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El dióxido de carbono en la atmósfera terrestre

Concentración atmosférica de CO 2 medida en el Observatorio de Mauna Loa en Hawái entre 1958 y 2023 (también llamada Curva de Keeling ). El aumento de CO 2 durante ese período de tiempo es claramente visible. La concentración se expresa en μmol por mol o ppm .

En la atmósfera de la Tierra , el dióxido de carbono es un gas traza que desempeña un papel integral en el efecto invernadero , el ciclo del carbono , la fotosíntesis y el ciclo del carbono oceánico . Es uno de los tres principales gases de efecto invernadero en la atmósfera de la Tierra . La concentración de dióxido de carbono (CO 2 ) en la atmósfera alcanza las 427 ppm (0,04 %) en 2024. [1] Esto es un aumento del 50 % desde el inicio de la Revolución Industrial , frente a las 280 ppm durante los 10 000 años anteriores a mediados del siglo XVIII. [2] [3] [4] El aumento se debe a la actividad humana . [5]

El aumento actual de las concentraciones de CO 2 se debe principalmente a la quema de combustibles fósiles . [6] Otras actividades humanas importantes que emiten CO 2 incluyen la producción de cemento , la deforestación y la quema de biomasa . El aumento de las concentraciones atmosféricas de CO 2 y otros gases de efecto invernadero de larga duración, como el metano, aumenta la absorción y emisión de radiación infrarroja por la atmósfera. Esto ha provocado un aumento de la temperatura media global y la acidificación de los océanos . Otro efecto directo es el efecto de fertilización del CO 2. El aumento de las concentraciones atmosféricas de CO 2 provoca una serie de efectos adicionales del cambio climático sobre el medio ambiente y las condiciones de vida humanas.

El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero. Absorbe y emite radiación infrarroja en sus dos frecuencias vibratorias activas en el infrarrojo. Las dos longitudes de onda son 4,26  μm (2347 cm −1 ) ( modo vibratorio de estiramiento asimétrico ) y 14,99 μm (667 cm −1 ) (modo vibratorio de flexión). El CO 2 desempeña un papel importante en la influencia de la temperatura superficial de la Tierra a través del efecto invernadero. [7] La ​​emisión de luz de la superficie de la Tierra es más intensa en la región infrarroja entre 200 y 2500 cm −1 , [8] 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 la energía cerca de la superficie, calentando la superficie de la Tierra y su atmósfera inferior. Menos energía llega a la atmósfera superior, que por lo tanto es más fría debido a esta absorción. [9]

La concentración atmosférica actual de CO 2 es la más alta en 14 millones de años. [10] Las concentraciones de CO 2 en la atmósfera fueron tan altas como 4.000 ppm durante el período Cámbrico hace unos 500 millones de años, y tan bajas como 180 ppm durante la glaciación cuaternaria de los últimos dos millones de años. [2] Los registros de temperatura reconstruidos para los últimos 420 millones de años indican que las concentraciones atmosféricas de CO 2 alcanzaron un máximo de aproximadamente 2.000 ppm. Este pico ocurrió durante el período Devónico (hace 400 millones de años). Otro pico ocurrió en el período Triásico (hace 220-200 millones de años). [11]

Concentración actual y tendencias futuras

El Proyecto Global de Carbono estima que entre 1850 y 2019 aproximadamente dos tercios del exceso de emisiones de dióxido de carbono han sido causadas por la quema de combustibles fósiles, y un poco menos de la mitad de esa cantidad ha permanecido en la atmósfera.

Situación actual

Desde el inicio de la Revolución Industrial , la concentración atmosférica de CO 2 ha ido aumentando, provocando el calentamiento global y la acidificación de los océanos . [12] En octubre de 2023, el nivel medio de CO 2 en la atmósfera de la Tierra, ajustado por la variación estacional, fue de 422,17 partes por millón en volumen (ppm). [13] Las cifras son publicadas mensualmente por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). [14] [15] El valor había sido de aproximadamente 280 ppm durante los 10.000 años hasta mediados del siglo XVIII. [2] [3] [4]

Cada parte por millón de CO 2 en la atmósfera representa aproximadamente 2,13 gigatoneladas de carbono, o 7,82 gigatoneladas de CO 2 . [16]

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 en al menos los últimos 800.000 años". [17] : 515 

Se estima que desde 1850 la actividad humana ha emitido 2.400 gigatoneladas de CO₂, de las cuales una parte ha sido absorbida por los océanos y la tierra, y unas 950 gigatoneladas permanecen en la atmósfera. En 2020, la tasa de emisión era de más de 40 gigatoneladas al año. [18]

Una fracción (se estima que entre el 20 y el 35 %) del carbono fósil transferido hasta ahora persistirá en la atmósfera en forma de niveles elevados de CO 2 durante muchos miles de años después de que estas actividades de transferencia de carbono comiencen a disminuir. [19] [20]

Fluctuaciones anuales y regionales

Las concentraciones atmosféricas de CO2 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 hemisferio norte, cuando las plantas entran en letargo o mueren y se descomponen. El nivel disminuye 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 CO2 porque tiene una superficie terrestre y una biomasa vegetal mucho mayores en latitudes medias (30-60 grados) que el hemisferio sur . Las concentraciones alcanzan un pico en mayo, cuando comienza el reverdecimiento primaveral del hemisferio norte, y disminuyen a un mínimo en octubre, cerca del final de la temporada de crecimiento. [21] [22]

Las concentraciones también varían según la región, siendo más fuertes cerca del suelo y mucho menores en altura. En las zonas urbanas, las concentraciones suelen ser más altas [23] y en interiores pueden alcanzar niveles diez veces superiores a los de fondo.

Mediciones y predicciones realizadas en el pasado reciente

Técnicas de medición

Observaciones de dióxido de carbono de 2008 a 2017 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, ppm(v), o simplemente ppm). Para convertir de las unidades ppmv habituales a ppm en masa (abreviado como ppmm, o ppm(m)), multiplique por la relación entre la masa molar de CO2 y la del aire, es decir, por 1,52 (44,01 dividido por 28,96).

Las primeras mediciones reproducibles y precisas del CO2 atmosférico se realizaron a partir de muestras de matraces que Dave Keeling realizó en Caltech en la década de 1950. [31] Las mediciones en Mauna Loa se llevan realizando desde 1958. Además, también se realizan mediciones en muchos otros sitios en todo el mundo. Muchos sitios de medición forman parte de redes globales más grandes. Los datos de las redes globales suelen estar disponibles públicamente.

Redes de datos

Existen varias redes de medición de superficie (incluidos matraces y continuas in situ), entre ellas NOAA / ERSL , [32] WDCGG, [33] y RAMCES. [34] Los datos de la Red de Observatorios de Línea de Base NOAA/ESRL y de la Red de Oceanografía de la Institución Scripps [35] se encuentran alojados en el CDIAC del ORNL . Los datos del Centro Mundial de Datos sobre Gases de Efecto Invernadero (WDCGG), parte del GAW , se encuentran alojados en la JMA . La base de datos de la Reseau Atmospherique de Mesure des Composes an Effet de Serre (RAMCES) forma parte del IPSL .

A partir de estas mediciones se elaboran otros productos que integran datos de diversas fuentes. Estos productos también abordan cuestiones como la discontinuidad y la escasez de datos. GLOBALVIEW-CO 2 es uno de estos productos. [36]

Métodos analíticos para investigar fuentes de CO2

Causas del aumento actual

CO2 antropogénico2emisiones

Estados Unidos, China y Rusia han contribuido en conjunto con las mayores cantidades de CO2 desde 1850. [40]

Si bien la absorción y liberación de CO2 siempre ocurre como resultado de procesos naturales, se sabe que el aumento reciente de los niveles de CO2 en la atmósfera se debe principalmente a la actividad humana (antropogénica). [ 17] Las emisiones de carbono antropogénicas superan la cantidad que pueden absorber o compensar los sumideros naturales. [41] Por lo tanto, el dióxido de carbono se ha acumulado gradualmente en la atmósfera y, a mayo de 2022, su concentración es un 50% superior a los niveles preindustriales. [3]

La extracción y quema de combustibles fósiles, que libera carbono que ha estado bajo tierra durante muchos millones de años, ha aumentado la concentración atmosférica de CO 2 . [4] [12] 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. [42] Esta mayor alteración del equilibrio natural es responsable del reciente crecimiento de la concentración atmosférica de CO 2 . [30] [43] 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 . [44]

La quema de combustibles fósiles como el carbón , el petróleo y el gas natural es la principal causa del aumento del CO2 antropogénico ; la deforestación es la segunda causa principal. En 2010, se liberaron 9,14 gigatoneladas de carbono (GtC, equivalentes a 33,5 gigatoneladas de CO2 o aproximadamente 4,3 ppm en la atmósfera de la Tierra) de los combustibles fósiles y la producción de cemento en todo el mundo, en comparación con 6,15 GtC en 1990. [45] Además, el cambio de uso del suelo contribuyó con 0,87 GtC en 2010, en comparación con 1,45 GtC en 1990. [45] En el período de 1751 a 1900, aproximadamente 12 GtC se liberaron como CO2 a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles, mientras que de 1901 a 2013 la cifra fue de aproximadamente 380 GtC. [46]

La Agencia Internacional de la Energía estima que, en 2021, el 1% de los principales emisores del mundo tenía una huella de carbono de más de 50 toneladas de CO2 , más de 1.000 veces mayor que la del 1% de los emisores más pobres. La huella de carbono media mundial relacionada con la energía es de unas 4,7 toneladas de CO2 por persona. [47]

Roles en los procesos naturales de la Tierra

Efecto invernadero

Los gases de efecto invernadero permiten que la luz solar pase a través de 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 la gran caída cerca de 667 cm −1 ), contribuyendo así al efecto invernadero.
Coeficientes de absorción de vapor de agua y dióxido de carbono en el infrarrojo de onda larga . Para longitudes de onda cercanas a 15 micrones, el CO2 es un absorbente mucho más fuerte que el vapor de agua.

En la Tierra, el dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero más relevante y directo que se ve afectado por las actividades humanas. El agua es responsable de la mayor parte (aproximadamente entre el 36 y el 70 %) del efecto invernadero total, y el papel del vapor de agua como gas de efecto invernadero depende de la temperatura. 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 del CO2 era responsable de 1,82 W m −2 de los 2,63 W m −2 de cambio en el forzamiento radiativo en la Tierra (aproximadamente el 70 %). [48]

El efecto invernadero natural de la Tierra hace posible la vida tal como la conocemos, y el dióxido de carbono en la atmósfera desempeña un papel importante en 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. [49] [50] [51]

El concepto de que el aumento del CO2 atmosférico aumenta la temperatura del suelo fue publicado por primera vez por Svante Arrhenius en 1896. [52] El aumento del forzamiento radiativo debido al aumento del CO2 en la atmósfera de la Tierra se basa en las propiedades físicas del CO2 y en las ventanas de absorción no saturadas donde el CO2 absorbe la energía de onda larga saliente. El aumento del forzamiento impulsa más cambios en el balance energético de la Tierra y, a largo plazo, en el clima de la Tierra. [17]

Ciclo del carbono

Este diagrama del ciclo del carbono muestra el movimiento del 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 y los blancos son carbono almacenado. [53]

El dióxido de carbono atmosférico desempeña un papel fundamental en el ciclo del carbono de la Tierra , en el que el CO2 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 añadir a la atmósfera mediante otros procesos naturales, como la respiración y la disolución ácida de los depósitos de carbonato. Hay dos grandes ciclos 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 de 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 CO2 atmosférico facilita el vínculo.

Las fuentes naturales de CO2 atmosférico incluyen la desgasificación volcánica , la combustión de materia orgánica , los incendios forestales y los procesos respiratorios de los organismos aeróbicos vivos . Las fuentes artificiales de CO2 incluyen la quema de combustibles fósiles , así como algunos procesos industriales como la fabricación de cemento.

Flujos anuales de CO2 desde fuentes antropogénicas (izquierda) hacia la atmósfera, la tierra y los sumideros oceánicos de la Tierra (derecha) desde el año 1960. Unidades en gigatoneladas equivalentes de carbono por año. [42]

Las fuentes naturales de CO2 se equilibran más o menos con sumideros naturales de carbono , en forma de procesos químicos y biológicos que eliminan el CO2 de la atmósfera. Por ejemplo, la descomposición de la materia orgánica en los bosques, pastizales y otra vegetación terrestre (incluidos los incendios forestales) produce la liberación de unas 436  gigatoneladas de CO2 ( que contienen 119 gigatoneladas de carbono) cada año, mientras que la absorción de CO2 por el nuevo crecimiento en la tierra contrarresta estas liberaciones, absorbiendo 451 Gt (123 Gt C). [54] Aunque gran parte del CO2 en la atmósfera primitiva de la Tierra joven se produjo por la actividad volcánica , la actividad volcánica moderna libera sólo entre 130 y 230  megatoneladas de CO2 cada año. [55]

Desde la era preindustrial humana hasta 1940, la biosfera terrestre representó una fuente neta de CO 2 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. [56]

Ciclo del carbono oceánico

Intercambio de CO2 aire-mar

Los océanos de la Tierra contienen una gran cantidad de CO2 en forma de iones de bicarbonato y carbonato, mucho más que la cantidad presente en la atmósfera. El bicarbonato se produce en reacciones entre la roca, el agua y el dióxido de carbono.

Desde 1850 hasta 2022, el océano ha absorbido el 26% de las emisiones antropogénicas totales. [12] Sin embargo, la tasa a la que el océano las absorberá en el futuro es menos segura. Incluso si se alcanza el equilibrio, incluida la disolución de los minerales de carbonato, la mayor concentración de bicarbonato y la menor o constante concentración de iones de 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. [57] [58]

Efectos del aumento de corriente

Efectos directos

Factores físicos del calentamiento global que han ocurrido hasta ahora. No se representa el potencial de calentamiento global futuro para factores de larga duración como las emisiones de dióxido de carbono. Los bigotes en cada barra muestran el posible rango de error .

Los efectos directos del aumento de las concentraciones de CO2 en la atmósfera incluyen el aumento de las temperaturas globales , la acidificación de los océanos y un efecto de fertilización del CO2 sobre las plantas y los cultivos. [59]

Aumento de la temperatura en la tierra

Los cambios en las temperaturas globales durante el último siglo proporcionan evidencia de los efectos del aumento de los gases de efecto invernadero . Cuando el sistema climático reacciona a dichos cambios, se produce el cambio climático . La medición de la GST es una de las muchas líneas de evidencia que respaldan el consenso científico sobre el cambio climático , que sostiene que los seres humanos están provocando el calentamiento del sistema climático de la Tierra .

La temperatura media global y combinada de la superficie terrestre y oceánica muestra un calentamiento de 1,09 °C (rango: 0,95 a 1,20 °C) desde 1850-1900 hasta 2011-2020, según múltiples conjuntos de datos producidos de forma independiente. [60] : 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. [60] : 8 

Aumento de la temperatura en los océanos

Está claro que el océano se está calentando como resultado del cambio climático, y esta tasa de calentamiento está aumentando. [61] : 9  El océano global fue el más cálido jamás registrado por los humanos en 2022. [62] Esto está determinado por el contenido de calor del océano , que superó el máximo anterior de 2021 en 2022. [62] El aumento constante de las temperaturas del océano es un resultado inevitable del desequilibrio energético de la Tierra , que es causado principalmente por el aumento de los niveles de gases de efecto invernadero. [62] Entre la época preindustrial y la década de 2011-2020, la superficie del océano se ha calentado entre 0,68 y 1,01 °C. [63] : 1214 

La mayor parte del aumento de calor del océano se produce en el océano Austral . Por ejemplo, entre los años 1950 y 1980, la temperatura del océano Austral Antártico aumentó 0,17 °C (0,31 °F), casi el doble de la tasa del océano global. [64]

Acidificación de los océanos

La acidificación de los océanos significa que el valor promedio del pH del agua de mar disminuye con el tiempo. [65]

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. [66] Las emisiones de dióxido de carbono de las actividades humanas son la causa principal de la acidificación de los océanos, con niveles de dióxido de carbono atmosférico (CO 2 ) que superan las 422 ppm (a partir de 2024 ). [67] 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 hidrógeno libres ( H + ) reduce 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 construir conchas y esqueletos. [68]

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 las unidades de pH equivale a un cambio de diez veces 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 latitudes más altas son capaces de absorber más CO 2 . Esto puede hacer que la acidez aumente, reduciendo el pH y los niveles de saturación de carbonatos en estas áreas. Hay varios otros factores que influyen en el intercambio de CO 2 entre la atmósfera y el océano y, por lo tanto, en la acidificación local de los océanos. Estos incluyen las corrientes oceánicas y las zonas de surgencia , la proximidad a grandes ríos continentales, la cobertura de hielo marino y el intercambio atmosférico con nitrógeno y azufre provenientes de la quema de combustibles fósiles y la agricultura . [69] [70] [71]

CO2efecto de fertilización

El efecto de fertilización de CO 2 o efecto de fertilización de carbono causa un aumento en la tasa de fotosíntesis mientras limita la transpiración de las hojas en las plantas. Ambos procesos resultan del aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico (CO 2 ). [72] [73] El efecto de fertilización de carbono varía dependiendo de las especies de plantas, la temperatura del aire y del suelo, y la disponibilidad de agua y nutrientes. [74] [75] La productividad primaria neta (PPN) podría responder positivamente al efecto de fertilización de carbono. [76] Aunque, la evidencia muestra que las tasas mejoradas de fotosíntesis en las plantas debido a la fertilización de CO 2 no mejoran directamente todo el crecimiento de las plantas y, por lo tanto, el almacenamiento de carbono. [74] Se ha informado que el efecto de fertilización de carbono es la causa del 44% del aumento de la productividad primaria bruta (PBP) desde la década de 2000. [77] 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 el aumento de los niveles de CO 2 atmosférico . [74] [78] Sin embargo, los procesos ecosistémicos asociados con el efecto de la fertilización del CO 2 siguen siendo inciertos y, por lo tanto, es difícil modelarlos. [79] [80]

Los ecosistemas terrestres han reducido las concentraciones atmosféricas de CO 2 y han mitigado parcialmente los efectos del cambio climático . [81] Es poco probable que la respuesta de las plantas al efecto de la fertilización del carbono reduzca significativamente la concentración atmosférica de CO 2 durante el próximo siglo debido a las crecientes influencias antropogénicas sobre el CO 2 atmosférico . [73] [74] [82] [83] Las tierras con vegetación de la Tierra han mostrado un reverdecimiento significativo desde principios de la década de 1980 [84] en gran parte debido al aumento de los niveles de CO 2 atmosférico . [85] [86] [87] [88]

La teoría predice que los trópicos tendrán la mayor absorción debido al efecto de la fertilización con carbono, pero esto no se ha observado. La cantidad de CO2 absorbido por la fertilización con CO2 también depende de cómo respondan los bosques al cambio climático y de si están protegidos de la deforestación . [89]

Otros efectos directos

Las emisiones de CO 2 también han provocado que la estratosfera se contraiga 400 metros desde 1980, lo que podría afectar las operaciones satelitales, los sistemas GPS y las comunicaciones por radio. [90]

Efectos e impactos indirectos

Algunos efectos del cambio climático, en el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda: incendios forestales causados ​​por el calor y la sequedad, corales blanqueados causados ​​por la acidificación y el calentamiento de los océanos, inundaciones costeras causadas por tormentas y el aumento del nivel del mar, y migración ambiental causada por la desertificación.
Los efectos del cambio climático están bien documentados y son cada vez mayores para el medio ambiente natural de la Tierra y las sociedades humanas. Los cambios en el sistema climático incluyen una tendencia general al calentamiento , cambios en los patrones de precipitación y condiciones meteorológicas más extremas . A medida que el clima cambia, impacta el medio ambiente natural con efectos como incendios forestales más intensos , deshielo del permafrost y desertificación . Estos cambios afectan a los ecosistemas y las sociedades, y pueden volverse irreversibles una vez que se cruzan los puntos de inflexión . Los activistas climáticos participan en una variedad de actividades en todo el mundo que buscan mejorar estos problemas o evitar que sucedan. [91]
Panorama general de los cambios climáticos y sus efectos en el océano. Los efectos regionales se muestran en cursiva. [92]
Hay muchos efectos del cambio climático en los océanos . Uno de los principales es el aumento de las temperaturas oceánicas . Las olas de calor marinas más frecuentes están vinculadas a esto. El aumento de la temperatura contribuye a un aumento del nivel del mar debido al derretimiento de las capas de hielo . Otros efectos en los océanos incluyen la disminución del hielo marino , la reducción de los valores de pH y los niveles de oxígeno , así como el aumento de la estratificación del océano . Todo esto puede conducir a cambios en las corrientes oceánicas , por ejemplo, un debilitamiento de la circulación meridional atlántica (AMOC). [61] La principal causa de estos cambios son las emisiones de gases de efecto invernadero de las actividades humanas, principalmente la quema de combustibles fósiles . El dióxido de carbono y el metano son ejemplos de gases de efecto invernadero. El efecto invernadero adicional conduce al calentamiento del océano porque el océano absorbe la mayor parte del calor adicional en el sistema climático . [93] El océano también absorbe parte del dióxido de carbono adicional que está en la atmósfera . Esto hace que el valor de pH del agua de mar baje . [94] Los científicos estiman que el océano absorbe alrededor del 25% de todas las emisiones de CO 2 causadas por el hombre . [94]

Enfoques para reducir el CO2concentraciones

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 aparecen 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 CO2 y el efecto de calentamiento disminuirían lentamente, pero simultáneamente el enfriamiento debido a la transferencia de calor disminuiría (porque las temperaturas del mar se acercarían a la temperatura del aire), con el resultado de que la temperatura del aire disminuiría solo lentamente. Las temperaturas del mar continuarían aumentando, causando expansión térmica y cierto aumento del nivel del mar. [57] Reducir las temperaturas globales más rápidamente requeriría secuestro de carbono o geoingeniería .

Se han propuesto varias técnicas para eliminar el exceso de dióxido de carbono de la atmósfera.

La eliminación de dióxido de carbono (CDR) 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 depósitos geológicos, terrestres u oceánicos, o en productos. [95] : 2221  Este proceso también se conoce como eliminación de carbono, eliminación de gases de efecto invernadero o emisiones negativas. La CDR se integra cada vez más a menudo en la política climática , como un elemento de las estrategias de mitigación del cambio climático . [96] [97] Lograr emisiones netas cero requerirá, ante todo, recortes profundos y sostenidos de las emisiones y, luego, además, el uso de la CDR ("La CDR es lo que convierte la red en emisiones netas cero" [98] ). En el futuro, la CDR puede ser capaz de contrarrestar las emisiones que son técnicamente difíciles de eliminar, como algunas emisiones agrícolas e industriales. [99] : 114 

Concentraciones en el pasado geológico

Concentraciones de CO2 en los últimos 500 millones de años
Concentración 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 mayor que en cualquier otro momento durante la última desglaciación .

Estimaciones realizadas en 2023 indican que la concentración actual de dióxido de carbono en la atmósfera puede ser la más alta de los últimos 14 millones de años. [10] Sin embargo, el Sexto Informe de Evaluación del IPCC estimó niveles similares hace entre 3 y 3,3 millones de años, en el período cálido del Plioceno medio . Este período puede ser un indicador de los resultados climáticos probables con los niveles actuales de CO 2 . [100] : Figura 2.34 

Se cree que el dióxido de carbono ha jugado un importante papel en la regulación de la temperatura de la Tierra a lo largo de sus 4.540 millones de años de historia. Al principio de la vida de la Tierra, los científicos han encontrado evidencia de agua líquida que indica un mundo cálido, aunque se cree que la emisión del Sol solo fue 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 terrestre puede 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 había fotosíntesis bacteriana para reducir el gas a compuestos de carbono y oxígeno. El metano , un gas de efecto invernadero muy activo, también puede haber sido más frecuente. [101] [102]

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 el Pleistoceno hasta 280 partes por millón durante los períodos interglaciares. 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 la formación de la Tierra. La segunda atmósfera, que consta principalmente de nitrógeno y CO
2Se produjo por desgasificación del vulcanismo , complementada con gases producidos durante el intenso bombardeo tardío de la Tierra por enormes asteroides . [103] Una parte importante de las emisiones de dióxido de carbono pronto se disolvieron en agua y se incorporaron a sedimentos carbonatados.

La producción de oxígeno libre mediante la fotosíntesis de las cianobacterias finalmente condujo a la catástrofe del oxígeno que puso fin a la segunda atmósfera de la Tierra y dio lugar a 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. [2]

Factores impulsores del CO2 en la Tierra antigua2concentración

En escalas de tiempo largas, la concentración atmosférica de CO 2 está determinada por el equilibrio entre los procesos geoquímicos, incluyendo el enterramiento de carbono orgánico en sedimentos, la erosión de 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, esta tendencia a la baja parece destinada a continuar indefinidamente, ya que las liberaciones históricas masivas ocasionales de carbono enterrado debido al vulcanismo serán menos frecuentes (a medida que el enfriamiento del manto terrestre y el agotamiento progresivo del calor radiactivo interno continúen). Las tasas de estos procesos son extremadamente lentas; por lo tanto, no tienen relevancia para la concentración atmosférica de CO 2 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 CO2 han desempeñado un papel en la evolución biológica. Los primeros organismos fotosintéticos probablemente evolucionaron temprano en la historia evolutiva de la vida y muy probablemente utilizaron agentes reductores como el hidrógeno o el sulfuro de hidrógeno como fuentes de electrones, en lugar de agua. [104] Las cianobacterias aparecieron más tarde, y el exceso de oxígeno que produjeron contribuyó a la catástrofe del oxígeno , [105] que hizo posible la evolución de la vida compleja . En tiempos geológicos recientes, las bajas concentraciones de CO2 por debajo de 600 partes por millón podrían haber sido el estímulo que favoreció la evolución de las plantas C4 , cuya abundancia aumentó considerablemente entre 7 y 5 millones de años con respecto a las plantas que utilizan la ruta metabólica C3 menos eficiente . [ 106 ] A las presiones atmosféricas actuales, la fotosíntesis se detiene cuando las concentraciones atmosféricas de CO2 caen por debajo de 150 ppm y 200 ppm, aunque algunos microbios pueden extraer carbono del aire en concentraciones mucho más bajas. [107] [108]

Medición del CO2 de la Tierra antigua2concentración

Más de 400.000 años de datos de núcleos de hielo: gráfico de CO2 ( verde), temperatura reconstruida (azul) y polvo (rojo) del núcleo de hielo de Vostok
Correspondencia entre la temperatura y el CO2 atmosférico durante los últimos 800.000 años

El método más directo para medir las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono para períodos anteriores al muestreo instrumental es medir las burbujas de aire ( inclusiones de fluidos o gases ) atrapadas en las capas de hielo de la Antártida o Groenlandia . Los estudios más ampliamente aceptados de este tipo provienen de una variedad de núcleos antárticos e indican que las concentraciones atmosféricas de CO 2 eran de alrededor de 260-280 ppm inmediatamente antes de que comenzaran las emisiones industriales y no variaron mucho de este nivel durante los 10.000 años anteriores . [109] [110] 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. [111] Durante este tiempo, la concentración atmosférica de dióxido de carbono ha variado entre 180 y 210 ppm durante las eras de hielo , aumentando a 280-300 ppm durante los interglaciares más cálidos . [112] [113]

Las fracciones molares de CO2 en la atmósfera han aumentado alrededor de un 35 por ciento desde la década de 1900, 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 fracciones molares de CO2 superiores a 300 ppm durante el período de hace diez a siete mil años, [114] aunque otros han argumentado que estos hallazgos probablemente reflejan problemas de calibración o contaminación en lugar de una variabilidad real del CO2 . [ 115] [116] 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 firn ) y el período de tiempo representado en cada muestra de hielo analizada, estas cifras representan promedios de concentraciones atmosféricas de hasta unos pocos siglos en lugar de niveles anuales o decenales.

Los núcleos de hielo proporcionan evidencia de las variaciones en la concentración de gases de efecto invernadero a lo largo de los últimos 800.000 años. Tanto el CO2 como el CH
4Las concentraciones varían entre las fases glaciales e interglaciales, 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, un registro que indica que las fracciones molares de CO2 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 indirectas y modelos sugieren variaciones mayores en épocas pasadas: hace 500 millones de años los niveles de CO2 probablemente eran 10 veces más altos que ahora. [117]

Se han utilizado diversas mediciones indirectas para intentar determinar las concentraciones atmosféricas de CO2 hace millones de años. Entre ellas se 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. [106]

El fitano es un tipo de alcano diterpenoide . Es un producto de degradación de la clorofila y ahora se utiliza para estimar los niveles antiguos de CO2 . [ 118] El fitano proporciona un registro continuo de las concentraciones de CO2 , pero también puede superponerse a una interrupción en el registro de CO2 de más de 500 millones de años. [ 118]

Hace 600 a 400 millones de años

Hay evidencia de altas concentraciones de CO 2 de más de 6.000 ppm entre 600 y 400 millones de años atrás, y de más de 3.000 ppm entre 200 y 150 millones de años atrás. [119] [ verificación fallida ]

De hecho, se cree que las concentraciones más altas de CO 2 prevalecieron durante la mayor parte del Eón Fanerozoico , con concentraciones de cuatro a seis veces las concentraciones 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. [120] [121] [122] Se cree que la propagación de plantas terrestres redujo las concentraciones de CO 2 durante el Devónico tardío, y las actividades de las plantas como fuentes y sumideros de CO 2 desde entonces han sido importantes para proporcionar retroalimentaciones estabilizadoras. [123]

Aún antes, un período de 200 millones de años de glaciación intermitente y generalizada que se extendió cerca del ecuador ( Tierra Bola de Nieve ) parece haber terminado repentinamente, alrededor de 550 Ma, por una desgasificación volcánica colosal que elevó la concentración de CO2 de la atmósfera abruptamente al 12%, alrededor de 350 veces los niveles modernos, causando condiciones extremas de invernadero y deposición de carbonato como piedra caliza a una tasa de aproximadamente 1 mm por día. [124] Este episodio marcó el final del Eón Precámbrico , y fue sucedido por las condiciones generalmente más cálidas del Fanerozoico, durante el cual evolucionó la vida animal y vegetal multicelular. No ha ocurrido ninguna emisión volcánica de CO2 de escala comparable desde entonces. En la era moderna, las emisiones a la atmósfera de los volcanes son aproximadamente 0,645 mil millones de toneladas de CO2 por año, mientras que los humanos contribuyen con 29 mil millones de toneladas de CO2 cada año. [125] [124] [126] [127]

Hace 60 a 5 millones de años

La concentración atmosférica de CO2 siguió disminuyendo después de hace unos 60 millones de años. Hace unos 34 millones de años, cuando se produjo la extinción masiva del Eoceno-Oligoceno y la capa de hielo antártica empezó a adoptar su forma actual, el CO2 era de unas 760 ppm [128] y hay pruebas geoquímicas de que las concentraciones eran inferiores a 300 ppm hace unos 20 millones de años. La disminución de la concentración de CO2 , con un punto de inflexión de 600 ppm, fue el principal agente que provocó la glaciación antártica [129] . Las bajas concentraciones de CO2 pueden haber sido el estímulo que favoreció la evolución de las plantas C4 , cuya abundancia aumentó considerablemente entre hace 7 y 5 millones de años [106] .

Véase también

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