GEOCHIMICA

La Geochimica studia la composizione chimica del pianeta Terra ed esamina i processi chimici che scambiano materia ed energia tra le diverse sfere geochimiche: rocce e suoli (litosfera), acque superficiali e sotterranee (idrosfera), gas (atmosfera) e la componente biotica (biosfera). Lo studio della Geochimica per il CdL in Scienze Ambientali fornisce le basi per la comprensione di molti processi geologici e ambientali come (i) i processi chimici e chimico-fisici che hanno formato e modellato la crosta terrestre, (ii) i processi che hanno portato all’attuale distribuzione spaziale degli elementi e nuclidi nelle diverse sfere geochimiche; (iii) l’attuale composizione dell’atmosfera e idrosfera, (iv) i cicli biogeochimici e le loro interazioni, e (v) le forzanti antropiche e il loro impatto sui cicli biogeochimici. Tutte queste informazioni migliorano la nostra comprensione del funzionamento del pianeta Terra e ci permettono di ricostruire il passato e capire il presente. Inoltre l’attività dell’uomo sta avendo un forte impatto sul clima e sui cicli geochimici che regolano il funzionamento degli ecosistemi. L’applicazione di concetti geochimici permette anche di comprendere e prevedere il comportamento degli elementi in un ambiente antropizzato (è quindi emersa una quinta sfera, l’antroposfera).

Questo insegnamento mira a fornire le conoscenze di base della Geochimica che sono necessarie per capire l’ambiente. L’insegnamento si focalizza sull’evoluzione del pianeta Terra, sui processi di generazione, trasporto e trasformazione della materia, sul comportamento, sulla distribuzione e sulle interazioni biogeochimiche degli elementi che avvengono soprattutto sulla superficie terrestre. Si applicheranno i concetti di Geochimica a diverse matrici ambientali come rocce, sedimenti, suoli, acque superficiali e sotterranee, gas e particolato atmosferico. Inoltre, questo insegnamento ha lo scopo di fornire una visione multidisciplinare dell’ambiente applicando principi chimici e chimico-fisici per spiegare i meccanismi che controllano i sistemi geologici e che interessano la sfera biologica.

L’insegnamento mira a fornire allo studente un’ampia ed esaustiva introduzione ai concetti e principi di base della Geochimica sfruttando ragionamenti e concetti chimici per comprendere i processi geologici, idrologici, atmosferici, biologici e le loro potenziali interazioni. La frequenza e la partecipazione alle attività formative (lezioni frontali, seminari, sessioni di lettura, comprensione e discussione di articoli scientifici, analisi di casi di studio, esercitazioni con dataset di dati geochimici) permetteranno allo studente di:

1. Conoscenza e comprensione
1a. Conoscere i concetti e la terminologia geochimica;
1b. Capire i processi che hanno portato la Terra a evolversi fino allo stato attuale e i meccanismi che ne regolano l’equilibrio;
1c. Comprendere i flussi di materia ed energia e le forzanti antropiche che hanno (e avranno sempre più) impatti importanti sull’ambiente e sul clima;

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
2a. Saper utilizzare correttamente la terminologia e i principi geochimici in tutti i processi di applicazione e comunicazione delle Scienze Ambientali;
2b. Saper identificare e quantificare i processi geochimici che hanno modellato il pianeta e le sue sfere geochimiche;
2c. Saper individuare e discriminare i processi geochimici tra un ambiente naturale e un ambiente antropizzato;

3. Capacità di giudizio
3a. Saper formulare e argomentare ipotesi sulla base dei concetti appresi durante le lezioni;
3b. Saper applicare conoscenze e gli strumenti geochimici per spiegare fenomeni naturali e risolvere problematiche ambientali;
3c. Saper applicare un approccio critico e multidisciplinare alla valutazione di problemi ambientali complessi;

4. Abilità comunicative
4a. Saper comunicare concetti geochimici in ambito scientifico, utilizzando una terminologia appropriata;
4b. Saper interagire con diverse figure professionali che un laureato in Scienze Ambientali troverà lungo il proprio percorso professionale, come biologi, chimici, geologi, medici, epidemiologi, nonché con figure di ambiti non scientifici (politici, economisti, ecc.);
4c. Saper semplificare e riassumere i concetti di Geochimica per la divulgazione di dati ed analisi ambientali ad un pubblico generale, utilizzando una terminologia semplice e diretta;

5. Capacità di apprendimento
5a. Saper applicare i concetti di geochimica a casi di studio;
5b. Saper leggere i processi ambientali con un’ottica geochimica;
5c. Saper consultare criticamente i testi di riferimento e saper interpretare la bibliografia che verrà proposta durante il corso;
5d. Saper trattare i dati geochimici e applicare analisi statistiche e geostatistiche appropriate durante le esercitazioni.

È necessario aver acquisito le conoscenze di base durante i corsi del primo anno del corso di laurea triennale in Scienze ambientali, come chimica generale inorganica e laboratorio, fisica generale e fondamenti di scienze della Terra e laboratorio.

L’insegnamento è diviso in 7 parti.

La Parte 1 (concetti di base) riprende brevemente alcuni concetti di chimica che sono centrali per il resto dell’insegnamento, come la struttura dell'atomo, gli isotopi, le proprietà periodiche, gli stati di valenza, i legami chimici, le funzioni di stato (Entropia, Entalpia, Energia Libera di Gibbs), i diagrammi di fase e il potenziale chimico. Si esamina l’influenza delle proprietà periodiche degli elementi sul loro comportamento geochimico.

La Parte 2 (cosmochimica e origine, evoluzione e struttura del Pianeta Terra) descrive la nucleosintesi, ripercorre l’origine e l’evoluzione del sistema solare e dei pianeti di tipo terrestre con cenni sulla composizione delle meteoriti. In particolare si discutono l’origine della Terra, i processi di condensazione, accrezione omogenea/eterogenea, la struttura interna della Terra e la genesi ed evoluzione della crosta terrestre. Sono presentati concetti di base della Geochimica, come la differenziazione geochimica della Terra e l’origine di Atmosfera e Oceani, le regole di Goldschmidt e la classificazione geochimica degli elementi in atmofili, litofili, siderofili e calcofili.

La Parte 3 (litosfera) analizza l’abbondanza e la distribuzione degli elementi nella crosta terrestre. Sono discussi i processi di disgregazione meccanica e alterazione chimica di minerali e rocce (dissoluzione, ossidazione, idratazione e idrolisi) e l’interazione acqua-roccia (weathering), compresi i bilanci di massa. Si analizza la solubilità della CO2, l’abbondanza e speciazione chimica del carbonio in soluzione ed il ruolo dei carbonati. Si introducono le proprietà dei minerali argillosi e sono introdotti alcuni elementi base di pedologia. Si accenna alla geochimica organica (idrocarburi e giacimenti).

La Parte 4 (atmosfera) tratta l’origine, l’evoluzione, la struttura e la composizione chimica dell’atmosfera, con particolare attenzione per troposfera e stratosfera. Solubilità e reattività delle specie gassose presenti nell'atmosfera. È presentata la geochimica del sistema aerosol ed è discusso il ruolo dei trasporti eolici di materiale di origine crostale nei cicli geochimici. È affrontato il ruolo dei vulcani sul clima, sulla composizione dell’atmosfera e sull’aerosol. Si introduce l’inquinamento dell’aria a scala urbana e regionale. Si discutono gli effetti sulla salute e l’influenza sul cambiamento climatico.

La Parte 5 (idrosfera) tratta la struttura e le proprietà dell’acqua, gli equilibri chimici in fase acquosa e presenta la geochimica delle acque oceaniche, continentali e meteoriche. Si affronta l’origine dei componenti disciolti, del particolato e dei sistemi colloidali. Si studia la mobilità geochimica: ruolo del potenziale ionico, pH, Eh e delle sostanze umiche.

La parte 6 (biosfera e cicli geochimici) introduce i cicli (bio)geochimici, analizzando i serbatoi e i flussi di materia. Sono trattati i principali cicli: acqua, carbonio, azoto, fosforo, zolfo. Si discutono le interazioni tra i vari cicli geochimici.

La Parte 7 (antroposfera) discute l’impatto antropico sui cicli geochimici con l’analisi di alcuni casi di studio e cenni di geochimica ambientale. Si presentano alcuni casi di studio reali che sono interpretati sulla base delle associazioni geochimiche degli elementi. Vengono anche brevemente presentati alcuni metodi di elaborazione statistica e geostatistica dei dati. Saranno analizzati alcuni dataset geochimici con strumenti statistici e sistemi informativi geografici (GIS).

Il testo di riferimento è:
Dongarrà, G., Varrica, D., Geochimica e Ambiente. EdiSES ed., Napoli, 2004. ISBN: 978-8879592826 [https://www.edisesuniversita.it/default/geochimica-e-ambiente.html ]

Si consiglia la visione di alcuni testi facoltativi e letture integrative di approfondimento. Questi testi sono disponibili presso la biblioteca di area scientifica o su richiesta al docente:

1) Holland, H.D., Turekian K.K. (Eds.), Treatise On Geochemistry. Volumi 3-6, 8 e 9. Elsevier, 2003. ISBN: 978-0080437514 [https://www.sciencedirect.com/referencework/9780080983004/treatise-on-geochemistry ]
2) McSween H.Y., Richardson S.M. Jr, Uhle M.E., Geochemistry: Pathways and Processes. Columbia University Press, 2003. ISBN: 978-0231124409 [http://cup.columbia.edu/book/geochemistry/9780231124409 ].
3) Ryan P., Environmental and Low Temperature Geochemistry. Wiley-Blackwell, 2014. ISBN: 978-1-405-18612-4 [https://www.wiley.com/en-us/Environmental+and+Low+Temperature+Geochemistry-p-9781405186124 ]
4) White W.M., Geochemistry. Wiley-Blackwell ISBN: 978-0-470-65668-6 [https://www.wiley.com/en-us/Geochemistry-p-9780470656686 ]

L’esame consiste in una prova orale che è divisa in due parti. La prima parte tratterà i concetti presentati durante le lezioni frontali e i casi di studio analizzati in classe. Nella seconda parte gli studenti dovranno esporre, analizzare criticamente e discutere un articolo scientifico inerente un tema trattato nell’insegnamento. Questo articolo sarà assegnato dal docente alla fine delle lezioni e sarà scelto sulla base delle preferenze espresse dagli studenti riguardo alle tematiche affrontate. Alla prima parte è assegnato un massimo di 20 punti sul totale del voto finale, alla seconda è assegnato un massimo di 10 punti Gli studenti non frequentanti sono invitati a mettersi in contatto il docente per farsi assegnare un articolo scientifico almeno 15 giorni prima della data dell’esame.

L’insegnamento è strutturato in lezioni fontali con possibili seminari ad invito di docenti e ricercatori interni o esterni all’Ateneo. Oltre alle lezioni frontali, l’insegnamento include alcune sessioni di discussione in cui gli studenti sono fortemente incoraggiati a esaminare e rivedere i concetti appresi, mettendo alla prova la loro comprensione attraverso la lettura critica di letteratura scientifica e l’analisi ed interpretazione di casi di studio. Queste sessioni di discussione portano molteplici benefici per gli studenti (i) aiutandoli a digerire meglio i concetti appresi, (ii) incoraggiandoli a rimanere aggiornati durante il periodo dell’insegnamento, (iii) permettendogli di identificare incomprensioni o lacune nella preparazione, (iv) fornendogli gli strumenti per affrontare discussioni scientifiche con un alto grado di autonomia, (v) aiutandoli a migliorare le abilità comunicative usando terminologia appropriata, e (vi) preparandoli alla seconda prova dell’esame. Durante le ultime lezioni saranno anche analizzati alcuni dataset di dati in varie matrici ambientali con lo scopo di acquisire familiarità con dati geochimici e la loro interpretazione.

Tutte le lezioni sono in fornite come presentazioni in PowerPoint e sono distribuite agli studenti con cadenza settimanale sulla piattaforma Moodle dell’insegnamento. Allo stesso modo saranno anche forniti i casi di studio discussi durante le lezioni e le tracce per eseguire le esercitazioni.

Si invitano gli studenti a consultare periodicamente Moodle per essere sempre aggiornati sulle lezioni e sugli orari dei ricevimenti.

Italiano

orale

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Capitale naturale e qualità dell'ambiente" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile