Permafrost e circolazione dei gas nel sottosuolo antartico: segnali di un sistema che cambia

Il permafrost non è una barriera immobile: la sua capacità di trattenere i gas può cambiare nel tempo. Quando il sottosuolo diventa più permeabile, si aprono vie di circolazione che ne permettono il movimento verso la superficie
di Alessandra Sciarra e Livio Ruggiero
tratto da INGVAMBIENTE

Il permafrost è un terreno che rimane congelato per almeno due anni consecutivi, ma in molte regioni polari la sua stabilità si misura su scale temporali molto più lunghe. Non si tratta solo di ghiaccio: è un sistema complesso fatto di sedimenti, acqua e pori, la cui struttura controlla in modo diretto i processi che avvengono nel sottosuolo. Tra questi, uno dei più rilevanti è la circolazione dei gas. Il permafrost, infatti, può funzionare come una barriera che limita lo scambio tra profondità e atmosfera, trattenendo gas prodotti o accumulati nei sedimenti. 

Questa funzione è particolarmente importante perché tra questi gas si trovano anche anidride carbonica e metano, entrambi coinvolti nei processi climatici. Finché il sistema rimane compatto, questi gas restano in gran parte confinati. Ma il permafrost non è un blocco immutabile: la sua struttura può cambiare in risposta alle condizioni ambientali, modificando la permeabilità del terreno e la capacità di far passare i gas. Se questa “tenuta” si riduce, si aprono vie di circolazione che rendono possibile il loro movimento verso la superficie.

Comprendere se il permafrost mantiene la sua funzione di barriera oppure diventa più permeabile è quindi una questione centrale. In generale, osservare direttamente questi processi è difficile, perché le misure sono limitate nello spazio e nel tempo. Per questo motivo è necessario ricorrere a indicatori indiretti, in grado di ricostruire come i gas si muovono nel sottosuolo. È proprio su questo aspetto che si concentra lo studio (a cui hanno partecipato ricercatori INGV) condotto nelle McMurdo Dry Valleys. 

Un laboratorio naturale 

Le McMurdo Dry Valleys, in Antartide, rappresentano uno dei pochi contesti in cui questi processi possono essere osservati con maggiore chiarezza. Si tratta di un deserto freddo, quasi completamente privo di ghiaccio superficiale, dove le precipitazioni sono minime e l’evaporazione domina il bilancio idrico. In questo ambiente il permafrost è continuo e controlla in modo diretto la struttura del terreno, mentre lo strato attivo superficiale si scongela stagionalmente.

Queste condizioni rendono le Dry Valleys un laboratorio naturale particolarmente efficace. L’assenza di copertura glaciale consente l’accesso diretto ai sedimenti, mentre la relativa semplicità del sistema riduce l’influenza di fattori esterni come la vegetazione. In questo modo diventa più facile isolare il legame tra stato del terreno e circolazione dei gas, osservando come varia la permeabilità del sistema in risposta alle condizioni ambientali.

Come si studia ciò che non si vede

Osservare direttamente il movimento dei gas nel sottosuolo è estremamente difficile, perché le misure puntuali di permeabilità o composizione forniscono informazioni limitate nello spazio e nel tempo. Per questo si utilizza un approccio indiretto basato su traccianti naturali. In questo caso sono stati analizzati due isotopi del Radon, (222Rn) e Thoron (220Rn), caratterizzati da tempi di decadimento molto diversi: il Thoron, che decade in pochi secondi, riflette processi molto superficiali, limitati allo strato attivo del suolo, mentre il Radon-222, con una vita di alcuni giorni, può accumularsi nei pori del terreno ed essere trasportato anche da profondità maggiori. Il confronto tra i due segnali permette quindi di distinguere tra produzione locale nei sedimenti superficiali e contributi provenienti dal sottosuolo. L’interpretazione si basa sul confronto tra ciò che ci si aspetterebbe in un sistema “chiuso”, dove il gas è prodotto solo nello strato superficiale, e i valori effettivamente osservati. 

Durante due campagne nelle estati australi 2019/2020 e 2023 sono state effettuate misure sistematiche in 149 siti della Taylor Valley (una delle valli delle McMurdo Dry Valleys), integrate da analisi di laboratorio sui sedimenti per quantificare la produzione locale.

I risultati mostrano che il Thoron è coerente con i processi superficiali, mentre il Radon-222 presenta in diversi casi concentrazioni superiori a quelle attese, indicando un contributo aggiuntivo. Queste anomalie sono interpretate come il segnale di gas che risalgono da livelli più profondi attraverso vie preferenziali nel sottosuolo, legate a fratture, zone più permeabili o variazioni nello stato fisico dello strato attivo, la cui efficacia dipende dalle condizioni ambientali. In questo modo, il confronto tra radon e thoron non misura direttamente il flusso dei gas, ma consente di stabilire quando il sistema si comporta come una barriera e quando, invece, diventa più connesso e favorevole alla loro circolazione.

Una distribuzione non casuale

Le zone in cui la circolazione dei gas è più efficace non sono distribuite in modo casuale. Le aree in cui si osservano valori più elevati tendono a concentrarsi in specifiche zone della valle e a ripresentarsi nelle diverse campagne di misura. Questa continuità spaziale suggerisce che i percorsi di circolazione siano legati a caratteristiche strutturali del sottosuolo, piuttosto che a variazioni temporanee o locali.

È probabile che fattori come la presenza di fratture, differenze nella granulometria dei sedimenti o variazioni della permeabilità contribuiscano a creare zone più favorevoli al passaggio dei gas. In queste aree, il sistema risulta più “connesso”, cioè più efficiente nel trasferire gas da profondità maggiori verso la superficie. Al contrario, altre zone mostrano un comportamento più coerente con un sistema chiuso, in cui il contributo profondo è assente o trascurabile.

Questa variabilità spaziale è un elemento importante, perché indica che la funzione di barriera del permafrost non è uniforme. Anche in un contesto in cui il permafrost è continuo, la sua capacità di trattenere i gas può cambiare da un’area all’altra, in funzione della struttura del sottosuolo e delle condizioni locali.

Un sistema che cambia nel tempo

Oltre alla variabilità spaziale, i dati mostrano anche una chiara differenza tra le due campagne di misura. Nel periodo più caldo, le anomalie risultano più diffuse e più intense, mentre nel periodo più freddo il segnale appare più attenuato. Questa differenza suggerisce che la capacità del sistema di trasmettere gas non è costante nel tempo, ma varia in risposta alle condizioni ambientali.

Quando la temperatura del suolo aumenta, lo strato attivo tende a ispessirsi e la quantità di ghiaccio nei pori diminuisce. Questo comporta un aumento della permeabilità e facilita il movimento dei gas. Al contrario, condizioni più fredde favoriscono la presenza di ghiaccio nei pori e riducono la connettività del sistema, limitando la circolazione.

Il dato è rilevante perché mostra che non è necessaria una completa fusione del permafrost per osservare cambiamenti nel comportamento del sistema. Anche variazioni stagionali o interannuali possono modificare la sua funzione di barriera, rendendolo più o meno efficace nel trattenere i gas. In questo senso, il permafrost si comporta come un sistema dinamico, la cui risposta alle condizioni climatiche può essere rapida e significativa.

Comprendere sistemi che cambiano

Il quadro complessivo che emerge è quello di un sistema in cui il permafrost non può essere considerato una struttura statica. La sua capacità di trattenere o lasciar passare i gas dipende da una combinazione di fattori, tra cui la temperatura, lo stato dello strato attivo e le caratteristiche del sottosuolo. Questa variabilità rende necessario un approccio che tenga conto della presenza del permafrost e del suo comportamento.

Per approfondire queste dinamiche sarà necessario proseguire con osservazioni nel tempo, integrando queste misure con dati continui su temperatura del suolo, umidità e composizione dei gas. Solo attraverso serie temporali più lunghe sarà infatti possibile quantificare con maggiore precisione il legame tra condizioni ambientali, stato del permafrost e dinamica dei gas.

In prospettiva, questo tipo di approccio può contribuire a migliorare la capacità di monitorare ambienti sensibili ai cambiamenti climatici, fornendo strumenti per individuare precocemente le trasformazioni in atto. 

In un contesto di rapido cambiamento climatico, comprendere come sistemi apparentemente stabili reagiscono a queste variazioni è fondamentale per interpretare processi che avvengono su scala globale.