El ciclo atmosférico del carbono es responsable del intercambio de compuestos gaseosos de carbono , principalmente dióxido de carbono (CO 2 ), entre la atmósfera terrestre, los océanos y la biosfera terrestre . Es uno de los componentes más rápidos del ciclo general del carbono del planeta , y sustenta el intercambio de más de 200 mil millones de toneladas de carbono (es decir, gigatoneladas de carbono o GtC) dentro y fuera de la atmósfera a lo largo de cada año. [2] Las concentraciones atmosféricas de CO 2 permanecen estables en escalas de tiempo más largas solo cuando existe un equilibrio entre estos dos flujos. El metano ( CH 4 ), el monóxido de carbono (CO) y otros compuestos creados por el hombre están presentes en concentraciones más pequeñas y también son parte del ciclo atmosférico del carbono. [3]
Las actividades humanas, principalmente la extracción y quema de carbono fósil de la litosfera de la Tierra a partir de la Revolución Industrial , han alterado el equilibrio anterior del ciclo del carbono atmosférico y han sido las principales responsables del rápido crecimiento actual de las concentraciones de CO 2 y CH 4 . [4] A partir del año 2019, las emisiones anuales crecieron a 10 GtC/año, con un total acumulado de aproximadamente 450 GtC inyectados en el ciclo. [5] Hasta ahora, los sumideros terrestres y oceánicos han absorbido la mitad del carbono agregado, y la otra mitad ha permanecido en la atmósfera principalmente como CO 2 . Suponiendo que la tendencia de crecimiento de las emisiones continúe, la concentración de CO 2 está en camino de al menos duplicarse en la segunda mitad de este siglo. [6]
El ciclo atmosférico del carbono también influye fuertemente en el balance energético de la Tierra a través del efecto invernadero , y afecta la acidez o alcalinidad de las aguas superficiales y los suelos del planeta. A pesar de representar menos del 0,05% de todos los gases atmosféricos por fracción molar , [7] el reciente aumento de las concentraciones de carbono ha causado un calentamiento global sustancial y la acidificación de los océanos . [8] En general, se prevé que estos efectos se aceleren aún más hasta que las emisiones netas se estabilicen y reduzcan. [6]
La atmósfera es uno de los principales depósitos de carbono de la Tierra y contenía aproximadamente 720 gigatoneladas de carbono en el año 2000. [2] La concentración de gases de efecto invernadero, en su mayoría de origen carbónico , ha aumentado drásticamente desde el inicio de la era industrial . Esto hace que sea muy importante comprender el componente de carbono de la atmósfera. Los dos principales gases de efecto invernadero son el metano y el dióxido de carbono. [10]
El metano (CH 4 ) es uno de los gases de efecto invernadero más potentes y se produce principalmente por la digestión o descomposición de organismos biológicos. Se considera el segundo gas de efecto invernadero más importante, [10] aunque actualmente se conoce poco sobre el ciclo del metano en la atmósfera. [11] La cantidad de metano producida y absorbida anualmente varía ampliamente. [10]
Se pueden encontrar grandes reservas de metano en forma de hielo de metano bajo el permafrost y en las plataformas continentales. El metano adicional se produce por la descomposición anaeróbica de materia orgánica y se produce en los tractos digestivos de los organismos, el suelo, etc. La producción natural de metano representa entre el 10 y el 30% de las fuentes mundiales de metano. [12]
El metano antropogénico se produce de diversas maneras, por ejemplo, mediante la cría de ganado o mediante la descomposición de la basura en los vertederos. También lo producen varias fuentes industriales, incluidas la minería y la distribución de combustibles fósiles. [11] Más del 70% del metano atmosférico proviene de fuentes biogénicas . Los niveles de metano han aumentado gradualmente desde el inicio de la era industrial, [13] de ~700 ppb en 1750 a ~1775 ppb en 2005. [10]
El metano puede eliminarse de la atmósfera mediante una reacción del radical libre hidroxilo (OH) producido fotoquímicamente. [14] [15] También puede salir de la atmósfera entrando en la estratosfera, donde se destruye, o al ser absorbido por los sumideros del suelo. [16] Debido a que el metano reacciona bastante rápido con otros compuestos, no permanece en la atmósfera tanto tiempo como muchos otros gases de efecto invernadero, por ejemplo, el dióxido de carbono. Tiene una vida atmosférica de unos ocho años. [13] Esto mantiene la concentración de metano en la atmósfera relativamente baja y es la razón por la que actualmente juega un papel secundario en el efecto invernadero frente al dióxido de carbono, a pesar del hecho de que produce un efecto invernadero mucho más potente por volumen. [11]
El dióxido de carbono ( CO2 ) tiene un gran efecto de calentamiento en las temperaturas globales a través del efecto invernadero . Aunque las moléculas individuales de CO2 tienen un corto tiempo de residencia en la atmósfera, los niveles de dióxido de carbono tardan un tiempo extremadamente largo en descender después de aumentos repentinos, debido, por ejemplo, a erupciones volcánicas o a la actividad humana [17] y, entre los muchos gases de efecto invernadero de larga duración , es el más importante porque constituye la fracción más grande de la atmósfera. [10] Desde la Revolución Industrial , la concentración de CO2 en la atmósfera ha aumentado de aproximadamente 280 ppm a casi 400 ppm. [7] Aunque la cantidad de CO2 introducida constituye solo una pequeña parte del ciclo global del carbono, el largo tiempo de residencia del dióxido de carbono hace que estas emisiones sean relevantes para el balance total de carbono. La mayor concentración de dióxido de carbono fortalece el efecto invernadero, provocando cambios en el clima global . De las mayores cantidades de dióxido de carbono que se introducen en la atmósfera cada año, aproximadamente el 80% proviene de la combustión de combustibles fósiles y la producción de cemento. El otro ~20% se origina en el cambio de uso de la tierra y la deforestación. [18] Debido a que el dióxido de carbono gaseoso no reacciona rápidamente con otras sustancias químicas, los principales procesos que modifican el contenido de dióxido de carbono de la atmósfera implican intercambios con otros depósitos de carbono de la Tierra, como se explica en las siguientes secciones.
El carbono atmosférico se intercambia rápidamente entre los océanos y la biosfera terrestre. Esto significa que a veces la atmósfera actúa como sumidero y otras veces como fuente de carbono. [2] La siguiente sección presenta los intercambios entre la atmósfera y otros componentes del ciclo global del carbono.
El carbono se intercambia con la biosfera terrestre a una velocidad variable. Los autótrofos lo absorben en forma de dióxido de carbono y lo convierten en compuestos orgánicos . El carbono también se libera desde la biosfera a la atmósfera en el curso de procesos biológicos. La respiración aeróbica convierte el carbono orgánico en dióxido de carbono y un tipo particular de respiración anaeróbica lo convierte en metano. Después de la respiración, tanto el dióxido de carbono como el metano se emiten típicamente a la atmósfera. El carbono orgánico también se libera a la atmósfera durante la combustión. [19]
El tiempo de permanencia del carbono en la biosfera terrestre varía y depende de un gran número de factores. La absorción de carbono en la biosfera se produce en varias escalas de tiempo. El carbono se absorbe principalmente durante el crecimiento de las plantas. Se observa un patrón de mayor absorción de carbono tanto a lo largo del día (se absorbe menos carbono por la noche) como a lo largo del año (se absorbe menos carbono en invierno). [10] Mientras que la materia orgánica de los animales generalmente se descompone rápidamente, liberando gran parte de su carbono a la atmósfera a través de la respiración, el carbono almacenado como materia vegetal muerta puede permanecer en la biosfera durante un decenio o más. Los diferentes tipos de materia vegetal se descomponen a diferentes ritmos; por ejemplo, las sustancias leñosas retienen su carbono durante más tiempo que el material blando y frondoso. [20] El carbono activo en los suelos puede permanecer secuestrado hasta mil años, mientras que el carbono inerte en los suelos puede permanecer secuestrado durante más de un milenio. [19]
Cada año, el océano y la atmósfera intercambian grandes cantidades de carbono. Un factor importante que controla el intercambio de carbono océano-atmósfera es la circulación termohalina . En las regiones de afloramiento oceánico, el agua rica en carbono de las profundidades oceánicas sube a la superficie y libera carbono a la atmósfera en forma de dióxido de carbono. Grandes cantidades de dióxido de carbono se disuelven en agua fría en latitudes más altas. Esta agua se hunde y lleva el carbono a los niveles más profundos del océano, donde puede permanecer durante décadas o varios siglos. [2] Los eventos de circulación oceánica hacen que este proceso sea variable. Por ejemplo, durante los eventos de El Niño hay menos afloramiento oceánico profundo, lo que lleva a una menor liberación de dióxido de carbono a la atmósfera. [18]
Los procesos biológicos también provocan un intercambio de carbono entre el océano y la atmósfera. El dióxido de carbono se equilibra entre la atmósfera y las capas superficiales del océano. A medida que los autótrofos añaden o sustraen dióxido de carbono del agua a través de la fotosíntesis o la respiración , modifican este equilibrio, permitiendo que el agua absorba más dióxido de carbono o haciendo que emita dióxido de carbono a la atmósfera. [2]
El carbono se intercambia generalmente muy lentamente entre la atmósfera y la geosfera. Dos excepciones son las erupciones volcánicas y la combustión de combustibles fósiles , que liberan grandes cantidades de carbono a la atmósfera muy rápidamente. [21] La roca de silicato fresca que queda expuesta a través de procesos geológicos absorbe carbono de la atmósfera cuando queda expuesta al aire por los procesos de meteorización y erosión . [ cita requerida ]
Las actividades humanas modifican la cantidad de carbono en la atmósfera directamente a través de la quema de combustibles fósiles y otros materiales orgánicos, oxidando así el carbono orgánico y produciendo dióxido de carbono. [22] [23] Otra fuente de dióxido de carbono causada por el hombre es la producción de cemento . La quema de combustibles fósiles y la producción de cemento son las principales razones del aumento del CO2 atmosférico desde el comienzo de la era industrial. [10]
Otros cambios provocados por el hombre en el ciclo atmosférico del carbono se deben a cambios antropogénicos en los depósitos de carbono. La deforestación, por ejemplo, disminuye la capacidad de la biosfera para absorber carbono, aumentando así la cantidad de carbono en la atmósfera. [24]
Como el uso industrial del carbono por parte de los seres humanos es una dinámica muy nueva a escala geológica, es importante poder rastrear las fuentes y los sumideros de carbono en la atmósfera. Una forma de hacerlo es observando la proporción de isótopos estables de carbono presentes en la atmósfera. Los dos principales isótopos de carbono son el 12C y el 13C . Las plantas absorben el isótopo más ligero, el 12C , con mayor facilidad que el 13C . [25] Debido a que los combustibles fósiles se originan principalmente a partir de materia vegetal, la relación 13C / 12C en la atmósfera disminuye cuando se queman grandes cantidades de combustibles fósiles, lo que libera 12C . Por el contrario, un aumento de la relación 13C / 12C en la atmósfera sugiere una mayor absorción de carbono biosfera. [19] La relación entre el aumento anual del CO2 atmosférico en comparación con las emisiones de CO2 de los combustibles fósiles y el cemento fabricados se denomina " fracción aerotransportada ". [26] La fracción aerotransportada ha sido de alrededor del 60% desde la década de 1950, lo que indica que aproximadamente el 60% del nuevo dióxido de carbono en la atmósfera cada año tiene su origen en fuentes humanas. [10] Para mayor claridad, esto no pretende sugerir que el 60% de la absorción de dióxido de carbono en la atmósfera proviene de la actividad humana. Significa que la atmósfera intercambia alrededor de 210 gigatoneladas de carbono anualmente, pero absorbe entre 6 y 10 gigatoneladas más de las que pierde. De esta ganancia neta, aproximadamente el 60% es atribuible a la quema de combustibles fósiles.
![Los flujos de CO2 provenientes de la actividad humana (izquierda) llegan a la atmósfera, la tierra y los sumideros oceánicos (derecha).[5]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/19/Global_carbon_budget_components.png/1280px-Global_carbon_budget_components.png)
![Flujos de carbono antropogénico durante los años 1850-2018 (izquierda) y 2009-2018 (derecha).[5]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/aa/Anthropogenic_carbon_flows_1850-2018.png/1280px-Anthropogenic_carbon_flows_1850-2018.png)
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