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Ciclo del carbono

Ciclo rápido del carbono que muestra el movimiento de carbono entre la tierra, la atmósfera y los océanos en miles de millones de toneladas (gigatoneladas) por año. Los números amarillos son flujos naturales, los rojos son contribuciones humanas y los blancos son carbono almacenado. No se incluyen los efectos del ciclo lento (o profundo) del carbono, como la actividad volcánica y tectónica. [1]

El ciclo del carbono es la parte del ciclo biogeoquímico mediante la cual se intercambia carbono entre la biosfera , la pedosfera , la geosfera , la hidrosfera y la atmósfera de la Tierra . Otros ciclos biogeoquímicos importantes incluyen el ciclo del nitrógeno y el ciclo del agua . El carbono es el componente principal de los compuestos biológicos, así como un componente importante de muchos minerales como la piedra caliza . El ciclo del carbono comprende una secuencia de eventos que son clave para que la Tierra sea capaz de sustentar 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 de secuestro (almacenamiento) de carbono hacia y liberación de los sumideros de carbono .

Para describir la dinámica del ciclo del carbono, se puede hacer una distinción entre el ciclo del carbono rápido y el lento . El ciclo rápido del carbono también se conoce como ciclo biológico del carbono . Los ciclos rápidos del carbono pueden completarse en años, trasladando sustancias de la atmósfera a la biosfera y luego de regreso a la atmósfera. Los ciclos lentos o geológicos (también llamados ciclo profundo del carbono ) pueden tardar millones de años en completarse, moviendo sustancias a través de la corteza terrestre entre las rocas, el suelo, el océano y la atmósfera. [2]

Los seres humanos han perturbado el ciclo del carbono durante muchos siglos. Lo han hecho modificando el uso de la tierra y extrayendo y quemando carbono de restos orgánicos antiguos ( carbón , petróleo y gas ). [1] El dióxido de carbono en la atmósfera ha aumentado casi un 52% con respecto a los niveles preindustriales para 2020, lo que ha provocado el calentamiento global . [3] El aumento de dióxido de carbono también ha provocado una reducción en el valor del pH del océano y está alterando fundamentalmente la química marina . [4]

Compartimentos principales

El ciclo del carbono fue descrito por primera vez por Antoine Lavoisier y Joseph Priestley , y popularizado por Humphry Davy . [5] El ciclo global del carbono ahora generalmente se divide en las siguientes reservas principales de carbono (también llamadas reservas de carbono ) interconectadas por vías de intercambio: [6] : 5–6 

Los intercambios de carbono entre reservorios ocurren como resultado de diversos procesos químicos, físicos, geológicos y biológicos. El océano contiene la mayor reserva activa de carbono cerca de la superficie de la Tierra. [7] Los flujos naturales de carbono entre la atmósfera, el océano, los ecosistemas terrestres y los sedimentos están bastante equilibrados; por lo que los niveles de carbono serían más o menos estables sin la influencia humana. [8] [9]

Atmósfera

Modelo informático que muestra un año de vida del dióxido de carbono atmosférico y cómo viaja por el mundo  [10]

El carbono en la atmósfera terrestre existe en dos formas principales: dióxido de carbono y metano . Ambos gases absorben y retienen calor en la atmósfera y son parcialmente responsables del efecto invernadero . [7] 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. Por tanto, el dióxido de carbono contribuye más al efecto invernadero global que el metano. [11]

El dióxido de carbono se elimina de la atmósfera principalmente mediante la fotosíntesis y ingresa a las biosferas terrestre y oceánica. El dióxido de carbono también se disuelve directamente de la atmósfera en cuerpos de agua (océanos, lagos, etc.), además de disolverse en la precipitación cuando 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 , que contribuye a la acidez de los océanos. Luego puede ser absorbido por las rocas mediante la erosión. También puede acidificar otras superficies que toca o ser arrastrado al océano. [12]

Concentraciones de CO 2 durante los últimos 800.000 años medidas a partir de núcleos de hielo (azul/verde) y directamente (negro)

Las actividades humanas durante los últimos dos siglos han aumentado la cantidad de carbono en la atmósfera en casi un 50% hasta el año 2020, 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 combustibles fósiles y fabricando hormigón. [3] [7]

En un futuro lejano (de 2 a 3 mil millones de años), la velocidad a la que el suelo absorbe el dióxido de carbono a través del ciclo carbonato-silicato probablemente aumentará debido a los cambios esperados en el sol a medida que envejece. El esperado aumento de la luminosidad del Sol probablemente acelerará el ritmo de erosión de la superficie. [13] Esto eventualmente causará que la mayor parte del dióxido de carbono en la atmósfera sea aplastado en la corteza terrestre como carbonato. [14] [15] [16] Una vez que la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera caiga por debajo de aproximadamente 50 partes por millón (las tolerancias varían entre especies), la fotosíntesis de C 3 ya no será posible. [15] Se ha predicho que esto ocurrirá dentro de 600 millones de años del presente, aunque los modelos varían. [17]

Una vez que los océanos de la Tierra se evaporen dentro de unos 1.100 millones de años, [13] es muy probable que la tectónica de placas se detenga debido a la falta de agua para lubricarlas. La falta de volcanes que bombeen dióxido de carbono hará que el ciclo del carbono termine entre mil y dos mil millones de años en el futuro. [18]

Biosfera terrestre

Cantidad de carbono almacenado en los distintos ecosistemas terrestres de la Tierra, en gigatoneladas. [19]

La biosfera terrestre incluye el carbono orgánico de 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, [8] mientras que el suelo contiene aproximadamente 1.500 gigatoneladas de carbono. [20] La mayor parte del carbono de la biosfera terrestre es carbono orgánico, [21] mientras que aproximadamente un tercio del carbono del suelo se almacena en formas inorgánicas, como el carbonato de calcio . [22] 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 lo obtienen al consumir otros organismos.

Dado 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 terrestre que el hemisferio sur y, por lo tanto, más espacio para que los ecosistemas absorban y emitan carbono.

Un sistema portátil de respiración del suelo que mide el flujo de CO 2 del suelo .

El carbono sale de 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 puede exportarse al océano a través de ríos o permanecer secuestrado en los suelos en forma de carbono inerte. [23] 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% anual. [24] En 2008, el total global de CO 2 liberado por la respiración del suelo fue de aproximadamente 98 mil millones de toneladas ref necesarias , alrededor de 3 veces más carbono del que los humanos emiten a la atmósfera cada año al quemar combustibles fósiles (esto no representa una cantidad neta). transferencia de carbono del suelo a la atmósfera, ya que la respiración se compensa en gran medida con los aportes de carbono al suelo). ref. necesario 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 tanto, de los cambios en el curso del cambio climático . [25]

Océano

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 debajo de la típica capa mixta de unos pocos cientos de metros o menos, dentro de la 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 porque su concentración de DIC es aproximadamente un 15% mayor [26] pero principalmente debido a su mayor volumen, las profundidades del océano contienen mucho más carbono: es la mayor reserva de carbono en ciclo activo del mundo, y contiene 50 veces más que la atmósfera. [7] —pero el plazo 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. [7]

El carbono ingresa al océano principalmente a través de la disolución del dióxido de carbono atmosférico, una pequeña fracción del cual se convierte en carbonato . También puede ingresar al océano a través de los 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 de los océanos 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, eventualmente, regresar a las aguas superficiales a través de la circulación termohalina. [8]

Los océanos son básicos (con un valor de pH actual de 8,1 a 8,2). El aumento del CO2 atmosférico desplaza el pH del océano hacia un nivel neutro en un proceso llamado acidificación del océano . La absorción oceánica de CO 2 es una de las formas más importantes de secuestro de carbono . La tasa proyectada de reducción del pH podría retardar la precipitación biológica de carbonatos de calcio , disminuyendo así la capacidad del océano para absorber CO 2 . [27] [28]

Geosfera

Diagrama que muestra los tamaños relativos (en gigatoneladas) de los principales depósitos de almacenamiento de carbono en la Tierra. Se incluyen a modo de comparación los cambios acumulativos (hasta el año 2014) del uso de la tierra y las emisiones de carbono fósil. [19]

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 tanto, de las temperaturas globales. [29]

La mayor parte del carbono de la Tierra se almacena de forma inerte en la litosfera terrestre . [7] Gran parte del carbono almacenado en el manto de la Tierra se almacenó allí cuando se formó la Tierra. [30] Parte de él se depositó en forma de carbono orgánico de la biosfera. [31] Del carbono almacenado en la geosfera, alrededor del 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 mediante la sedimentación y el entierro de organismos terrestres bajo altas temperaturas y presión. El carbono orgánico almacenado en la geosfera puede permanecer allí durante millones de años. [29]

El carbono puede salir de la geosfera de varias maneras. El dióxido de carbono se libera durante el metamorfismo de las rocas carbonatadas cuando se sumergen en el manto terrestre. Este dióxido de carbono puede liberarse a la atmósfera y al océano a través de volcanes y puntos calientes . [30] Los humanos también pueden eliminarlo mediante la extracción directa de querógenos en forma de combustibles fósiles . Después de la extracción, los combustibles fósiles se queman para liberar energía y emitir a la atmósfera el carbono que almacenan.

Tipos de dinámica

El ciclo lento (o profundo) del carbono opera a través de las rocas.
El ciclo rápido del carbono opera a través de la biosfera, ver el diagrama al inicio del artículo ↑

Hay un ciclo del carbono rápido y uno lento. El ciclo rápido opera en la biosfera y el ciclo lento opera en las rocas . El ciclo rápido o biológico puede completarse en unos años, trasladando el carbono de la atmósfera a la biosfera y luego de regreso a la atmósfera. El ciclo lento o geológico puede extenderse profundamente en el manto y puede tardar millones de años en completarse, moviendo el carbono a través de la corteza terrestre entre las rocas, el suelo, el océano y la atmósfera. [2]

El rápido ciclo del carbono implica procesos biogeoquímicos de relativamente corto plazo entre el medio ambiente y los organismos vivos de la biosfera (ver diagrama al comienzo del artículo). Incluye movimientos de carbono entre la atmósfera y los ecosistemas terrestres y marinos, así como los suelos y los sedimentos del fondo marino. El ciclo rápido incluye ciclos anuales que implican la fotosíntesis y ciclos decenales que implican crecimiento vegetativo y descomposición. Las reacciones del rápido ciclo del carbono a las actividades humanas determinarán muchos de los impactos más inmediatos del cambio climático. [32] [33] [34] [35] [36]

El ciclo lento (o profundo) del carbono implica procesos geoquímicos de mediano a largo plazo que pertenecen al ciclo de las rocas (ver diagrama a la derecha). El intercambio entre el océano y la atmósfera puede llevar siglos y la erosión de las rocas puede tardar millones de años. El carbono del océano se precipita al fondo del océano, donde puede formar rocas sedimentarias y ser subducido al manto de la Tierra . Los procesos de formación de montañas dan como resultado el retorno de este carbono geológico a la superficie de la Tierra. Allí las rocas se erosionan y el carbono regresa a la atmósfera mediante la desgasificación y al océano a través de los ríos. Otro carbono geológico regresa al océano a través de la emisión hidrotermal de iones de calcio. En un año determinado, entre 10 y 100 millones de toneladas de carbono se mueven en este ciclo lento. Esto incluye volcanes que devuelven carbono geológico directamente a la atmósfera en forma de dióxido de carbono. Sin embargo, esto es menos del uno por ciento del dióxido de carbono que se libera a la atmósfera al quemar combustibles fósiles. [2] [32] [37]

Subprocesos dentro del ciclo rápido del carbono.

Carbono terrestre en el ciclo del agua.

Adónde va el carbono terrestre cuando fluye el agua  [38]

El movimiento del carbono terrestre en el ciclo del agua se muestra en el diagrama de la derecha y se explica a continuación:  [38]

  1. Las partículas atmosféricas actúan como núcleos de condensación de nubes , promoviendo la formación de nubes. [39] [40]
  2. Las gotas de lluvia absorben carbono orgánico e inorgánico mediante la eliminación de partículas y la adsorción de vapores orgánicos mientras caen hacia la Tierra. [41] [42]
  3. Los incendios y las erupciones volcánicas producen moléculas aromáticas policíclicas altamente condensadas (es decir, carbono negro ) que regresan a la atmósfera junto con gases de efecto invernadero como el CO 2 . [43] [44]
  4. Las plantas terrestres fijan el CO 2 atmosférico mediante la fotosíntesis y devuelven una fracción a la atmósfera mediante la respiración . [45] La lignina y las celulosas representan hasta el 80% del carbono orgánico en los bosques y el 60% en los pastos. [46] [47]
  5. El carbono orgánico de la hojarasca y las raíces se mezcla con material sedimentario para formar suelos orgánicos donde el carbono orgánico petrogénico y de origen vegetal se almacena y transforma mediante la actividad microbiana y fúngica. [48] ​​[49] [50]
  6. El agua absorbe carbono orgánico disuelto (DOC) y carbono inorgánico disuelto (DIC) derivado de aerosoles sedimentados y de plantas a medida que pasa sobre las copas de los bosques (es decir, caída ) y a lo largo de troncos/tallos de plantas (es decir, flujo de tallos ). [51] Las transformaciones biogeoquímicas tienen lugar cuando el agua penetra en la solución del suelo y en los depósitos de agua subterránea [52] [53] y el flujo terrestre ocurre cuando los suelos están completamente saturados, [54] o las precipitaciones ocurren más rápidamente que la saturación de los suelos. [55]
  7. El carbono orgánico derivado de la biosfera terrestre y la producción primaria in situ es descompuesto por comunidades microbianas en ríos y arroyos junto con la descomposición física (es decir, fotooxidación ), lo que resulta en un flujo de CO 2 desde los ríos a la atmósfera que son del mismo orden de magnitud como la cantidad de carbono secuestrado anualmente por la biosfera terrestre. [56] [57] [58] Las macromoléculas de origen terrestre, como la lignina  [59] y el carbono negro [60] , se descomponen en componentes y monómeros más pequeños y, en última instancia, se convierten en CO 2 , intermediarios metabólicos o biomasa . 
  8. Los lagos, embalses y llanuras aluviales suelen almacenar grandes cantidades de carbono orgánico y sedimentos, pero también experimentan heterotrofia neta en la columna de agua, lo que resulta en un flujo neto de CO 2 a la atmósfera que es aproximadamente un orden de magnitud menor que el de los ríos. [61] [58] La producción de metano también suele ser alta en los sedimentos anóxicos de llanuras aluviales, lagos y embalses. [62]
  9. La producción primaria generalmente aumenta en las plumas de los ríos debido a la exportación de nutrientes fluviales . [63] [64] Sin embargo, las aguas estuarinas son una fuente de CO 2 para la atmósfera a nivel mundial. [sesenta y cinco]
  10. Las marismas costeras almacenan y exportan carbono azul . [66] [67] [68] Se sugiere que los pantanos y humedales tienen un flujo de CO 2 a la atmósfera equivalente al de los ríos, a nivel mundial. [69]
  11. Las plataformas continentales y el océano abierto suelen absorber CO 2 de la atmósfera. [sesenta y cinco]
  12. La bomba biológica marina secuestra una fracción pequeña pero significativa del CO 2 absorbido como carbono orgánico en los sedimentos marinos (ver más abajo). [70] [38]

Escurrimiento terrestre al océano

Cómo se mueve el carbono desde las aguas continentales al océano
En los ecosistemas terrestres ocurren el intercambio de dióxido de carbono, la producción fotosintética y la respiración de la vegetación terrestre, la erosión de las rocas y la sedimentación. El carbono se transporta al océano a través del continuo tierra-río-estuario en forma de carbono orgánico y carbono inorgánico. En los ecosistemas oceánicos se producen intercambio de carbono en la interfaz aire-agua, transporte, transformación y sedimentación. [71]

Los ecosistemas terrestres y marinos están conectados principalmente a través del transporte fluvial , que actúa como el canal principal a través del cual las sustancias erosivas de origen terrestre ingresan a los sistemas oceánicos. Los intercambios de materia y energía entre la biosfera terrestre y la litosfera , así como los procesos de fijación y oxidación del carbono orgánico, regulan en conjunto los depósitos de carbono y dioxígeno (O 2 ) de los ecosistemas. [71]

El transporte fluvial, al ser el principal canal de conexión de estos reservorios, actuará para transportar la productividad primaria neta (principalmente en forma de carbono orgánico disuelto (DOC) y carbono orgánico particulado (POC)) de los sistemas terrestres a los oceánicos. [72] Durante el transporte, parte del DOC regresará rápidamente a la atmósfera a través de reacciones redox , provocando que se produzca una "desgasificación de carbono" entre las capas de almacenamiento de la atmósfera terrestre. [73] [74] El DOC restante y el carbono inorgánico disuelto (DIC) también se exportan al océano. [75] [76] [77] En 2015, los flujos de exportación de carbono inorgánico y orgánico de los ríos globales se evaluaron en 0,50–0,70 Pg C y −1 y 0,15–0,35 Pg C y −1 respectivamente. [76] Por otro lado, el POC puede permanecer enterrado en sedimentos durante un período extenso, y el flujo anual global de POC terrestre a oceánico se ha estimado en 0,20 (+0,13,-0,07) Gg C y −1 . [78] [71]

Bomba biológica en el océano

Flujo de carbono a través del océano abierto

La bomba biológica oceánica es el secuestro de carbono de la atmósfera y la escorrentía terrestre impulsado biológicamente por el océano hacia el interior profundo del océano y los sedimentos del fondo marino . [79] La bomba biológica no es tanto el resultado de un solo proceso, sino más bien la suma de varios procesos, cada uno de los cuales puede influir en el bombeo biológico. La bomba transfiere alrededor de 11 mil millones de toneladas de carbono cada año al interior del océano. Un océano sin la bomba biológica daría como resultado niveles atmosféricos de CO 2 aproximadamente 400 ppm más altos que los actuales. [80] [81] [82]

La mayor parte del carbono incorporado en la materia biológica orgánica e inorgánica se forma en la superficie del mar, donde luego puede comenzar a hundirse hasta el fondo del océano. Las profundidades del océano obtienen la mayoría de sus nutrientes de la columna de agua más alta cuando se hunden en forma de nieve marina . Está formado por animales y microbios muertos o moribundos, materia fecal, arena y otros materiales inorgánicos. [83]

La bomba biológica es responsable de transformar el carbono inorgánico disuelto (DIC) en biomasa orgánica y bombearlo en forma particulada o disuelta a las profundidades del océano. Los nutrientes inorgánicos y el dióxido de carbono son fijados durante la fotosíntesis por el fitoplancton, que libera materia orgánica disuelta (DOM) y es consumido por el zooplancton herbívoro. Zooplancton de mayor tamaño, como los copépodos y los gránulos fecales , que pueden reingerirse y hundirse o acumularse con otros detritos orgánicos en agregados más grandes y que se hunden más rápidamente. Las bacterias consumen parcialmente el DOM y lo respiran; el DOM refractario restante se advecta y se mezcla en las profundidades del mar. Los DOM y los agregados exportados a las aguas profundas se consumen y respiran, devolviendo así el carbono orgánico a la enorme reserva oceánica profunda de DIC. [84]

Una sola célula de fitoplancton tiene una tasa de hundimiento de alrededor de un metro por día. Dado que la profundidad media del océano es de unos cuatro kilómetros, estas células pueden tardar más de diez años en llegar al fondo del océano. Sin embargo, a través de procesos como la coagulación y la expulsión en las heces de los depredadores, estas células forman agregados. Estos agregados tienen tasas de hundimiento de órdenes de magnitud mayores que las células individuales y completan su viaje a las profundidades en cuestión de días. [85]

Aproximadamente el 1% de las partículas que salen de la superficie del océano llegan al fondo marino y son consumidas, respiradas o enterradas en los sedimentos. El efecto neto de estos procesos es eliminar carbono en forma orgánica de la superficie y devolverlo al DIC a mayores profundidades, manteniendo un gradiente de DIC desde la superficie hasta las profundidades del océano. La circulación termohalina devuelve el DIC de las profundidades del océano a la atmósfera en escalas de tiempo milenarias. El carbono enterrado en los sedimentos puede subducirse al manto terrestre y almacenarse durante millones de años como parte del lento ciclo del carbono (consulte la siguiente sección). [84]

Subprocesos dentro del ciclo lento del carbono.

Movimiento de placas oceánicas, que transportan compuestos de carbono, a través del manto

El ciclo lento o profundo del carbono es un proceso importante, aunque no se comprende tan bien como el movimiento relativamente rápido del carbono a través de la atmósfera, la biosfera terrestre, el océano y la geosfera. [86] El ciclo profundo del carbono está íntimamente relacionado 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 hasta niveles extremadamente altos durante largos períodos de tiempo. [87] Por lo tanto, al permitir que el carbono regrese a la Tierra, el ciclo profundo del carbono desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de las condiciones terrestres necesarias para que exista la vida.

Además, el proceso también es importante simplemente por 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 que sale 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. [88] Profundizar y observar físicamente los procesos de carbono en las profundidades de la Tierra es evidentemente extremadamente difícil, ya que el manto inferior y el núcleo se extienden de 660 a 2.891 km y de 2.891 a 6.371 km de profundidad en la Tierra, respectivamente. En consecuencia, no se sabe mucho de manera concluyente sobre el papel del carbono en las profundidades de la Tierra. No obstante, varias pruebas, muchas de las cuales provienen de simulaciones de laboratorio de las condiciones profundas de la Tierra, han indicado mecanismos para el movimiento del elemento hacia el manto inferior, así como las formas que adopta el carbono a las temperaturas y presiones extremas de dicha capa. Además, técnicas como la sismología han permitido comprender mejor la posible presencia de carbono en el núcleo de la Tierra.

Carbono en el manto inferior.

Desgasificación de carbono a través de diversos procesos  [89]

El carbono ingresa principalmente al manto en forma de sedimentos ricos en carbonatos en las placas tectónicas de la corteza oceánica, que atraen el carbono hacia el manto al sufrir subducción . No se sabe mucho sobre la circulación del carbono en el manto, especialmente en las profundidades de la Tierra, pero muchos estudios han intentado aumentar nuestra comprensión del movimiento y las formas del elemento dentro de la 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 , y determinó que la composición general de algunas de las inclusiones de diamantes coincidía con el resultado esperado de la fusión y cristalización del basalto bajo temperaturas y presiones más bajas del manto. [90] Por lo tanto, los hallazgos de la investigación indican que 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 , formando eventualmente diamantes súper profundos como el encontrado. [91]

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 1.800 kilómetros de profundidad en la Tierra, muy dentro del manto inferior. Esto dio lugar a formaciones de magnesita , siderita y numerosas variedades de grafito . [92] Otros experimentos, así como observaciones petrológicas , respaldan esta afirmación, indicando que la magnesita es en realidad la fase carbonatada más estable en la mayor parte del manto. Esto se debe en gran medida a su mayor temperatura de fusión. [93] En consecuencia, los científicos han llegado a la conclusión de que los carbonatos se reducen a medida que descienden al manto antes de estabilizarse en profundidad en ambientes de baja fugacidad de oxígeno. El magnesio, el hierro y otros compuestos metálicos actúan como amortiguadores durante todo el proceso. [94] 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.

El carbono está unido tetraédricamente al oxígeno.

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 en profundidades cercanas al límite entre el núcleo y el manto . [95] [92] Un estudio de 2015 indica que la alta presión del manto inferior hace que los enlaces de carbono pasen de orbitales hibridados sp 2 a sp 3 , lo que da como resultado un enlace tetraédrico del carbono con el oxígeno. [96] Los grupos trigonales de CO 3 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 carbonato fundido; La menor movilidad de los fundidos como resultado de su mayor viscosidad provoca grandes depósitos de carbono en las profundidades del manto. [97]

En consecuencia, el carbono puede permanecer en el manto inferior durante largos períodos de tiempo, pero con frecuencia grandes concentraciones de carbono regresan a la litosfera. Este proceso, llamado desgasificación de carbono, es el resultado de la fusión por descompresión del manto carbonatado, así como de las columnas del manto que transportan compuestos de carbono hacia la corteza. [98] El carbono se oxida durante su ascenso hacia 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 que hacen erupción en dichas áreas. [99]

Se puede obtener conocimiento sobre el carbono en el núcleo analizando las velocidades de las ondas de corte.

Carbono en el núcleo.

Aunque la presencia de carbono en el núcleo de la Tierra está bien restringida, estudios recientes sugieren que en esta región podrían almacenarse grandes inventarios de carbono. [ se necesita aclaración ] Las ondas de corte (S) que se mueven a través del núcleo interno viajan a aproximadamente el cincuenta por ciento de la velocidad esperada para la mayoría de las aleaciones ricas en hierro. [100] 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. 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 las ondas del núcleo interno. Por lo tanto, el modelo del carburo de hierro podría servir como evidencia de que el núcleo contiene hasta el 67% del carbono de la Tierra. [101] Además, otro estudio encontró que en las condiciones de presión y temperatura del núcleo interno de la Tierra, el carbono se disolvía en hierro y formaba una fase estable con la misma composición de Fe 7 C 3 , aunque con una estructura diferente a la mencionada anteriormente. [102] 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 en el ciclo rápido del carbono.

Emisiones de dióxido de carbono y partición
Representación esquemática de la perturbación general del ciclo global del carbono causada por actividades antropogénicas, promediada de 2010 a 2019.

Desde la revolución industrial , y especialmente desde el final de la Segunda Guerra Mundial , la actividad humana ha perturbado sustancialmente el ciclo global del carbono al redistribuir cantidades masivas de carbono de la geosfera. [1] Los seres humanos también han seguido modificando las funciones de los componentes naturales de la biosfera terrestre con cambios en la vegetación y otros usos de la tierra. [7] Se han diseñado y fabricado en masa compuestos de carbono artificiales (sintéticos) que persistirán durante décadas o milenios en el aire, el agua y los sedimentos como contaminantes. [103] [104] El cambio climático está amplificando y forzando más cambios humanos indirectos en el ciclo del carbono como consecuencia de diversas retroalimentaciones positivas y negativas . [25]

Cambio climático

Retroalimentación del ciclo clima-carbono y variables de estado
representadas en un modelo estilizado
El carbono almacenado en la tierra, en la vegetación y los suelos, se agrega en una única reserva c t . El carbono de la capa mixta del océano, cm , es la única reserva de carbono oceánica modelada explícitamente; aunque para estimar la retroalimentación del ciclo del carbono también se calcula el carbono total del océano. [105]

Las tendencias actuales del cambio climático conducen a una mayor temperatura y acidez de los océanos , modificando así los ecosistemas marinos. [106] Además, la lluvia ácida y la escorrentía contaminada de la agricultura y la industria cambian la composición química del océano. Dichos cambios pueden tener efectos dramáticos en ecosistemas altamente sensibles como los arrecifes de coral , [107] limitando así la capacidad del océano para absorber carbono de la atmósfera a escala regional y reduciendo la biodiversidad oceánica a nivel mundial.

Los intercambios de carbono entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre, conocidos colectivamente como ciclo del carbono, constituyen actualmente importantes retroalimentaciones negativas (amortiguadoras) del efecto de las emisiones antropogénicas de carbono en el cambio climático. Los sumideros de carbono en la tierra y el océano absorben actualmente cada uno aproximadamente una cuarta parte de las emisiones antropogénicas de carbono cada año. [108] [105]

Se espera que estas retroalimentaciones se debiliten en el futuro, amplificando el efecto de las emisiones antropogénicas de carbono en el cambio climático. [109] Sin embargo, el grado en que se debilitarán es muy incierto, ya que los modelos del sistema terrestre predicen una amplia gama de absorciones de carbono en la tierra y el océano incluso en escenarios idénticos de concentración o emisión atmosférica. [110] [105] [111] Las emisiones de metano del Ártico causadas indirectamente por el calentamiento global antropogénico también afectan el ciclo del carbono y contribuyen a un mayor calentamiento.

Extracción y quema de carbono fósil

Detalle de los flujos de carbono antropogénico, que muestra la masa acumulada en gigatoneladas durante los años 1850-2018 (izquierda) y el promedio de masa anual durante 2009-2018 (derecha). [112]

El impacto humano más grande y uno de los de más rápido crecimiento en el ciclo del carbono y la biosfera es la extracción y quema de combustibles fósiles , que transfieren directamente carbono de la geosfera a la atmósfera. El dióxido de carbono también se produce y libera durante la calcinación de piedra caliza para la producción de clínker . [113] El clinker es un precursor industrial del cemento .

Hasta 2020 , se han extraído en total unas 450 gigatoneladas de carbono fósil; una cantidad cercana al carbono contenido en toda la biomasa terrestre viva de la Tierra. [112] Las tasas recientes de emisiones globales directamente a la atmósfera han excedido la absorción por la vegetación y los océanos. [114] [115] [116] [117] Se esperaba y se había observado que estos sumideros eliminaban aproximadamente la mitad del carbono atmosférico agregado en aproximadamente un siglo. [112] [118] [119] Sin embargo, los sumideros como el océano tienen propiedades de saturación en evolución , y se proyecta que una fracción sustancial (20-35%, según modelos acoplados ) del carbono agregado permanecerá en la atmósfera durante siglos o milenios. [120] [121]

Halocarbonos

Los halocarbonos son compuestos menos prolíficos desarrollados para diversos usos en toda la industria; por ejemplo como disolventes y refrigerantes . Sin embargo, la acumulación de concentraciones relativamente pequeñas (partes por billón) de gases clorofluorocarbono , hidrofluorocarbono y perfluorocarbono en la atmósfera es responsable de aproximadamente el 10% del forzamiento radiativo directo total de todos los gases de efecto invernadero de larga vida (año 2019); que incluye el forzamiento de concentraciones mucho mayores de dióxido de carbono y metano. [122] Los clorofluorocarbonos también causan el agotamiento del ozono estratosférico . Se están realizando esfuerzos internacionales en el marco del Protocolo de Montreal y el Protocolo de Kioto para controlar el rápido crecimiento en la fabricación industrial y el uso de estos gases ambientalmente potentes. Para algunas aplicaciones se han desarrollado alternativas más benignas, como las hidrofluoroolefinas , que se están introduciendo gradualmente. [123]

Cambios de uso de suelo

Desde la invención de la agricultura, los seres humanos han influido directa y gradualmente en el ciclo del carbono a lo largo de siglos modificando la mezcla de vegetación en la biosfera terrestre. [118] Durante los últimos siglos, el cambio en el uso de la tierra y la cobertura del suelo (LUCC, por sus siglas en inglés) causado directa e indirectamente por el hombre ha llevado a la pérdida de biodiversidad , lo que reduce la resiliencia de los ecosistemas a las tensiones ambientales y disminuye su capacidad para eliminar carbono de la atmósfera. . Más directamente, a menudo conduce a la liberación de carbono de los ecosistemas terrestres a la atmósfera.

La deforestación con fines agrícolas elimina los bosques, que contienen grandes cantidades de carbono, y los reemplaza, generalmente con áreas agrícolas o urbanas. Ambos tipos de cobertura terrestre de reemplazo almacenan cantidades comparativamente pequeñas de carbono, de modo que el resultado neto de la transición es que permanece más carbono en la atmósfera. Sin embargo, los efectos sobre la atmósfera y el ciclo general del carbono pueden revertirse intencionalmente y/o naturalmente con la reforestación .

Ver también

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