El ciclo del carbono es el ciclo biogeoquímico por el cual el carbono se intercambia entre la biosfera , la pedosfera , la geosfera , la hidrosfera y la atmósfera de la Tierra . El carbono es el componente principal de los compuestos biológicos, así como un componente principal de muchos minerales como la piedra caliza. Junto con el ciclo del nitrógeno y el ciclo del agua , el ciclo del carbono comprende una secuencia de eventos que son clave para que la Tierra sea capaz de mantener la vida. Describe el movimiento del carbono a medida que se recicla y reutiliza en toda la biosfera, así como los procesos a largo plazo desecuestro de carbono y liberación de sumideros de carbono .
El ciclo del carbono fue descubierto por Antoine Lavoisier y Joseph Priestley , y popularizado por Humphry Davy .
Componentes principales [ editar ]
El ciclo global del carbono ahora generalmente se divide en los siguientes depósitos principales de carbono interconectados por vías de intercambio: [4] : 5–6
- El ambiente
- La biosfera terrestre
- El océano , incluido el carbono inorgánico disuelto y la biota marina viva y no viva
- Los sedimentos , incluidos los combustibles fósiles , los sistemas de agua dulce y el material orgánico no vivo.
- El interior de la Tierra ( manto y corteza ). Estas reservas de carbono interactúan con los otros componentes a través de procesos geológicos.
Los intercambios de carbono entre depósitos ocurren como resultado de varios procesos químicos, físicos, geológicos y biológicos. El océano contiene la mayor reserva activa de carbono cerca de la superficie de la Tierra. [3] Los flujos naturales de carbono entre la atmósfera, el océano, los ecosistemas terrestres y los sedimentos están bastante equilibrados, de modo que los niveles de carbono serían más o menos estables sin la influencia humana. [5] [6]
Ambiente [ editar ]
El carbono en la atmósfera de la Tierra existe en dos formas principales: dióxido de carbono y metano . Ambos gases absorben y retienen el calor en la atmósfera y son parcialmente responsables del efecto invernadero . [3] El metano produce un mayor efecto invernadero por volumen en comparación con el dióxido de carbono, pero existe en concentraciones mucho más bajas y tiene una vida más corta que el dióxido de carbono, lo que hace que el dióxido de carbono sea el gas de efecto invernadero más importante de los dos. [8]
El dióxido de carbono se elimina de la atmósfera principalmente a través de la fotosíntesis y entra a las biosferas terrestres y oceánicas. El dióxido de carbono también se disuelve directamente de la atmósfera en cuerpos de agua (océano, lagos, etc.), y también se disuelve en la precipitación a medida que las gotas de lluvia caen a través de la atmósfera. Cuando se disuelve en agua, el dióxido de carbono reacciona con las moléculas de agua y forma ácido carbónico , lo que contribuye a la acidez del océano. Luego puede ser absorbido por las rocas a través de la meteorización. También puede acidificar otras superficies que toca o ser arrastrada al océano. [9]
Las actividades humanas en los últimos dos siglos han aumentado significativamente la cantidad de carbono en la atmósfera, principalmente en forma de dióxido de carbono, tanto modificando la capacidad de los ecosistemas para extraer dióxido de carbono de la atmósfera como emitiéndolo directamente, por ejemplo, quemando fósiles. combustibles y fabricación de hormigón. [3]
En un futuro extremadamente lejano (es decir, 2-3 mil millones de años), la velocidad a la que el dióxido de carbono se absorbe en el suelo a través del ciclo de carbonato-silicato probablemente aumentará debido a los cambios esperados en el sol a medida que envejece. El aumento esperado de la luminosidad del Sol probablemente acelerará la tasa de meteorización de la superficie. [10] Esto eventualmente hará que la mayor parte del dióxido de carbono en la atmósfera sea silenciado en la corteza terrestre como carbonato. Aunque los volcanes continuarán bombeando dióxido de carbono a la atmósfera a corto plazo, no será suficiente para mantener estable el nivel de dióxido de carbono a largo plazo. [11] [ cita completa necesaria ]Una vez que el nivel de dióxido de carbono cae por debajo de 50 partes por millón, la fotosíntesis de C 3 ya no será posible. Se espera que esto ocurra dentro de 600 millones de años a partir de ahora. [ cita requerida ]
Una vez que los océanos de la Tierra se evaporen en aproximadamente 1.100 millones de años a partir de ahora, [10] la tectónica de placas probablemente se detendrá debido a la falta de agua para lubricarlos. La falta de volcanes que bombean dióxido de carbono hará que el ciclo del carbono termine entre 1 y 2 mil millones de años en el futuro. [12] [ cita completa necesaria ]
Biosfera terrestre [ editar ]
La biosfera terrestre incluye el carbono orgánico en todos los organismos terrestres, tanto vivos como muertos, así como el carbono almacenado en los suelos . Alrededor de 500 gigatoneladas de carbono se almacenan sobre el suelo en plantas y otros organismos vivos, [5] mientras que el suelo contiene aproximadamente 1,500 gigatoneladas de carbono. [13] La mayor parte del carbono en la biosfera terrestre es carbono orgánico, [14] mientras que aproximadamente un tercio del carbono del suelo se almacena en formas inorgánicas, como el carbonato de calcio . [15] El carbono orgánico es un componente importante de todos los organismos que viven en la tierra. Los autótrofos lo extraen del aire en forma de dióxido de carbono, convirtiéndolo en carbono orgánico, mientras que los heterótrofos recibir carbono al consumir otros organismos.
Debido a que la absorción de carbono en la biosfera terrestre depende de factores bióticos, sigue un ciclo diurno y estacional. En las mediciones de CO
2 , esta característica es evidente en la curva de Keeling . Es más fuerte en el hemisferio norte porque este hemisferio tiene más masa de tierra que el hemisferio sur y, por lo tanto, más espacio para que los ecosistemas absorban y emitan carbono.
2 , esta característica es evidente en la curva de Keeling . Es más fuerte en el hemisferio norte porque este hemisferio tiene más masa de tierra que el hemisferio sur y, por lo tanto, más espacio para que los ecosistemas absorban y emitan carbono.
El carbono abandona la biosfera terrestre de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. La combustión o respiración del carbono orgánico lo libera rápidamente a la atmósfera. También se puede exportar al océano a través de ríos o permanecer secuestrado en suelos en forma de carbono inerte. [16] El carbono almacenado en el suelo puede permanecer allí hasta miles de años antes de ser arrastrado a los ríos por la erosión o liberado a la atmósfera a través de la respiración del suelo . Entre 1989 y 2008, la respiración del suelo aumentó aproximadamente un 0.1% por año. [17] En 2008, el total global de CO
2liberado por la respiración del suelo fue de aproximadamente 98 mil millones de toneladas, aproximadamente 10 veces más carbono que los humanos ahora están poniendo en la atmósfera cada año al quemar combustibles fósiles (esto no representa una transferencia neta de carbono del suelo a la atmósfera, ya que la respiración se compensa en gran medida por insumos al carbono del suelo). Hay algunas explicaciones plausibles para esta tendencia, pero la explicación más probable es que el aumento de las temperaturas ha aumentado las tasas de descomposición de la materia orgánica del suelo , lo que ha aumentado el flujo de CO
2 . La duración del secuestro de carbono en el suelo depende de las condiciones climáticas locales y, por lo tanto, cambia en el curso del cambio climático .
2liberado por la respiración del suelo fue de aproximadamente 98 mil millones de toneladas, aproximadamente 10 veces más carbono que los humanos ahora están poniendo en la atmósfera cada año al quemar combustibles fósiles (esto no representa una transferencia neta de carbono del suelo a la atmósfera, ya que la respiración se compensa en gran medida por insumos al carbono del suelo). Hay algunas explicaciones plausibles para esta tendencia, pero la explicación más probable es que el aumento de las temperaturas ha aumentado las tasas de descomposición de la materia orgánica del suelo , lo que ha aumentado el flujo de CO
2 . La duración del secuestro de carbono en el suelo depende de las condiciones climáticas locales y, por lo tanto, cambia en el curso del cambio climático .
Océano [ editar ]
El océano se puede dividir conceptualmente en una capa superficial dentro de la cual el agua hace contacto frecuente (diario a anual) con la atmósfera, y una capa profunda por debajo de la profundidad de capa mixta típica de unos pocos cientos de metros o menos, dentro del cual el tiempo entre contactos consecutivos Pueden ser siglos. El carbono inorgánico disuelto (DIC) en la capa superficial se intercambia rápidamente con la atmósfera, manteniendo el equilibrio. En parte debido a que su concentración de DIC es aproximadamente un 15% más alta [18], pero principalmente debido a su mayor volumen, el océano profundo contiene mucho más carbono: es la mayor reserva de carbono de ciclo activo en el mundo, que contiene 50 veces más que la atmósfera [ 3]—Pero la escala de tiempo para alcanzar el equilibrio con la atmósfera es de cientos de años: el intercambio de carbono entre las dos capas, impulsado por la circulación termohalina , es lento. [3]
El carbono ingresa al océano principalmente a través de la disolución del dióxido de carbono atmosférico, una pequeña fracción de la cual se convierte en carbonato . También puede ingresar al océano a través de ríos como carbono orgánico disuelto . Los organismos lo convierten en carbono orgánico a través de la fotosíntesis y puede intercambiarse a lo largo de la cadena alimentaria o precipitarse en las capas más profundas y ricas en carbono del océano como tejido blando muerto o en conchas como carbonato de calcio . Circula en esta capa durante largos períodos de tiempo antes de depositarse como sedimento o, finalmente, volver a las aguas superficiales a través de la circulación termohalina. [5] Los océanos son básicos (~ pH 8.2), por lo tanto, CO
2 La acidificación desplaza el pH del océano hacia neutral.
2 La acidificación desplaza el pH del océano hacia neutral.
La absorción oceánica de CO
2 es una de las formas más importantes de secuestro de carbono que limita el aumento de dióxido de carbono en la atmósfera causado por los humanos. Sin embargo, este proceso está limitado por varios factores. La
absorción de CO 2 hace que el agua sea más ácida, lo que afecta los biosistemas oceánicos. La tasa proyectada de acidez oceánica creciente podría disminuir la precipitación biológica de los carbonatos de calcio , disminuyendo así la capacidad del océano para absorber dióxido de carbono. [19] [20]
2 es una de las formas más importantes de secuestro de carbono que limita el aumento de dióxido de carbono en la atmósfera causado por los humanos. Sin embargo, este proceso está limitado por varios factores. La
absorción de CO 2 hace que el agua sea más ácida, lo que afecta los biosistemas oceánicos. La tasa proyectada de acidez oceánica creciente podría disminuir la precipitación biológica de los carbonatos de calcio , disminuyendo así la capacidad del océano para absorber dióxido de carbono. [19] [20]
Geosfera [ editar ]
El componente geológico del ciclo del carbono opera lentamente en comparación con las otras partes del ciclo global del carbono. Es uno de los determinantes más importantes de la cantidad de carbono en la atmósfera y, por lo tanto, de las temperaturas globales. [21]
La mayor parte del carbono de la tierra se almacena inerte en la litosfera de la tierra . [3] Gran parte del carbono almacenado en el manto de la tierra se almacenó allí cuando se formó la tierra. [22] Parte de él se depositó en forma de carbono orgánico de la biosfera. [23] Del carbono almacenado en la geosfera, aproximadamente el 80% es piedra caliza y sus derivados, que se forman a partir de la sedimentación del carbonato de calcio almacenado en las conchas de los organismos marinos. El 20% restante se almacena como kerógenos formados a través de la sedimentación y entierro de organismos terrestres bajo altas temperaturas y presiones. El carbono orgánico almacenado en la geosfera puede permanecer allí durante millones de años. [21]
El carbono puede salir de la geosfera de varias maneras. El dióxido de carbono se libera durante el metamorfismo de las rocas de carbonato cuando se subducen al manto terrestre. Este dióxido de carbono se puede liberar a la atmósfera y al océano a través de volcanes y puntos calientes . [22] También puede ser eliminado por los humanos mediante la extracción directa de kerógenos en forma de combustibles fósiles . Después de la extracción, los combustibles fósiles se queman para liberar energía, emitiendo así el carbono que almacenan en la atmósfera.
Ciclo profundo del carbono [ editar ]
Aunque el ciclo profundo del carbono no se entiende tan bien como el movimiento del carbono a través de la atmósfera, la biosfera terrestre, el océano y la geosfera, es un proceso increíblemente importante. El ciclo profundo del carbono está íntimamente conectado con el movimiento del carbono en la superficie y la atmósfera de la Tierra. Si el proceso no existiera, el carbono permanecería en la atmósfera, donde se acumularía a niveles extremadamente altos durante largos períodos de tiempo. [24] Por lo tanto, al permitir que el carbono regrese a la Tierra, el ciclo profundo del carbono juega un papel crítico en el mantenimiento de las condiciones terrestres necesarias para que exista vida.
Además, el proceso también es significativo simplemente debido a las enormes cantidades de carbono que transporta a través del planeta. De hecho, estudiar la composición del magma basáltico y medir el flujo de dióxido de carbono de los volcanes revela que la cantidad de carbono en el manto es en realidad mayor que la de la superficie de la Tierra en un factor de mil. [25] Profundizar y observar físicamente los procesos de carbono en la Tierra profunda es evidentemente extremadamente difícil, ya que el manto inferior y el núcleose extienden de 660 a 2,891 km y 2,891 a 6,371 km de profundidad en la Tierra, respectivamente. En consecuencia, no se sabe mucho sobre el papel del carbono en la Tierra profunda. No obstante, varias pruebas, muchas de las cuales provienen de simulaciones de laboratorio de las condiciones de la Tierra profunda, han indicado mecanismos para el movimiento del elemento hacia el manto inferior, así como las formas que toma el carbono a las temperaturas y presiones extremas de dicha capa. Además, técnicas como la sismología han llevado a una mayor comprensión de la posible presencia de carbono en el núcleo de la Tierra.
Carbono en el manto inferior [ editar ]
El carbono ingresa principalmente al manto en forma de sedimentos ricos en carbonato en placas tectónicas de la corteza oceánica, que atraen el carbono hacia el manto al someterse a la subducción . No se sabe mucho sobre la circulación de carbono en el manto, especialmente en la Tierra profunda, pero muchos estudios han intentado aumentar nuestra comprensión del movimiento y las formas del elemento dentro de dicha región. Por ejemplo, un estudio de 2011 demostró que el ciclo del carbono se extiende hasta el manto inferior . El estudio analizó diamantes raros y súper profundos en un sitio en Juina, Brasil , determinando que la composición a granel de algunas de las inclusiones de los diamantes coincidía con el resultado esperado de la fusión del basalto ycristalización bajo temperaturas y presiones inferiores del manto. [26] Por lo tanto, los resultados de la investigación indican que las piezas de litosfera oceánica basáltica actúan como el principal mecanismo de transporte de carbono al interior profundo de la Tierra. Estos carbonatos subducidos pueden interactuar con los silicatos del manto inferior , eventualmente formando diamantes súper profundos como el encontrado. [27]
Sin embargo, los carbonatos que descienden al manto inferior encuentran otros destinos además de formar diamantes. En 2011, los carbonatos fueron sometidos a un entorno similar al de 1800 km de profundidad en la Tierra, bien dentro del manto inferior. Al hacerlo , se formaron magnesita , siderita y numerosas variedades de grafito . [28] Otros experimentos, así como las observaciones petrológicas , respaldan esta afirmación, lo que indica que la magnesita es en realidad la fase de carbonato más estable en la mayor parte del manto. Esto es en gran parte el resultado de su temperatura de fusión más alta. [29] En consecuencia, los científicos han concluido que los carbonatos se reducena medida que descienden al manto antes de ser estabilizados en profundidad por ambientes de baja fugacidad de oxígeno . El magnesio, el hierro y otros compuestos metálicos actúan como amortiguadores durante todo el proceso. [30] La presencia de formas elementales reducidas de carbono como el grafito indicaría que los compuestos de carbono se reducen a medida que descienden al manto.
Sin embargo, es notable que el polimorfismo altera la estabilidad de los compuestos de carbonato a diferentes profundidades dentro de la Tierra. Para ilustrar, las simulaciones de laboratorio y los cálculos de la teoría funcional de la densidad sugieren que los carbonatos coordinados tetraédricamente son más estables a profundidades cercanas al límite núcleo-manto . [31] [28] Un estudio de 2015 indica que la alta presión del manto inferior hace que los enlaces de carbono pasen de los orbitales hibridados sp 2 a sp 3 , lo que da como resultado enlaces tetraédricos de carbono con oxígeno. [32] CO 3los grupos trigonales no pueden formar redes polimerizables, mientras que el CO 4 tetraédrico sí, lo que significa un aumento en el número de coordinación del carbono y, por lo tanto, cambios drásticos en las propiedades de los compuestos de carbonato en el manto inferior. Como ejemplo, los estudios teóricos preliminares sugieren que la alta presión hace que aumente la viscosidad del fundido de carbonato; La menor movilidad de los fundidos como resultado de su mayor viscosidad provoca grandes depósitos de carbono en el manto. [33]
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En consecuencia, el carbono puede permanecer en el manto inferior durante largos períodos de tiempo, pero las grandes concentraciones de carbono con frecuencia encuentran su camino de regreso a la litosfera. Este proceso, llamado desgasificación de carbono, es el resultado de que el manto carbonatado se derrita por descompresión, así como las plumas de manto que transportan compuestos de carbono hacia la corteza. [35] El carbono se oxida en su ascenso hacia los puntos calientes volcánicos, donde luego se libera como CO 2 . Esto ocurre para que el átomo de carbono coincida con el estado de oxidación de los basaltos en erupción en tales áreas. [36]
Carbono en el núcleo [ editar ]
Aunque la presencia de carbono en el núcleo de la Tierra está bien restringida, estudios recientes sugieren que grandes inventarios de carbono podrían almacenarse en esta región. Las ondas de corte (S) que se mueven a través del núcleo interno se desplazan a aproximadamente el cincuenta por ciento de la velocidad esperada para la mayoría de las aleaciones ricas en hierro. [37] Debido a que se cree que la composición del núcleo es una aleación de hierro cristalino y una pequeña cantidad de níquel, esta anomalía sísmica indica la presencia de elementos ligeros, incluido el carbono, en el núcleo. [38] De hecho, los estudios que utilizan células de yunque de diamante para replicar las condiciones en el núcleo de la Tierra indican que el carburo de hierro (Fe 7 C 3) coincide con la velocidad y densidad de onda del núcleo interno. Por lo tanto, el modelo de carburo de hierro podría servir como evidencia de que el núcleo contiene hasta el 67% del carbono de la Tierra. [39] Además, otro estudio encontró que en la condición de presión y temperatura del núcleo interno de la Tierra, el carbono se disolvió en hierro y formó una fase estable con la misma composición de Fe 7 C 3 , aunque con una estructura diferente a la mencionada anteriormente. [40] En resumen, aunque se desconoce la cantidad de carbono potencialmente almacenado en el núcleo de la Tierra, estudios recientes indican que la presencia de carburos de hierro puede explicar algunas de las observaciones geofísicas.
Influencia humana [ editar ]
Desde la revolución industrial , la actividad humana ha modificado el ciclo del carbono cambiando las funciones de sus componentes y agregando directamente carbono a la atmósfera. [3]
El mayor impacto humano en el ciclo del carbono es a través de las emisiones directas de la quema de combustibles fósiles , que transfieren el carbono de la geosfera a la atmósfera. El resto de este aumento es causado principalmente por cambios en el uso de la tierra, particularmente la deforestación .
Otro impacto humano directo en el ciclo del carbono es el proceso químico de calcinación de la piedra caliza para la producción de clínker , que libera CO
2 . [45] Clinker es un precursor industrial del cemento .
2 . [45] Clinker es un precursor industrial del cemento .
Los humanos también influyen indirectamente en el ciclo del carbono al cambiar la biosfera terrestre y oceánica. [46] Durante los últimos siglos, el uso directo e indirecto del uso de la tierra y el cambio de la cobertura del suelo (LUCC) ha provocado la pérdida de biodiversidad , lo que disminuye la resistencia de los ecosistemas al estrés ambiental y disminuye su capacidad para eliminar el carbono de la atmósfera . Más directamente, a menudo conduce a la liberación de carbono de los ecosistemas terrestres a la atmósfera. Deforestaciónpara fines agrícolas, elimina los bosques, que contienen grandes cantidades de carbono, y los reemplaza, generalmente con áreas agrícolas o urbanas. Ambos tipos de reemplazo de la cobertura del suelo almacenan cantidades relativamente pequeñas de carbono, de modo que el producto neto del proceso es que queda más carbono en la atmósfera.
Otros cambios en el medio ambiente causados por el hombre cambian la productividad de los ecosistemas y su capacidad para eliminar el carbono de la atmósfera. La contaminación del aire , por ejemplo, daña las plantas y los suelos, mientras que muchas prácticas agrícolas y de uso de la tierra conducen a mayores tasas de erosión , eliminando el carbono de los suelos y disminuyendo la productividad de las plantas.
Los humanos también afectan el ciclo oceánico del carbono. [46] Las tendencias actuales del cambio climático conducen a temperaturas oceánicas más altas, modificando así los ecosistemas. [47] [48] [49] Además, la lluvia ácida y la escorrentía contaminada de la agricultura y la industria cambian la composición química del océano. Tales cambios pueden tener efectos dramáticos en ecosistemas altamente sensibles como los arrecifes de coral , [50] [51] [52] limitando así la capacidad del océano para absorber carbono de la atmósfera a escala regional y reduciendo la biodiversidad oceánica a nivel mundial.
Las emisiones de metano en el Ártico causadas indirectamente por el calentamiento global antropogénico también afectan el ciclo del carbono y contribuyen a un mayor calentamiento en lo que se conoce como retroalimentación del cambio climático .
El 12 de noviembre de 2015, los científicos de la NASA informaron que el dióxido de carbono en la atmósfera de fuentes humanas continúa aumentando, alcanzando niveles que no se habían visto en cientos de miles de años. Actualmente, la tasa de dióxido de carbono liberada por la quema de combustibles fósiles es aproximadamente el doble de la absorción neta por la vegetación y el océano.
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