings di magma dal mantello terrestre, e l’acqua proviene da precipitazioni che percola giù dalla superficie. L’acqua oceanica può anche entrare in contatto con il magma che sale continuamente dal mantello per formare nuova crosta oceanica lungo le creste medio-oceaniche. Due metalli, calcio e magnesio, sono trasportati in grandi quantità da processi idro-termici sul fondo del mare e sono importanti per l’equilibrio di anidride carbonica dell’oceano e quindi dell’atmosfera.
Background storico e fondamenti scientifici
Alcune manifestazioni di processi idrotermali includono geyser, fumarole e sorgenti calde. Questi si trovano generalmente in regioni di recente attività vulcanica. In tali luoghi, l’acqua superficiale può scendere attraverso le rocce fino a regioni ad alta temperatura vicino a un serbatoio di magma sotto la superficie terrestre. L’acqua diventa quindi riscaldata, quindi meno densa, e risale in superficie attraverso fessure e fessure. Geyser come Old Faithful Geyser nel Parco Nazionale di Yellowstone nel Wyoming eruttare quando una grande quantità di acqua calda riempie una cavità sotterranea, una parte dei quali si trasforma in vapore che fuoriesce in un potente getto fuori dal terreno.
Le fumarole emettono miscele di vapore e altri gas. L’idrogeno solforato, uno dei gas normalmente rilasciati dalle fumarole, si ossida in acido solforico e zolfo nativo in superficie. Queste sostanze chimiche rappresentano le rocce dai colori vivaci che si trovano in molte aree termali.
Le sorgenti calde sono scarichi naturali di acque sotterranee con temperature elevate. Si verificano in aree termali in cui la superficie della Terra interseca la falda freatica (il livello più alto della roccia satura di acqua). La temperatura e la velocità di scarico di una sorgente calda sono determinate dalla velocità con cui l’acqua circola attraverso il sistema di canali sotterranei che forniscono la sorgente, dalla quantità di calore fornita in profondità e dalla quantità di acqua riscaldata diluita dalle acque sotterranee fresche vicino alla superficie. Le sorgenti calde che si trovano nelle aree vulcaniche possono avere temperature dell’acqua vicine all’ebollizione.
L’attività idrotermale diffusa lungo le creste oceaniche fornisce un collegamento chimico tra i processi del fondale marino e l’anidride carbonica atmosferica (CO2). Le acque di fondo fredde possono penetrare a profondità di diversi chilometri sotto il fondo del mare attraverso fessure nel basalto fresco di cresta. Una volta che questa acqua viene riscaldata e reagisce chimicamente con il basalto caldo più profondo a temperature superiori a 572°F (300°C), sale in superficie attraverso sorgenti calde sul fondo dell’oceano. Le reazioni chimiche che si verificano durante questo processo includono la rimozione di magnesio e solfato e l’arricchimento di calcio, potassio e molti altri elementi nell’acqua di mare.
Lo scambio chimico di calcio per il magnesio è di particolare importanza perché il calcio reagisce con il bicarbonato (HCO3–) nell’oceano per formare CO2. Pertanto, l’unico processo significativo che bilancia gli input di calcio nell’acqua dell’oceano provoca il rilascio di CO2, che alla fine trova la sua strada nell’atmosfera. I ricercatori stimano che le bocche idrotermali rappresentino attualmente il 14-22% di tutta la CO2 che entra nell’atmosfera da fonti naturali.
Impatti e problemi
Negli 1980, Robert M. Owen e David K. Rea dell’Università del Michigan hanno trovato prove che l’aumento dell’attività idrotermale sul fondo marino potrebbe essere stato responsabile di un periodo di aumento dei livelli atmosferici di CO2 e del successivo riscaldamento globale verificatosi 50 milioni di anni fa. I due oceanografi ipotizzarono che l’attività tettonica (processi in cui sezioni della crosta terrestre entrano in contatto l’una con l’altra) durante l’epoca eocenica causasse un’intensa attività idrotermale. Questo, a sua volta, ha causato un effetto serra globale, che può fornire l’unico analogo storico al riscaldamento globale antropogenico (causato dall’uomo) attualmente in corso.
Per determinare i livelli di attività idrotermale passata, Owen e Rea hanno misurato le concentrazioni di ferro e silice, due sostanze chimiche comunemente presenti nelle acque termali, nei campioni di sedimenti e nuclei di roccia prelevati nel Pacifico orientale. Questi dati, insieme ai dati geologici per il periodo Eocene raccolti da altri ricercatori, hanno mostrato livelli di ferro sei volte maggiori e livelli di silice fino a 20 volte maggiori di quelli attuali. Ciò indicava che i processi idrotermali nell’oceano erano effettivamente notevolmente intensificati durante l’Eocene.
L’Eocene è stato caratterizzato da un pronunciato cambiamento climatico paragonabile a quello che si prevede per il mondo entro il prossimo secolo. La temperatura è aumentata di 9 ° F (5°C) rispetto a quella dell’epoca precedente. I dati di quel periodo mostrano anche che l’aria era umida, c’era una ridotta circolazione atmosferica e un riscaldamento amplificato si verificava ai poli.
PAROLE DA SAPERE
EPOCA EOCENICA: periodo geologico da 55,8 milioni di anni fa a 33,9 milioni di anni fa. Il clima globale era molto più caldo di oggi durante la maggior parte dell’Eocene, con condizioni tropicali che si estendevano fino alla latitudine temperata di oggi. L’inizio dell’Eocene fu segnato dal Massimo termico Paleocene-Eocene, un improvviso aumento della temperatura globale durato solo circa 200.000 anni che causò l’estinzione di molte specie e aprì la strada all’evoluzione dei mammiferi moderni.
FUMAROLA: Apertura nel terreno che emette gas vulcanici e vapore. Un gas comunemente emesso è l’anidride carbonica.
GEYSER: sorgente termale che periodicamente spruzza vapore e acqua calda nell’aria. Un geyser richiede un percorso dalla falda freatica a contatto con una fonte di calore geotermico.
PERIODO GIURASSICO: unità di tempo geologico da 200 milioni di anni fa a 145 milioni di anni fa, famoso nella cultura popolare per i suoi grandi dinosauri. La temperatura media globale e le concentrazioni di anidride carbonica atmosferica erano entrambe molto più alte durante il Giurassico rispetto ad oggi.
MAGMA: roccia fusa in profondità all’interno della Terra che consiste di liquidi, gas e particelle di rocce e cristalli. Il magma è alla base delle aree di attività vulcanica e sulla superficie terrestre è chiamato lava.
PRECIPITAZIONI: Umidità che cade dalle nuvole. Anche se le nuvole sembrano fluttuare nel cielo, cadono sempre, le loro gocce d’acqua vengono lentamente tirate giù dalla gravità. Poiché le gocce d’acqua sono così piccole e leggere, possono essere necessari 21 giorni per cadere 1,000 ft (305 m) e le correnti del vento possono facilmente interrompere la loro discesa. L’acqua liquida cade come pioggia o pioggerellina. Tutte le gocce di pioggia si formano attorno a particelle di sale o polvere. (Parte di questa polvere proviene da minuscoli meteoriti e persino dalle code delle comete.) Gocce di acqua o ghiaccio si attaccano a queste particelle, quindi le gocce attirano più acqua e continuano a diventare più grandi fino a quando non sono abbastanza grandi da cadere dalla nuvola. Le gocce di pioggerellina sono più piccole delle gocce di pioggia. In molte nuvole, gocce di pioggia in realtà iniziano come piccoli cristalli di ghiaccio che si formano quando parte o tutto di una nuvola è sotto lo zero. Quando i cristalli di ghiaccio cadono all’interno della nuvola, possono scontrarsi con gocce d’acqua che si congelano su di loro. I cristalli di ghiaccio continuano a crescere più grandi, fino a quando abbastanza grande da cadere dalla nuvola. Passano attraverso l’aria calda, si sciolgono e cadono come gocce di pioggia.
TETTONICA: Relativo alla tettonica, lo studio scientifico delle forze che formano croste planetarie (catene montuose, continenti, fondali marini, ecc.).
UPWELLING: il movimento verticale dell’acqua nell’oceano con cui l’acqua sotterranea di temperatura inferiore e maggiore densità si muove verso la superficie dell’oceano. L’upwelling si verifica più comunemente tra le coste occidentali dei continenti, ma può verificarsi ovunque nell’oceano. I risultati di upwelling quando i venti che soffiano quasi paralleli a una costa continentale trasportano l’acqua superficiale leggera lontano dalla costa. L’acqua sotterranea di maggiore densità e temperatura inferiore sostituisce l’acqua superficiale ed esercita una notevole influenza sul clima delle regioni costiere. L’anidride carbonica viene trasferita nell’atmosfera nelle regioni di upwelling.
FALDA FREATICA: livello sotterraneo o profondità al di sotto del quale il terreno è saturo di acqua liquida. Dove la falda freatica interseca la superficie, si trova acqua (ad esempio, laghi, sorgenti, corsi d’acqua).
Altri episodi di cambiamento climatico sono stati collegati anche ai processi idrotermali. Henrik Svensen et al. (2003) hanno ipotizzato che i grandi complessi idrotermali identificati nei bacini di Vøring e Møre nell’Atlantico settentrionale e onshore nel bacino del Karoo in Sud Africa potrebbero aver rilasciato abbastanza metano, un importante gas serra, per innescare il cambiamento climatico globale e le estinzioni di massa. L’attività idrotermale passata nell’Atlantico settentrionale corrisponde all’inizio del riscaldamento globale durante l’Eocene, mentre l’attività idrotermale nel bacino del Karoo può spiegare un periodo di anossia oceanica (mancanza di ossigeno) durante il primo periodo giurassico. Eventi anossici come questo possono aver precipitato estinzioni di massa e si ipotizza che si verifichino durante i periodi di riscaldamento globale. Infine, un episodio di raffreddamento durante il tardo Eocene nel Mare di Ross in Antartide è stato collegato anche ai sistemi idrotermali.
Vedi anche Anidride carbonica (CO2); Energia geotermica; Effetto serra; Oceani e mari.
BIBLIOGRAFIA
Periodici
Dallai, Luigi, et al. “Sistemi idrotermali fossili che monitorano i cambiamenti climatici dell’Eocene in Antartide.”Geology 29, no. 10 (ottobre 2001): 931-934.
Owen, Robert M., e David K. Rea. “L’attività idrotermale del fondo marino collega il clima alla tettonica: la serra di anidride carbonica dell’Eocene.”Science 227, no. 4683 (11 gennaio 1985): 166-169.
Shackleton, Sir Nicholas J. e Anne Boersma. “Il clima dell’oceano Eocene.”Journal of the Geological Society London 138, no. 2 (aprile 1981): 153-157.
Svensen, Henrik, et al. “Global Climate Change Deriving from Voluminous Intrusive Basaltic Vulcanism in Sedimentary Basins: The Methane Transport and Eruption Mechanisms.”American Geophysical Union, Fall Meeting 2003, abstract # V21C-0528, 2003.
Weisburd, S. ” Sorgenti termali, clima caldo e CO2.”Science News 127 (23 marzo 1985): 20.
Siti web
“Energia geotermica e attività idrotermale.”USGS Cascades Volcano Observatory. 12 Maggio 2005. < http://vulcan.wr.usgs.gov/Glossary/ThermalActivity/description_thermal_activity.html> (accesso 4 novembre 2007).
Michele Chapman