Patrimonio culturale subacqueo: a rischio a causa del cambiamento climatico

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Statue, reperti archeologici, resti edilizi. Non stiamo parlando solo dei monumenti che impreziosiscono strade e piazze di molte città, ma di tutti quei beni culturali che si trovano nei fondali marini, nei laghi o nelle lagune: un patrimonio che rischia di essere compromesso a causa del cambiamento climatico. Se l’aumento della temperatura degli oceani, la loro deossigenazione e acidificazione – dovuta all’assorbimento di crescenti quantità di anidride carbonica – sta infatti modificando gli ecosistemi marini, anche i reperti storici subacquei potrebbero subire conseguenze. 

Proprio per comprendere e soprattutto quantificare i processi di deterioramento in ambiente marino, alla luce delle variazioni ambientali legate ai cambiamenti climatici, alcuni studiosi e studiose di istituzioni italiane ed estere hanno adottato un approccio interdisciplinare che ha combinato test sul campo, simulazioni in laboratorio e modelli climatici. 

Lo studio, pubblicato su Communications Earth & Environment, è stato coordinato da Luigi Germinario, nell’ambito del progetto Wateriskult. Climate change risk to underwater cultural heritage in stone, finanziato dalla Commissione Europea. Oltre al Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova, hanno contribuito alle ricerche anche il Dipartimento di Biologia dello stesso Ateneo, le Università di Alicante in Spagna e la Stazione zoologica Anton Dohrn di Napoli. 

Marmo, travertino, pietra d’Istria e pietra di Vicenza

L’aumento della temperatura dei mari e l’acidificazione degli oceani stanno modificando in modo significativo le condizioni chimico-fisiche dell’ambiente marino. Rispetto al periodo preindustriale, per esempio, l'acidità dell'acqua di mare è aumentata di almeno il 30% circa e potrebbe triplicare entro la fine di questo secolo. Sia il riscaldamento globale che l’acidificazione incidono sui processi di dissoluzione delle rocce, in particolare di quelle carbonatiche, che sono anche le più diffuse nei beni culturali. 

“Le rocce carbonatiche, come i calcari e i marmi, sono state ampiamente impiegate nella statuaria e nell’edilizia storica per la loro disponibilità, lavorabilità e qualità estetiche. Proprio per la loro natura chimica, però, risultano più vulnerabili rispetto alle rocce silicatiche. Il cambiamento delle condizioni ambientali influisce sulla stabilità di questi materiali in ambiente subacqueo, modificando, per esempio, la velocità di dissoluzione. Il nostro obiettivo è stato misurare e modellare questa velocità in funzione sia delle condizioni attuali sia delle proiezioni future”.

Il gruppo di ricerca ha dunque selezionato diversi tipi di roccia, con caratteristiche differenti. “Abbiamo considerato quattro materiali carbonatici ampiamente utilizzati nella storia dell’architettura e della statuaria – spiega Claudio Mazzoli, che firma l’articolo ed è professore di petrografia applicata al dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova –. Innanzitutto il marmo di Carrara, impiegato fin dall’epoca romana: è una roccia metamorfica a grana fine, cioè con cristalli di dimensione di alcune centinaia di micrometri, molto compatta, a bassissima porosità. Poi il travertino romano, roccia sedimentaria diffusissima nell’edilizia antica, caratterizzata da una porosità elevata e da una grana molto fine, con granuli di dimensione micrometrica. Abbiamo inoltre studiato la pietra d'Istria, materiale simbolo di Venezia: è un calcare a grana finissima, estremamente compatto, con porosità molto bassa. Infine, la pietra di Vicenza, anch’essa sedimentaria ma con caratteristiche molto diverse: è una roccia altamente porosa, costituita in gran parte da bioclasti, cioè frammenti fossili cementati”.

Mazzoli spiega che l’obiettivo era indagare in che modo due parametri chiave come la grana e la porosità influenzino i tassi di dissoluzione al diminuire del pH dell’acqua marina: il primo parametro si riferisce alla dimensione dei cristalli di calcite, il secondo invece viene inteso sia come quantità complessiva di vuoti presenti nel materiale (porosità totale) sia come tipologia, dimensione e distribuzione dei pori.

“È importante ricordare un aspetto preliminare: in ambiente subacqueo il degrado non è solo chimico-fisico. Un ruolo fondamentale è svolto anche dagli organismi marini. La biocolonizzazione può infatti accelerare il deterioramento, ma in alcuni casi può anche avere un effetto protettivo sulle superfici. Il cambiamento delle condizioni ambientali modifica quindi non solo la chimica dell’acqua, ma anche le comunità biologiche che interagiscono con i materiali”.

Immersi nel mare di Ischia

La sperimentazione sul campo è stata condotta nelle acque di Ischia, in particolare nella zona del Castello Aragonese. Si tratta di un luogo molto particolare, caratterizzato da emissioni naturali sottomarine di CO₂ legate all’attività vulcanica dell’area flegrea. “L’area rappresenta uno dei pochi contesti naturali in cui è possibile osservare, in condizioni reali, ciò che potrebbe accadere su scala più ampia con l’acidificazione degli oceani. Le emissioni sottomarine di CO₂ legate all’attività vulcanica provocano un abbassamento locale del pH, creando una sorta di laboratorio naturale che simula possibili scenari futuri legati all’aumento dell’anidride carbonica atmosferica dovuto alla combustione di combustibili fossili. Se le emissioni continueranno ai ritmi attuali, infatti, i modelli climatici prevedono una progressiva riduzione del pH marino. Questo ha conseguenze ben note sugli ecosistemi, ma implica anche un rischio crescente per i beni culturali sommersi, soprattutto se costituiti da rocce carbonatiche, che sono tra i materiali più sensibili alla dissoluzione”.

In questa zona dunque sono stati dunque esposti sott’acqua pannelli contenenti lastrine dei diversi tipi di roccia (litotipi) in tre posizioni differenti. Sono stati scelti un sito con un pH ambientale di circa 8.08, che rappresenta le condizioni attuali del mare; una zona soggetta ad acidificazione con un pH di circa 7.77, che simula gli scenari previsti per il prossimo futuro in base alle emissioni umane; infine una zona ad acidificazione estrema con un pH di circa 6.80, che riproduce condizioni di acidità molto elevata, possibili solo in condizioni ambientali estreme.

L'esperimento è durato un anno, a partire da gennaio 2023. Ogni quattro mesi, alcuni campioni venivano prelevati temporaneamente per essere analizzati in laboratorio e poi riportati sott'acqua, mentre altri rimanevano immersi ininterrottamente per l'intero anno. “Questo ci ha permesso di analizzare non solo la dissoluzione chimica, ma anche la biocolonizzazione, in collaborazione con colleghi del Dipartimento di Biologia dell’Università di Padova e con la Stazione zoologica Anton Dohrn. In ambiente naturale, infatti, temperatura, moto ondoso, tempeste e organismi marini interagiscono simultaneamente”.

Per misurare con precisione quanto materiale venisse perso per dissoluzione, i ricercatori hanno fissato su ogni campione una placchetta di acciaio inossidabile, che fungeva da riferimento. Nel corso dell’esperimento l’acciaio non subisce variazioni apprezzabili, mentre la superficie della roccia carbonatica si abbassa progressivamente. La differenza di quota tra le due superfici dunque ha permesso di quantificare la perdita di materiale nel tempo.

Foto di Luigi Germinario

Un sistema sperimentale per simulare ambienti marini

Oltre alle attività nel mare di Ischia, i ricercatori hanno condotto esperimenti in laboratorio, simulando di nuovo i tre scenari ipotizzati in precedenza (acidificazione attuale, futura, estrema). “Luigi Germinario ha progettato e fatto realizzare un apparato sperimentale, una camera a pressione simile a un’autoclave, che consente di controllare temperatura, pH (regolato tramite immissione di CO₂) e pressione, così da simulare diverse condizioni di profondità. In questo modo è stata isolata la componente strettamente chimica del processo di degrado, escludendo l’effetto della biocolonizzazione”. Lo strumento, chiamato MicroEnvironment Simulator,  presentava dunque il vantaggio della stabilità rispetto alla sperimentazione subacquea: in laboratorio infatti non ci sono le fluttuazioni naturali di pH o le correnti imprevedibili del mare, e questo ha permesso di ottenere dati più precisi sulla reazione chimica dei materiali. “L’integrazione tra dati raccolti durante gli esperimenti in mare e dati di laboratorio ha permesso di distinguere il contributo dei diversi fattori ambientali e di confrontare il comportamento dei materiali, ciascuno con le proprie caratteristiche tessiturali”. 

Il gruppo di ricerca, infine, ha incrociato questi risultati con i dati storici, le proiezioni future sul pH degli oceani realizzati dall’IPCC e nell’ambito del programma europeo Copernicus, che fornisce proiezioni sull’evoluzione del pH marino nei prossimi decenni e secoli, in base ai diversi scenari emissivi. “Integrando queste proiezioni con le nostre curve sperimentali di dissoluzione, abbiamo stimato la perdita di materiale attesa nel tempo per rocce con determinate caratteristiche petrografiche”. 

Il cambiamento climatico rischia di cancellare “significato e memoria”

Il team ha rilevato che, con emissioni di gas serra molto basse (in calo fino ad azzerarsi entro la metà del secolo) e un riscaldamento globale contenuto entro 1,5°C, i tassi di erosione dei beni culturali sommersi non varierebbero significativamente rispetto all'epoca pre-industriale, quando il fenomeno era generalmente limitato. In uno scenario invece molto pessimistico, con emissioni molto elevate (quasi il doppio dei livelli attuali entro la metà del secolo) e un riscaldamento superiore a 4°C, il deterioramento subirebbe un'impennata dopo il 2050, arrivando a essere da quattro a sei volte più intenso entro la fine del secolo.

“Abbiamo osservato differenze molto significative tra i diversi tipi di roccia. La porosità si conferma uno dei parametri fondamentali nel controllare la velocità di recessione della superficie. Le rocce compatte a bassa porosità, come il marmo o la pietra d’Istria, mostrano tassi di dissoluzione decisamente inferiori. Al contrario rocce molto porose, come la pietra di Vicenza, presentano una velocità di degrado anche di un ordine di grandezza superiore. In sintesi quanto maggiore è la porosità, tanto maggiore è la vulnerabilità alla dissoluzione in condizioni di acidificazione. Accanto alla porosità, anche la grana svolge un ruolo importante: più la grana è fine, maggiore è la velocità di soluzione”. Secondo Mazzoli è importante considerare anche il tipo di pori che caratterizza la roccia. Per esempio, il travertino presenta una porosità elevata, ma con prevalenza di pori di grandi dimensioni: in questo caso la sensibilità al degrado risulta inferiore rispetto a quella di altre rocce molto porose, come la pietra di Vicenza, che invece è dominata da pori più piccoli e distribuiti in modo diverso.

“Il risultato forse più rilevante però è un altro: i modelli che abbiamo sviluppato mostrano un andamento non lineare della velocità di dissoluzione al diminuire del pH. In altre parole, la vulnerabilità dei beni culturali sommersi cresce in modo esponenziale con l’acidificazione dell’acqua marina. Questo significa che, rispetto ai tassi di degrado osservati nei secoli passati, in condizioni future di maggiore acidità potremmo assistere a un’accelerazione significativa dei processi di recessione superficiale. Questo aumento è legato alla maggiore solubilità dei carbonati in un ambiente progressivamente più acido”. A ciò si somma anche l’effetto della biocolonizzazione.

Mazzoli conclude con una riflessione: “Il punto non è tanto la perdita di qualche millimetro di materiale in superficie, quanto la perdita di leggibilità: lo smussamento progressivo dei dettagli, l’attenuazione dei tratti, fino a trasformare una figura riconoscibile in una forma indistinta. Il danno, dunque, non è solo materiale, ma culturale: riguarda la capacità dell’opera di trasmettere significato e memoria”. Servono per questa ragione strategie e politiche a lungo termine per la conservazione del patrimonio culturale sommerso.