Constituyente atmosférico y gas de efecto invernadero.
Concentraciones de CO 2 atmosférico medidas en el Observatorio Mauna Loa desde 1958 hasta 2022 (también llamada Curva de Keeling ). Las concentraciones de dióxido de carbono han variado ampliamente a lo largo de los 4.540 millones de años de historia de la Tierra. Sin embargo, en 2013 la concentración media diaria de CO 2 en la atmósfera superó las 400 partes por millón ( ppmv ) [1] ; este nivel nunca se había alcanzado desde mediados del Plioceno , hace entre 2 y 4 millones de años. [2] [un]
Si bien es transparente a la luz visible , el dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero que absorbe y emite radiación infrarroja en sus dos frecuencias vibratorias activas en el infrarrojo. El CO 2 absorbe y emite radiación infrarroja en longitudes de onda de 4,26 μm (2347 cm −1 ) ( modo vibratorio de estiramiento asimétrico ) y 14,99 μm (667 cm −1 ) (modo vibratorio de flexión). Desempeña un papel importante al influir en la temperatura de la superficie de la Tierra a través del efecto invernadero. [9] La emisión de luz desde la superficie de la Tierra es más intensa en la región infrarroja entre 200 y 2500 cm −1 , [10] a diferencia de la emisión de luz del Sol, mucho más caliente, que es más intensa en la región visible. La absorción de luz infrarroja en las frecuencias vibratorias del CO 2 atmosférico atrapa energía cerca de la superficie, calentando la superficie y la atmósfera inferior. Llega menos energía a la atmósfera superior, que por tanto es más fría debido a esta absorción. [11]
Los aumentos de las concentraciones atmosféricas de CO 2 y otros gases de efecto invernadero de larga vida como el metano , el óxido nitroso y el ozono aumentan la absorción y emisión de radiación infrarroja por la atmósfera, provocando el aumento observado de la temperatura media global y la acidificación de los océanos . Otro efecto directo es el efecto fertilización con CO 2 . Estos cambios provocan una serie de efectos indirectos del cambio climático en el entorno físico, los ecosistemas y las sociedades humanas. El dióxido de carbono ejerce una influencia de calentamiento general mayor que todos los demás gases de efecto invernadero combinados. [6] Tiene una vida atmosférica que aumenta con la cantidad acumulada de carbono fósil extraído y quemado, debido al desequilibrio que esta actividad ha impuesto al rápido ciclo del carbono de la Tierra . [12] Esto significa que una fracción (se proyecta entre un 20% y un 35%) del carbono fósil transferido hasta ahora persistirá en la atmósfera como niveles elevados de CO 2 durante muchos miles de años después de que estas actividades de transferencia de carbono comiencen a disminuir. [13] [14] [15] El ciclo del carbono es un ciclo biogeoquímico en el que se intercambia carbono entre los océanos , el suelo, las rocas y la biosfera de la Tierra . Las plantas y otros fotoautótrofos utilizan la energía solar para producir carbohidratos a partir del dióxido de carbono atmosférico y el agua mediante la fotosíntesis . Casi todos los demás organismos dependen de los carbohidratos derivados de la fotosíntesis como fuente principal de energía y compuestos de carbono.
La concentración atmosférica actual de CO 2 es la más alta en 14 millones de años. [3] Las concentraciones de CO 2 en la atmósfera alcanzaron las 4.000 ppm durante el período Cámbrico , hace unos 500 millones de años, y las tan bajas como 180 ppm durante la glaciación Cuaternaria de los últimos dos millones de años. [5] Los registros de temperatura reconstruidos de los últimos 420 millones de años indican que las concentraciones atmosféricas de CO 2 alcanzaron un máximo de aproximadamente 2.000 ppm durante el período Devónico (hace 400 millones de años), y nuevamente en el período Triásico (hace 220-200 millones de años), y fueron cuatro veces los niveles actuales durante el período Jurásico (hace 201-145 millones de años). [16] [17]
Concentración actual y tendencias futuras
Entre 1850 y 2019, el Proyecto Global de Carbono estima que aproximadamente dos tercios del exceso de emisiones de dióxido de carbono fueron causados por la quema de combustibles fósiles, y un poco menos de la mitad de esa cifra permaneció en la atmósfera.
Situación actual
Desde el inicio de la Revolución Industrial , la concentración de CO2 en la atmósfera ha ido aumentando, provocando el calentamiento global y la acidificación de los océanos . [18] En octubre de 2023, el nivel medio de CO 2 en la atmósfera terrestre, ajustado a la variación estacional, era de 422,17 partes por millón en volumen (ppm). [19] Las cifras las publica mensualmente la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). [20] [21] El valor había sido de aproximadamente 280 ppm durante los 10.000 años hasta mediados del siglo XVIII. [5] [4] [6]
Cada parte por millón de CO 2 en la atmósfera representa aproximadamente 2,13 gigatoneladas de carbono, o 7,82 gigatoneladas de CO 2 . [22]
En 2021 se señaló que "las tasas actuales de aumento de la concentración de los principales gases de efecto invernadero (dióxido de carbono, metano y óxido nitroso) no tienen precedentes al menos en los últimos 800.000 años". [23] : 515
Se ha estimado que la actividad humana ha emitido 2.400 gigatoneladas de CO₂ desde 1850, parte de las cuales ha sido absorbida por los océanos y la tierra, y unas 950 gigatoneladas permanecen en la atmósfera. Alrededor de 2020, la tasa de emisión superaba las 40 gigatoneladas al año. [24]
Fluctuaciones anuales y regionales
Las concentraciones de CO 2 atmosférico fluctúan ligeramente con las estaciones, disminuyendo durante la primavera y el verano del hemisferio norte cuando las plantas consumen el gas y aumentando durante el otoño y el invierno del norte cuando las plantas quedan inactivas o mueren y se descomponen. El nivel cae alrededor de 6 o 7 ppm (alrededor de 50 Gt) de mayo a septiembre durante la temporada de crecimiento del hemisferio norte, y luego aumenta alrededor de 8 o 9 ppm. El hemisferio norte domina el ciclo anual de concentración de CO 2 porque tiene una superficie terrestre y una biomasa vegetal mucho mayores que el hemisferio sur . Las concentraciones alcanzan un máximo en mayo, cuando comienza el reverdecimiento de la primavera en el hemisferio norte, y disminuyen a un mínimo en octubre, cerca del final de la temporada de crecimiento. [25] [26]
Las concentraciones también varían según la región, siendo más intensas cerca del suelo y con variaciones mucho menores en altura. En las zonas urbanas las concentraciones son generalmente más altas [27] y en el interior pueden alcanzar 10 veces los niveles ambientales.
Mediciones y predicciones realizadas en el pasado reciente
Las estimaciones de 2023 encontraron que la concentración actual de dióxido de carbono en la atmósfera puede ser la más alta de los últimos 14 millones de años. [3] Sin embargo, el IPCC AR6 (ver, por ejemplo, figura 2.34) informa niveles similares entre 3 y 3,3 millones de años en el período cálido del Plioceno medio . El AR6 informa este período como un buen indicador de los probables resultados climáticos con los niveles actuales de CO 2 .
Los datos de 2009 encontraron que la concentración media global de CO 2 estaba aumentando a un ritmo de aproximadamente 2 ppm/año y acelerándose. [28] [29]
La concentración media diaria de CO 2 atmosférico en el Observatorio de Mauna Loa superó por primera vez las 400 ppm el 10 de mayo de 2013 [30] [31] , aunque esta concentración ya se había alcanzado en el Ártico en junio de 2012. [32] Los datos de 2013 mostraron que la concentración La cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera es tan alta "por primera vez en 55 años de medición y probablemente en más de 3 millones de años de historia de la Tierra". [33]
En 2018, las concentraciones de CO 2 se midieron en 410 ppm. [28] [34]
Técnicas de medición
Observaciones de dióxido de carbono de 2005 a 2014 que muestran las variaciones estacionales y la diferencia entre los hemisferios norte y sur.
Las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera se expresan en partes por millón en volumen (abreviado como ppmv o simplemente ppm). Para convertir las unidades habituales de ppmv a ppm de masa, multiplique por la relación entre el peso molar del CO 2 y el del aire, es decir, por 1,52 (44,01 dividido por 28,96).
Las primeras mediciones reproducibles y precisas del CO 2 atmosférico se obtuvieron a partir de mediciones de muestras en matraces realizadas por Dave Keeling en Caltech en la década de 1950. [35] Las mediciones en Mauna Loa han estado en curso desde 1958. Además, también se realizan mediciones en muchos otros sitios alrededor del mundo. Muchos sitios de medición forman parte de redes globales más grandes. Los datos de la red global a menudo se ponen a disposición del público.
Redes de datos
Existen varias redes de medición de superficie (incluidos matraces y continuas in situ), incluidas NOAA / ERSL , [36] WDCGG, [37] y RAMCES. [38] Los datos de la Red de Observatorios de Línea Base NOAA/ESRL y de la Red del Instituto Scripps de Oceanografía [39] están alojados en el CDIAC en ORNL . Los datos del Centro Mundial de Datos sobre Gases de Efecto Invernadero (WDCGG), que forma parte de la VAG , están alojados en la JMA . La base de datos Reseau Atmospherique de Mesure des Composes an Effet de Serre (RAMCES) forma parte de IPSL .
A partir de estas mediciones se elaboran otros productos que integran datos de diversas fuentes. Estos productos también abordan problemas como la discontinuidad y escasez de datos. GLOBALVIEW-CO 2 es uno de estos productos. [40]
Las mediciones continuas de columnas totales desde tierra comenzaron más recientemente. Las mediciones de columna normalmente se refieren a una cantidad de columna promedio indicada como X CO2 , en lugar de una medición únicamente de superficie. Estas mediciones las realiza el TCCON . Estos datos también están alojados en el CDIAC y se ponen a disposición del público según la política de uso de datos. [41]
Mediciones satelitales
Las mediciones espaciales de dióxido de carbono también son una adición reciente a las mediciones atmosféricas de X CO 2 . SCIAMACHY a bordo del ENVISAT de la ESA realizó mediciones globales de CO 2 de la columna X de 2002 a 2012. AIRS a bordo del satélite Aqua de la NASA realiza mediciones globales de CO 2 X y fue lanzado poco después de ENVISAT en 2012. Los satélites más recientes han mejorado significativamente la densidad de datos y la precisión de las mediciones globales. . Las misiones más nuevas tienen resoluciones espectrales y espaciales más altas. El GOSAT de JAXA fue el primer satélite dedicado a la monitorización de GEI que alcanzó con éxito la órbita en 2009. El OCO-2 de la NASA , lanzado en 2014, fue el segundo. Están previstas otras misiones de satélites para medir el X CO 2 atmosférico.
Métodos analíticos para investigar fuentes de CO 2
La quema de combustibles fósiles enterrados durante mucho tiempo libera CO 2 que contiene carbono en proporciones isotópicas diferentes a las de las plantas vivas, lo que permite distinguir entre contribuciones naturales y causadas por el hombre a la concentración de CO 2 . [42]
Hay concentraciones atmosféricas de CO 2 más altas en el hemisferio norte, donde vive (y de donde se originan las emisiones) la mayor parte de la población mundial, en comparación con el hemisferio sur. Esta diferencia ha aumentado a medida que han aumentado las emisiones antropogénicas. [43]
Los niveles atmosféricos de O 2 están disminuyendo en la atmósfera de la Tierra a medida que reacciona con el carbono de los combustibles fósiles para formar CO 2 . [44]
Causas del aumento actual.
Emisiones antropogénicas de CO 2
Estados Unidos, China y Rusia han contribuido acumulativamente con las mayores cantidades de CO 2 desde 1850. [45]
Si bien la absorción y liberación de CO 2 siempre se produce como resultado de procesos naturales, se sabe que el reciente aumento de los niveles de CO 2 en la atmósfera se debe principalmente a la actividad humana (antropógena). [23] Las emisiones antropogénicas de carbono exceden la cantidad que pueden ser absorbidas o compensadas por los sumideros naturales. [46] Así, el dióxido de carbono se ha acumulado gradualmente en la atmósfera y, en mayo de 2022, su concentración es un 50% superior a los niveles preindustriales. [4]
La extracción y quema de combustibles fósiles, que liberan carbono que ha estado bajo tierra durante muchos millones de años, ha aumentado la concentración atmosférica de CO 2 . [6] [18] A partir del año 2019, la extracción y quema de carbono fósil geológico por parte de los humanos libera más de 30 gigatoneladas de CO 2 (9 mil millones de toneladas de carbono) cada año. [47] Esta mayor alteración del equilibrio natural es responsable del reciente crecimiento de la concentración de CO 2 atmosférico . [34] [48] Actualmente, aproximadamente la mitad del dióxido de carbono liberado por la quema de combustibles fósiles no es absorbido por la vegetación y los océanos y permanece en la atmósfera . [49]
La quema de combustibles fósiles como carbón , petróleo y gas natural es la principal causa del aumento del CO2 antropogénico ; la deforestación es la segunda causa importante. En 2010, se liberaron 9,14 gigatoneladas de carbono (GtC, equivalente a 33,5 gigatoneladas de CO 2 o aproximadamente 4,3 ppm en la atmósfera terrestre) procedentes de los combustibles fósiles y la producción de cemento en todo el mundo, en comparación con 6,15 GtC en 1990. [50] Además, el uso de la tierra El cambio climático contribuyó con 0,87 GtC en 2010, en comparación con 1,45 GtC en 1990. [50] En el período de 1751 a 1900, se liberaron a la atmósfera alrededor de 12 GtC como CO 2 por la quema de combustibles fósiles, mientras que entre 1901 y 2013 la cifra fue de aproximadamente 380 GtC. [51]
La Agencia Internacional de Energía estima que el 1% de los mayores emisores a nivel mundial tuvo cada uno una huella de carbono de más de 50 toneladas de CO 2 en 2021, más de 1.000 veces mayor que la del 1% inferior de los emisores. La huella de carbono media mundial relacionada con la energía es de unas 4,7 toneladas de CO 2 por persona. [52]
Roles en los procesos naturales de la Tierra.
Efecto invernadero
Los gases de efecto invernadero permiten que la luz del sol atraviese la atmósfera, calentando el planeta, pero luego absorben y redirigen la radiación infrarroja (calor) que emite el planeta.El CO 2 reduce el flujo de radiación térmica emitida al espacio (provocando una gran caída cercana a 667 cm −1 ), contribuyendo así al efecto invernadero.Coeficientes de absorción de infrarrojos de onda larga de vapor de agua y dióxido de carbono. Para longitudes de onda cercanas a las 15 micras, el CO 2 es un absorbente mucho más fuerte que el vapor de agua.
El efecto invernadero natural de la Tierra hace posible la vida tal como la conocemos y el dióxido de carbono desempeña un papel importante a la hora de mantener la temperatura relativamente alta de la Tierra. El efecto invernadero es un proceso por el cual la radiación térmica de una atmósfera planetaria calienta la superficie del planeta más allá de la temperatura que tendría en ausencia de su atmósfera. [53] [54] [55] Sin el efecto invernadero, la temperatura superficial promedio de la Tierra sería de aproximadamente −18 °C (−0,4 °F) [56] [57] en comparación con la temperatura superficial promedio real de la Tierra de aproximadamente 14 °C (57,2 °F). [58]
El agua es responsable de la mayor parte (alrededor del 36-70%) del efecto invernadero total, y el papel del vapor de agua como gas de efecto invernadero depende de la temperatura. En la Tierra, el dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero más importante y con influencia antropológica directa. El dióxido de carbono se menciona a menudo en el contexto de su creciente influencia como gas de efecto invernadero desde la era preindustrial (1750). En 2013, se estimó que el aumento de CO 2 era responsable de 1,82 W m −2 del cambio de 2,63 W m −2 en el forzamiento radiativo en la Tierra (alrededor del 70%). [59]
El concepto de CO 2 atmosférico que aumenta la temperatura del suelo fue publicado por primera vez por Svante Arrhenius en 1896. [60] El aumento del forzamiento radiativo debido al aumento de CO 2 en la atmósfera terrestre se basa en las propiedades físicas del CO 2 y las ventanas de absorción no saturadas. donde el CO 2 absorbe la energía de onda larga saliente. El aumento del forzamiento impulsa nuevos cambios en el equilibrio energético de la Tierra y, a más largo plazo, en el clima de la Tierra. [23]
Ciclo del carbono
Este diagrama del ciclo rápido del carbono muestra el movimiento de carbono entre la tierra, la atmósfera y los océanos en miles de millones de toneladas métricas de carbono por año. Los números amarillos son flujos naturales, los rojos son contribuciones humanas, los blancos son carbono almacenado. [61]
El dióxido de carbono atmosférico desempeña un papel integral en el ciclo del carbono de la Tierra, mediante el cual el CO 2 se elimina de la atmósfera mediante algunos procesos naturales, como la fotosíntesis y la deposición de carbonatos , para formar calizas, por ejemplo, y se vuelve a agregar a la atmósfera mediante otros procesos naturales, como la respiración y la disolución ácida de los depósitos de carbonato. Hay dos ciclos amplios del carbono en la Tierra: el ciclo rápido del carbono y el ciclo lento del carbono. El ciclo rápido del carbono se refiere a los movimientos de carbono entre el medio ambiente y los seres vivos en la biosfera, mientras que el ciclo lento del carbono implica el movimiento de carbono entre la atmósfera, los océanos, el suelo, las rocas y el vulcanismo. Ambos ciclos están intrínsecamente interconectados y el CO 2 atmosférico facilita la vinculación.
Flujos anuales de CO 2 desde fuentes antropogénicas (izquierda) hacia la atmósfera, la tierra y los sumideros oceánicos de la Tierra (derecha) desde el año 1960. Unidades en gigatoneladas de carbono equivalente por año. [47]
La mayoría de las fuentes de emisiones de CO 2 son naturales y se equilibran en diversos grados con sumideros de CO 2 similares . Por ejemplo, la descomposición de material orgánico en bosques, pastizales y otra vegetación terrestre -incluidos los incendios forestales- da como resultado la liberación de aproximadamente 436 gigatoneladas de CO 2 (que contienen 119 gigatoneladas de carbono) cada año, mientras que la absorción de CO 2 por el nuevo crecimiento en la tierra contrarresta estas emisiones, absorbiendo 451 Gt (123 Gt C). [62] Aunque gran parte del CO 2 en la atmósfera primitiva de la joven Tierra fue producido por la actividad volcánica , la actividad volcánica moderna libera sólo de 130 a 230 megatoneladas de CO 2 cada año. [63] Las fuentes naturales están más o menos equilibradas por sumideros naturales, en forma de procesos químicos y biológicos que eliminan el CO 2 de la atmósfera.
En general, existe un gran flujo natural de CO 2 atmosférico hacia y desde la biosfera , tanto en la tierra como en los océanos. [64] En la era preindustrial, cada uno de estos flujos estaba en equilibrio hasta tal punto que poco CO 2 neto fluía entre las reservas de carbono terrestres y oceánicas, y pocos cambios resultaban en la concentración atmosférica. Desde la era humana preindustrial hasta 1940, la biosfera terrestre representó una fuente neta de CO2 atmosférico ( impulsada en gran medida por los cambios en el uso de la tierra ), pero posteriormente pasó a ser un sumidero neto con crecientes emisiones de carbono fósil. [65] En 2012, alrededor del 57% del CO 2 emitido por el hombre , principalmente procedente de la quema de carbono fósil, fue absorbido por los sumideros terrestres y oceánicos. [66] [65]
La relación entre el aumento del CO 2 atmosférico y el CO 2 emitido se conoce como fracción transportada por el aire . Esta relación varía en el corto plazo y suele ser de alrededor del 45% durante períodos más largos (de cinco años). [65] El carbono estimado en la vegetación terrestre global aumentó de aproximadamente 740 gigatoneladas en 1910 a 780 gigatoneladas en 1990. [67]
Fotosíntesis
La fotosíntesis transforma la luz solar en energía química, divide el agua para liberar O 2 y fija el CO 2 en azúcar.
El dióxido de carbono en la atmósfera terrestre es esencial para la vida y para la mayor parte de la biosfera planetaria. La tasa promedio de captura de energía mediante la fotosíntesis a nivel mundial es de aproximadamente 130 teravatios , [68] [69] [70] , que es aproximadamente seis veces mayor que el consumo de energía actual de la civilización humana . [71] Los organismos fotosintéticos también convierten alrededor de 100 a 115 mil millones de toneladas métricas de carbono en biomasa por año. [72] [73]
Los organismos fotosintéticos son fotoautótrofos , lo que significa que son capaces de sintetizar alimentos directamente a partir de CO 2 y agua utilizando energía de la luz. Sin embargo, no todos los organismos que utilizan la luz como fuente de energía realizan la fotosíntesis, ya que los fotoheterótrofos utilizan compuestos orgánicos, en lugar de CO 2 , como fuente de carbono. [74] En las plantas, algas y cianobacterias, la fotosíntesis libera oxígeno. Esto se llama fotosíntesis oxigénica . Aunque existen algunas diferencias entre la fotosíntesis oxigenada en plantas , algas y cianobacterias , el proceso general es bastante similar en estos organismos. Algunos tipos de bacterias, sin embargo, realizan la fotosíntesis anoxigénica , que consume CO 2 pero no libera oxígeno. [ cita necesaria ]
El dióxido de carbono se convierte en azúcares en un proceso llamado fijación de carbono . La fijación de carbono es una reacción redox endotérmica , por lo que la fotosíntesis necesita proporcionar tanto la fuente de energía para impulsar este proceso como los electrones necesarios para convertir el CO 2 en un carbohidrato . Esta adición de electrones es una reacción de reducción . En líneas generales y en efecto, la fotosíntesis es lo opuesto a la respiración celular , en la que la glucosa y otros compuestos se oxidan para producir CO 2 y agua, y liberar energía química exotérmica para impulsar el metabolismo del organismo . Sin embargo, ambos procesos tienen lugar mediante una secuencia diferente de reacciones químicas y en diferentes compartimentos celulares. [ cita necesaria ]
Ciclo del carbono oceánico
Intercambio aire-mar de CO 2
Los océanos de la Tierra contienen una gran cantidad de CO 2 en forma de iones de bicarbonato y carbonato, mucho más que la cantidad que hay en la atmósfera. El bicarbonato se produce en reacciones entre roca, agua y dióxido de carbono. Un ejemplo es la disolución del carbonato de calcio:
caco 3+ CO 2 + H 2O ⇌ Ca2+ + 2HCO− 3
Reacciones como ésta tienden a amortiguar los cambios en el CO 2 atmosférico . Dado que el lado derecho de la reacción produce un compuesto ácido, agregar CO 2 en el lado izquierdo disminuye el pH del agua de mar, un proceso que se ha denominado acidificación del océano (el pH del océano se vuelve más ácido aunque el valor del pH permanece en el rango alcalino). ). Las reacciones entre el CO 2 y las rocas no carbonatadas también añaden bicarbonato a los mares. Posteriormente, esto puede sufrir la reacción inversa a la anterior para formar rocas carbonatadas, liberando la mitad del bicarbonato como CO 2 . Durante cientos de millones de años, esto ha producido enormes cantidades de rocas carbonatadas.
Desde 1850 hasta 2022, el océano ha absorbido el 26% del total de las emisiones antropogénicas. [18] Sin embargo, el ritmo al que el océano lo absorberá en el futuro es menos seguro. Incluso si se alcanza el equilibrio, incluida la disolución de los minerales carbonato, la mayor concentración de bicarbonato y la disminución o la misma concentración de iones carbonato darán lugar a una mayor concentración de ácido carbónico no ionizado y CO 2 disuelto . Esta mayor concentración en los mares, junto con temperaturas más altas, significaría una mayor concentración de equilibrio de CO 2 en el aire. [75] [76]
El carbono se mueve entre la atmósfera, la vegetación (viva y muerta), el suelo, la capa superficial del océano y las profundidades del océano.
La temperatura media mundial y combinada de la superficie terrestre y oceánica muestra un calentamiento de 1,09 °C (rango: 0,95 a 1,20 °C) entre 1850-1900 y 2011-2020, según múltiples conjuntos de datos producidos de forma independiente. [80] : 5 La tendencia es más rápida desde la década de 1970 que en cualquier otro período de 50 años durante al menos los últimos 2000 años. [80] : 8
La mayor parte del calentamiento observado se produjo en dos períodos: alrededor de 1900 a 1940 y alrededor de 1970 en adelante; [81] el enfriamiento/meseta de 1940 a 1970 se ha atribuido principalmente al aerosol de sulfato . [82] [83] : 207 Algunas de las variaciones de temperatura durante este período de tiempo también pueden deberse a los patrones de circulación oceánica. [84]
Aumento de temperatura en los océanos
Está claro que el océano se está calentando como resultado del cambio climático y este ritmo de calentamiento está aumentando. [85] : 9 El océano global fue el más cálido jamás registrado por los humanos en 2022. [86] Esto está determinado por el contenido de calor del océano , que superó en 2022 el máximo anterior de 2021. [86] El aumento constante de la temperatura del océano Las temperaturas son un resultado inevitable del desequilibrio energético de la Tierra , que es causado principalmente por el aumento de los niveles de gases de efecto invernadero. [86] Entre la época preindustrial y la década 2011-2020, la superficie del océano se ha calentado entre 0,68 y 1,01 °C. [87] : 1214
La mayor parte del aumento de calor del océano se produce en el Océano Austral . Por ejemplo, entre las décadas de 1950 y 1980, la temperatura del Océano Antártico Austral aumentó 0,17 °C (0,31 °F), casi el doble que la del océano global. [88]
Acidificación oceánica
La acidificación de los océanos es la disminución continua del pH de los océanos de la Tierra . Entre 1950 y 2020, el pH promedio de la superficie del océano cayó de aproximadamente 8,15 a 8,05. [89] Las emisiones de dióxido de carbono procedentes de las actividades humanas son la causa principal de la acidificación de los océanos, con niveles atmosféricos de dióxido de carbono (CO 2 ) que superan las 410 ppm (en 2020). El CO 2 de la atmósfera es absorbido por los océanos. Esta reacción química produce ácido carbónico ( H 2 CO 3 ) que se disocia en un ion bicarbonato ( HCO−3) y un ion hidrógeno ( H + ). La presencia de iones de hidrógeno libres ( H + ) baja el pH del océano, aumentando la acidez (esto no significa que el agua de mar sea ácida todavía; sigue siendo alcalina , con un pH superior a 8). Los organismos marinos calcificantes , como los moluscos y los corales , son especialmente vulnerables porque dependen del carbonato de calcio para formar conchas y esqueletos. [90]
Un cambio de 0,1 en el pH representa un aumento del 26% en la concentración de iones de hidrógeno en los océanos del mundo (la escala de pH es logarítmica, por lo que un cambio de uno en unidades de pH equivale a un cambio diez veces mayor en la concentración de iones de hidrógeno). El pH de la superficie del mar y los estados de saturación de carbonatos varían según la profundidad y la ubicación del océano. Las aguas más frías y de mayor latitud son capaces de absorber más CO 2 . Esto puede provocar un aumento de la acidez, lo que reduce el pH y los niveles de saturación de carbonatos en estas áreas. Otros factores que influyen en el intercambio de CO 2 entre la atmósfera y el océano y, por tanto, en la acidificación local de los océanos, incluyen: las corrientes oceánicas y las zonas de afloramiento , la proximidad a grandes ríos continentales, la cobertura de hielo marino y el intercambio atmosférico con nitrógeno y azufre procedente de la quema de combustibles fósiles y la agricultura . [91] [92] [93]
Efecto de fertilización con CO 2
El efecto de fertilización con CO 2 o efecto de fertilización con carbono provoca un aumento de la tasa de fotosíntesis al tiempo que limita la transpiración de las hojas en las plantas. Ambos procesos resultan del aumento de los niveles de dióxido de carbono (CO 2 ) atmosférico . [94] [95] El efecto de la fertilización con carbono varía según la especie de planta, la temperatura del aire y del suelo, y la disponibilidad de agua y nutrientes. [96] [97] La productividad primaria neta (PPN) podría responder positivamente al efecto de fertilización del carbono. [98] Sin embargo, la evidencia muestra que las tasas mejoradas de fotosíntesis en las plantas debido a la fertilización con CO 2 no mejoran directamente todo el crecimiento de las plantas y, por lo tanto, el almacenamiento de carbono. [96] Se ha informado que el efecto de fertilización con carbono es la causa del aumento del 44% del aumento de la productividad primaria bruta (PBB) desde la década de 2000. [99] Los modelos del sistema terrestre , los modelos del sistema terrestre y los modelos dinámicos de vegetación global se utilizan para investigar e interpretar las tendencias de la vegetación relacionadas con los niveles crecientes de CO 2 atmosférico . [96] [100] Sin embargo, los procesos ecosistémicos asociados con el efecto de fertilización con CO 2 siguen siendo inciertos y, por lo tanto, son difíciles de modelar. [101] [102]
Los ecosistemas terrestres han reducido las concentraciones de CO 2 atmosférico y han mitigado parcialmente los efectos del cambio climático . [103] Es poco probable que la respuesta de las plantas al efecto de fertilización con carbono reduzca significativamente la concentración de CO 2 atmosférico durante el próximo siglo debido a las crecientes influencias antropogénicas sobre el CO 2 atmosférico . [95] [96] [104] [105] Las tierras con vegetación de la Tierra han mostrado un reverdecimiento significativo desde principios de la década de 1980 [106] en gran parte debido al aumento de los niveles de CO 2 atmosférico . [107] [108] [109] [110]
La teoría predice que los trópicos tendrán la mayor absorción debido al efecto de fertilización con carbono, pero esto no se ha observado. La cantidad de CO 2 absorbida procedente de la fertilización con CO 2 también depende de cómo responden los bosques al cambio climático y de si están protegidos de la deforestación . [111]
Otros efectos directos
Las emisiones de CO 2 también han provocado que la estratosfera se contraiga 400 metros desde 1980, lo que podría afectar al funcionamiento de los satélites, los sistemas GPS y las comunicaciones por radio. [112]
El cambio climático afecta el entorno físico , los ecosistemas y las sociedades humanas. Los cambios en el sistema climático incluyen una tendencia general al calentamiento, condiciones climáticas más extremas y aumento del nivel del mar. Estos, a su vez, impactan la naturaleza y la vida silvestre, así como los asentamientos humanos y las sociedades. [113] Los efectos del cambio climático causado por el hombre son amplios y de gran alcance. Esto es especialmente cierto si no hay una acción climática significativa . Los expertos a veces describen los impactos negativos proyectados y observados del cambio climático como la crisis climática.
Un modelo del comportamiento del carbono en la atmósfera del 1 de septiembre de 2014 al 31 de agosto de 2015. La altura de la atmósfera y la topografía de la Tierra se han exagerado verticalmente y parecen aproximadamente 40 veces más altas de lo normal para mostrar la complejidad del flujo atmosférico.
El dióxido de carbono tiene efectos únicos a largo plazo sobre el cambio climático que son casi "irreversibles" durante mil años después de que se detengan las emisiones (cero emisiones adicionales). Los gases de efecto invernadero metano y óxido nitroso no persisten en el tiempo de la misma manera que el dióxido de carbono. Incluso si las emisiones humanas de dióxido de carbono cesaran por completo, no se espera que las temperaturas atmosféricas disminuyan significativamente en el corto plazo. Esto se debe a que la temperatura del aire está determinada por un equilibrio entre el calentamiento, debido a los gases de efecto invernadero, y el enfriamiento debido a la transferencia de calor al océano. Si se detuvieran las emisiones, los niveles de CO 2 y el efecto de calentamiento disminuirían lentamente, pero simultáneamente disminuiría el enfriamiento debido a la transferencia de calor (porque la temperatura del mar se acercaría a la temperatura del aire), con el resultado de que la temperatura del aire disminuiría sólo despacio. Las temperaturas del mar seguirían aumentando, provocando expansión térmica y cierto aumento del nivel del mar. [75] Reducir las temperaturas globales más rápidamente requeriría el secuestro de carbono o la geoingeniería .
Se han propuesto varias técnicas para eliminar el exceso de dióxido de carbono de la atmósfera.
La eliminación de dióxido de carbono (CDR), también conocida como eliminación de carbono, eliminación de gases de efecto invernadero (GGR) o emisiones negativas, es un proceso en el que el dióxido de carbono (CO 2 ) se elimina de la atmósfera mediante actividades humanas deliberadas y se almacena de forma duradera en sistemas geológicos, yacimientos terrestres u oceánicos, o en productos. [118] : 2221 En el contexto de los objetivos de cero emisiones netas de gases de efecto invernadero , [119] la CDR está cada vez más integrada en la política climática, como un elemento de las estrategias de mitigación del cambio climático . [120] Lograr cero emisiones netas requerirá tanto recortes profundos en las emisiones como el uso de CDR, pero CDR no es una solución climática actual. [121] En el futuro, la CDR podrá contrarrestar las emisiones que son técnicamente difíciles de eliminar, como algunas emisiones agrícolas e industriales. [122] : 114
Concentraciones en el pasado geológico
Concentraciones de CO 2 en los últimos 500 millones de añosConcentración de CO 2 atmosférico durante los últimos 40.000 años, desde el Último Máximo Glacial hasta la actualidad. La tasa actual de aumento es mucho más alta que en cualquier momento durante la última desglaciación .
Se cree que el dióxido de carbono ha desempeñado un efecto importante en la regulación de la temperatura de la Tierra a lo largo de sus 4.540 millones de años de historia. Temprano en la vida de la Tierra, los científicos han encontrado evidencia de agua líquida que indica un mundo cálido, aunque se cree que la producción del Sol fue solo el 70% de lo que es hoy. Las concentraciones más altas de dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra primitiva podrían ayudar a explicar esta paradoja del débil sol joven . Cuando la Tierra se formó por primera vez, la atmósfera de la Tierra pudo haber contenido más gases de efecto invernadero y las concentraciones de CO 2 pueden haber sido más altas, con una presión parcial estimada de hasta 1.000 kPa (10 bar ), porque no hubo fotosíntesis bacteriana para reducir el gas a compuestos de carbono y oxígeno. Es posible que el metano , un gas de efecto invernadero muy activo, también haya sido más frecuente. [123] [124]
Las concentraciones de dióxido de carbono han mostrado varios ciclos de variación desde aproximadamente 180 partes por millón durante las glaciaciones profundas del Holoceno y Pleistoceno hasta 280 partes por millón durante los períodos interglaciales. Las concentraciones de dióxido de carbono han variado ampliamente a lo largo de la historia de la Tierra. Se cree que estuvo presente en la primera atmósfera de la Tierra, poco después de su formación. La segunda atmósfera, compuesta principalmente de nitrógeno y CO 2Fue producido por la desgasificación del vulcanismo , complementado con gases producidos durante el último intenso bombardeo de la Tierra por enormes asteroides . [125] Una parte importante de las emisiones de dióxido de carbono pronto se disolvió en agua y se incorporó a sedimentos carbonatados.
La producción de oxígeno libre mediante la fotosíntesis de las cianobacterias finalmente condujo a la catástrofe del oxígeno que acabó con la segunda atmósfera de la Tierra y provocó la tercera atmósfera de la Tierra (la atmósfera moderna) hace 2.400 millones de años. Las concentraciones de dióxido de carbono cayeron de 4.000 partes por millón durante el período Cámbrico hace unos 500 millones de años a tan solo 180 partes por millón hace 20.000 años. [5]
Impulsores de la concentración de CO 2 en la Tierra antigua
En escalas de tiempo largas, la concentración de CO 2 atmosférico está determinada por el equilibrio entre los procesos geoquímicos , incluido el entierro de carbono orgánico en sedimentos, la erosión de las rocas de silicato y la desgasificación volcánica . El efecto neto de ligeros desequilibrios en el ciclo del carbono a lo largo de decenas a cientos de millones de años ha sido la reducción del CO 2 atmosférico . En una escala de tiempo de miles de millones de años, esa tendencia a la baja parece destinada a continuar indefinidamente a medida que las liberaciones históricas masivas ocasionales de carbono enterrado debido al vulcanismo se vuelvan menos frecuentes (a medida que el enfriamiento del manto terrestre y el agotamiento progresivo del calor radiactivo interno continúen). Los ritmos de estos procesos son extremadamente lentos; por lo tanto, no tienen relevancia para la concentración de CO 2 atmosférico durante los próximos cientos o miles de años.
La fotosíntesis en el pasado geológico
A lo largo de la historia geológica de la Tierra, las concentraciones de CO 2 han desempeñado un papel en la evolución biológica. Los primeros organismos fotosintéticos probablemente evolucionaron temprano en la historia evolutiva de la vida y probablemente utilizaron agentes reductores como el hidrógeno o el sulfuro de hidrógeno como fuentes de electrones, en lugar de agua. [126] Las cianobacterias aparecieron más tarde, y el exceso de oxígeno que produjeron contribuyó a la catástrofe del oxígeno , [127] que hizo posible la evolución de la vida compleja . En tiempos geológicos recientes, las bajas concentraciones de CO 2 por debajo de 600 partes por millón podrían haber sido el estímulo que favoreció la evolución de las plantas C 4 , cuya abundancia aumentó considerablemente hace entre 7 y 5 millones de años en comparación con las plantas que utilizan la vía metabólica C 3 menos eficiente. . [128] A las presiones atmosféricas actuales, la fotosíntesis se detiene cuando las concentraciones de CO 2 atmosférico caen por debajo de 150 ppm y 200 ppm, aunque algunos microbios pueden extraer carbono del aire en concentraciones mucho más bajas. [129] [130]
Medición de la concentración de CO 2 en la Tierra antigua
Más de 400.000 años de datos de núcleos de hielo: gráfico de CO 2 (verde), temperatura reconstruida (azul) y polvo (rojo) del núcleo de hielo de VostokCorrespondencia entre temperatura y CO 2 atmosférico durante los últimos 800.000 años
El método más directo para medir las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico durante períodos anteriores al muestreo instrumental es medir burbujas de aire ( inclusiones de fluido o gas ) atrapadas en las capas de hielo de la Antártida o Groenlandia . Los estudios de este tipo más ampliamente aceptados proceden de diversos núcleos antárticos e indican que las concentraciones atmosféricas de CO 2 eran de entre 260 y 280 ppm inmediatamente antes de que comenzaran las emisiones industriales y no variaron mucho de este nivel durante los 10.000 años anteriores . [131] [132] El registro de núcleos de hielo más largo proviene de la Antártida oriental, donde se han tomado muestras de hielo hasta una edad de 800.000 años. [133] Durante este tiempo, la concentración de dióxido de carbono atmosférico ha variado entre 180 y 210 ppm durante las edades de hielo , aumentando a 280-300 ppm durante los interglaciares más cálidos . [134] [135]
Las fracciones molares de CO 2 en la atmósfera han aumentado alrededor de un 35 por ciento desde el siglo XX, pasando de 280 partes por millón en volumen a 387 partes por millón en 2009. Un estudio que utiliza evidencia de estomas de hojas fosilizadas sugiere una mayor variabilidad, con CO 2 fracciones molares superiores a 300 ppm durante el período de hace diez a siete mil años, [136] aunque otros han argumentado que estos hallazgos reflejan más probablemente problemas de calibración o contaminación que la variabilidad real del CO 2 . [137] [138] Debido a la forma en que el aire queda atrapado en el hielo (los poros del hielo se cierran lentamente para formar burbujas en las profundidades del hielo ) y al período de tiempo representado en cada muestra de hielo analizada, estas cifras representan promedios de las concentraciones atmosféricas de hasta unos pocos siglos en lugar de niveles anuales o decenales.
Los núcleos de hielo proporcionan evidencia de variaciones en la concentración de gases de efecto invernadero durante los últimos 800.000 años. Tanto CO 2 como CH 4las concentraciones varían entre las fases glacial e interglaciar, y estas variaciones se correlacionan fuertemente con la temperatura. No existen datos directos para períodos anteriores a los representados en el registro de núcleos de hielo, registro que indica que las fracciones molares de CO 2 se mantuvieron dentro de un rango de 180 ppm a 280 ppm a lo largo de los últimos 800.000 años, hasta el aumento de los últimos 250 años. . Sin embargo, varias mediciones y modelos indirectos sugieren variaciones mayores en épocas pasadas: hace 500 millones de años los niveles de CO 2 eran probablemente 10 veces más altos que ahora. [139]
Se han utilizado varias mediciones indirectas para intentar determinar las concentraciones de CO 2 atmosférico hace millones de años. Estos incluyen las proporciones de isótopos de boro y carbono en ciertos tipos de sedimentos marinos y la cantidad de estomas observados en las hojas de plantas fósiles. [128]
El fitano es un tipo de alcano diterpenoide . Es un producto de descomposición de la clorofila y ahora se utiliza para estimar los niveles antiguos de CO 2 . [140] El fitano proporciona un registro continuo de las concentraciones de CO 2 pero también puede superponerse a una interrupción en el registro de CO 2 de más de 500 millones de años. [140]
Hace 600 a 400 millones de años
Hay pruebas de altas concentraciones de CO 2 , de más de 6.000 ppm entre hace 600 y 400 millones de años, y de más de 3.000 ppm entre hace 200 y 150 millones de años. [141]
De hecho, se cree que prevalecieron concentraciones más altas de CO 2 durante la mayor parte del Eón Fanerozoico , con concentraciones de cuatro a seis veces las actuales durante la era Mesozoica, y de diez a quince veces las concentraciones actuales durante la era Paleozoica temprana hasta mediados del período Devónico . , hace unos 400 millones de años. [142] [143] [144] Se cree que la expansión de las plantas terrestres redujo las concentraciones de CO 2 durante el Devónico tardío, y desde entonces las actividades de las plantas como fuentes y sumideros de CO 2 han sido importantes para proporcionar retroalimentaciones estabilizadoras. [145]
Antes aún, un período de 200 millones de años de glaciación generalizada e intermitente que se extendía cerca del ecuador ( Tierra Bola de Nieve ) parece haber terminado repentinamente, hace unos 550 Ma, por una colosal desgasificación volcánica que elevó abruptamente la concentración de CO 2 de la atmósfera a 12%, aproximadamente 350 veces los niveles modernos, lo que provoca condiciones extremas de invernadero y deposición de carbonatos en forma de piedra caliza a un ritmo de aproximadamente 1 mm por día. [146] Este episodio marcó el final del Eón Precámbrico y fue sucedido por las condiciones generalmente más cálidas del Fanerozoico, durante el cual evolucionó vida animal y vegetal multicelular. Desde entonces no se ha producido ninguna emisión volcánica de CO 2 de escala comparable. En la era moderna, las emisiones a la atmósfera de los volcanes son aproximadamente 645 millones de toneladas de CO 2 por año, mientras que los humanos aportan 29 mil millones de toneladas de CO 2 cada año. [147] [146] [148] [149]
Hace 60 a 5 millones de años
La concentración atmosférica de CO 2 siguió disminuyendo después de hace unos 60 millones de años. Hace unos 34 millones de años, la época del evento de extinción del Eoceno-Oligoceno y cuando la capa de hielo de la Antártida comenzó a tomar su forma actual, el CO 2 era de aproximadamente 760 ppm, [150] y hay evidencia geoquímica de que las concentraciones eran inferiores a 300 ppm. hace unos 20 millones de años. La disminución de la concentración de CO 2 , con un punto de inflexión de 600 ppm, fue el principal agente que impulsó la glaciación antártica. [151] Las bajas concentraciones de CO 2 pueden haber sido el estímulo que favoreció la evolución de las plantas C 4 , cuya abundancia aumentó considerablemente entre hace 7 y 5 millones de años. [128]
^ Estudios más recientes sugieren que los niveles actuales de CO 2 superan los de hace 14 millones de años. [3]
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enlaces externos
Mapa global actual de concentraciones de dióxido de carbono.
Circulación global de dióxido de carbono ( NASA ; 13 de diciembre de 2016)
Vídeo (03:10) – Un año en la vida del CO2 de la Tierra ( NASA ; 17 de noviembre de 2014)
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