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Ciclo del carbono

Esquema del ciclo del carbono que muestra el movimiento del carbono entre la tierra, la atmósfera y los océanos en miles de millones de toneladas (gigatoneladas) por año. Los nú...

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

El ciclo del carbono forma parte del ciclo biogeoquímico , donde el carbono se intercambia entre la biosfera , la pedosfera , la geosfera , la hidrosfera y la atmósfera de la Tierra . Otros ciclos biogeoquímicos importantes incluyen el ciclo del nitrógeno y el ciclo del agua . El carbono es el componente principal de los compuestos biológicos, así como un componente importante de muchas rocas, como la caliza . El ciclo del carbono comprende una secuencia de eventos clave para que la Tierra sea capaz de sustentar la vida. Describe el movimiento del carbono a medida que se recicla y reutiliza en toda la biosfera, así como los procesos a largo plazo de secuestro (almacenamiento) y liberación de carbono en sumideros de carbono . Con 422,7 partes por millón (ppm), el promedio global de dióxido de carbono atmosférico alcanzó un nuevo récord en 2024. [ 2 ]

Para describir la dinámica del ciclo del carbono, se puede distinguir entre el ciclo rápido y el ciclo lento . El ciclo rápido también se conoce como ciclo biológico del carbono . Los ciclos rápidos pueden completarse en cuestión de años, transportando sustancias de la atmósfera a la biosfera y luego de vuelta a la atmósfera. Los ciclos lentos o geológicos (también llamados ciclo profundo del carbono ) pueden tardar millones de años en completarse, transportando sustancias a través de la corteza terrestre entre rocas, suelo, océano y atmósfera. [ 3 ]

Los humanos han alterado el ciclo del carbono durante muchos siglos. Lo han hecho modificando el uso de la tierra y extrayendo y quemando carbono de restos orgánicos antiguos ( carbón , petróleo y gas ). [ 1 ] El dióxido de carbono en la atmósfera ha aumentado casi un 52 % con respecto a los niveles preindustriales para 2020, lo que ha dado lugar al calentamiento global . [ 4 ] El aumento del dióxido de carbono también ha provocado una reducción en el valor del pH del océano y está alterando fundamentalmente la química marina . [ 5 ] El dióxido de carbono es fundamental para la fotosíntesis.

Compartimentos principales

El ciclo del carbono fue descrito por primera vez por Antoine Lavoisier y Joseph Priestley , y popularizado por Humphry Davy . [ 6 ] El ciclo global del carbono ahora generalmente se divide en los siguientes grandes reservorios de carbono (también llamados reservas de carbono ) interconectados por vías de intercambio: [ 7 ]

Los intercambios de carbono entre reservorios ocurren como resultado de diversos procesos químicos, físicos, geológicos y biológicos. El océano contiene la mayor reserva activa de carbono cerca de la superficie de la Tierra. [ 8 ] Los flujos naturales de carbono entre la atmósfera, el océano, los ecosistemas terrestres y los sedimentos están bastante equilibrados; por lo tanto, los niveles de carbono serían aproximadamente estables sin la influencia humana. [ 9 ] [ 10 ]

Atmósfera

Modelo informático que muestra un año en la vida del dióxido de carbono atmosférico y cómo viaja alrededor del mundo [ 11 ].

El carbono en la atmósfera terrestre existe en dos formas principales: dióxido de carbono y metano . Ambos gases absorben y retienen calor en la atmósfera y son parcialmente responsables del efecto invernadero . [ 8 ] El metano produce un mayor efecto invernadero por volumen en comparación con el dióxido de carbono, pero existe en concentraciones mucho menores y su vida útil es más corta. Por lo tanto, el dióxido de carbono contribuye más al efecto invernadero global que el metano. [ 12 ]

El dióxido de carbono se elimina de la atmósfera principalmente mediante la fotosíntesis y entra en las biosferas terrestre y oceánica. También se disuelve directamente de la atmósfera en cuerpos de agua (océanos, lagos, etc.), así como en la precipitación a medida que las gotas de lluvia caen a través de la atmósfera. Cuando se disuelve en agua, el dióxido de carbono reacciona con las moléculas de agua y forma ácido carbónico , que contribuye a la acidificación de los océanos. Posteriormente, puede ser absorbido por las rocas mediante la meteorización. También puede acidificar otras superficies con las que entra en contacto o ser arrastrado al océano. [ 13 ]

Concentraciones de CO2 durante los últimos 800.000 años medidas a partir de núcleos de hielo (azul/verde) y directamente (negro).

Las actividades humanas durante los últimos dos siglos han aumentado la cantidad de carbono en la atmósfera en casi un 50 % hasta el año 2020, principalmente en forma de dióxido de carbono, tanto al modificar la capacidad de los ecosistemas para extraer dióxido de carbono de la atmósfera como al emitirlo directamente, por ejemplo, al quemar combustibles fósiles y fabricar hormigón. [ 4 ] [ 8 ]

En un futuro lejano (de 2 a 3 mil millones de años), es probable que la tasa de absorción de dióxido de carbono en el suelo a través del ciclo carbonato-silicato aumente debido a los cambios previstos en el Sol a medida que envejece. El aumento previsto de la luminosidad del Sol probablemente acelerará la tasa de meteorización de la superficie. [ 14 ] Esto eventualmente hará que la mayor parte del dióxido de carbono en la atmósfera se incorpore a la corteza terrestre en forma de carbonato. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] Una vez que la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera caiga por debajo de aproximadamente 50 partes por millón (las tolerancias varían entre especies), la fotosíntesis C 3 ya no será posible. [ 16 ] Se ha predicho que esto ocurrirá dentro de 600 millones de años, aunque los modelos varían. [ 18 ]

Una vez que los océanos de la Tierra se evaporen dentro de unos 1100 millones de años, [ 14 ] es muy probable que la tectónica de placas se detenga debido a la falta de agua que las lubrique. La falta de volcanes que expulsen dióxido de carbono provocará el fin del ciclo del carbono entre 1000 y 2000 millones de años en el futuro. [ 19 ]

biosfera terrestre

Cantidad de carbono almacenado en los diversos ecosistemas terrestres de la Tierra, en gigatoneladas. [ 20 ]

La biosfera terrestre incluye el carbono orgánico de todos los organismos terrestres, tanto vivos como muertos, así como el carbono almacenado en los suelos . Alrededor de 500 gigatoneladas de carbono se almacenan sobre el suelo en plantas y otros organismos vivos, [ 9 ] mientras que el suelo contiene aproximadamente 1500 gigatoneladas de carbono. [ 21 ] La mayor parte del carbono en la biosfera terrestre es carbono orgánico, [ 22 ] mientras que alrededor de un tercio del carbono del suelo se almacena en formas inorgánicas, como el carbonato de calcio . [ 23 ] El carbono orgánico es un componente principal de todos los organismos que viven en la Tierra. Los autótrofos lo extraen del aire en forma de dióxido de carbono, convirtiéndolo en carbono orgánico, mientras que los heterótrofos obtienen carbono al consumir otros organismos.

Debido a que la absorción de carbono en la biosfera terrestre depende de factores bióticos, sigue un ciclo diurno y estacional. En las mediciones de CO₂ , esta característica se observa claramente en la curva de Keeling . Es más pronunciada en el hemisferio norte porque este tiene mayor superficie terrestre que el hemisferio sur y, por lo tanto, más espacio para que los ecosistemas absorban y emitan carbono.

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

El carbono abandona la biosfera terrestre de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. La combustión o respiración del carbono orgánico lo libera rápidamente a la atmósfera. También puede exportarse al océano a través de los ríos o permanecer secuestrado en los suelos en forma de carbono inerte. [ 24 ] El carbono almacenado en el suelo puede permanecer allí hasta miles de años antes de ser arrastrado a los ríos por la erosión o liberado a la atmósfera a través de la respiración del suelo . Entre 1989 y 2008, la respiración del suelo aumentó en aproximadamente un 0,1 % por año. [ 25 ] En 2008, el total mundial de CO 2 liberado por la respiración del suelo fue de aproximadamente 98 mil millones de toneladas , aproximadamente 3 veces más carbono del que los humanos ahora ponen a la atmósfera cada año al quemar combustibles fósiles (esto no representa una transferencia neta de carbono del suelo a la atmósfera, ya que la respiración se compensa en gran medida con los aportes al carbono del suelo). Existen varias explicaciones plausibles para esta tendencia, pero la más probable es que el aumento de las temperaturas ha incrementado las tasas de descomposición de la materia orgánica del suelo , lo que ha aumentado el flujo de CO₂ . La duración del secuestro de carbono en el suelo depende de las condiciones climáticas locales y, por lo tanto, de los cambios en el curso del cambio climático . [ 26 ]

Océano

El océano puede dividirse conceptualmente en una capa superficial en la que el agua tiene contacto frecuente (diario a anual) con la atmósfera, y una capa profunda por debajo de la profundidad típica de la capa de mezcla de unos pocos cientos de metros o menos, en la que el tiempo entre contactos consecutivos puede ser de siglos. El carbono inorgánico disuelto (CID) en la capa superficial se intercambia rápidamente con la atmósfera, manteniendo el equilibrio. En parte porque su concentración de CID es aproximadamente un 15 % mayor [ 27 ] , pero principalmente debido a su mayor volumen, el océano profundo contiene mucho más carbono: es el mayor reservorio de carbono en ciclo activo del mundo, conteniendo 50 veces más que la atmósfera [ 8 ] , pero la escala de tiempo para alcanzar el equilibrio con la atmósfera es de cientos de años: el intercambio de carbono entre las dos capas, impulsado por la circulación termohalina , es lento. [ 8 ]

El carbono ingresa al océano principalmente a través de la disolución del dióxido de carbono atmosférico, una pequeña fracción del cual se convierte en carbonato . También puede ingresar al océano a través de los ríos como carbono orgánico disuelto . Los organismos lo convierten en carbono orgánico mediante la fotosíntesis y puede intercambiarse a lo largo de la cadena alimentaria o precipitarse en las capas más profundas y ricas en carbono del océano como tejido blando muerto o en conchas como carbonato de calcio . Circula en esta capa durante largos períodos de tiempo antes de depositarse como sedimento o, finalmente, regresar a las aguas superficiales a través de la circulación termohalina. [ 9 ]

Los océanos son básicos (con un pH actual de 8,1 a 8,2). El aumento del CO₂ atmosférico desplaza el pH del océano hacia la neutralidad en un proceso denominado acidificación oceánica . La absorción oceánica de CO₂ es una de las formas más importantes de secuestro de carbono . La tasa proyectada de reducción del pH podría ralentizar la precipitación biológica de carbonatos de calcio , disminuyendo así la capacidad del océano para absorber CO₂ . [ 28 ] [ 29 ]

Geosfera

Diagrama que muestra los tamaños relativos (en gigatoneladas) de los principales depósitos de carbono en la Tierra. Se incluyen los cambios acumulados (hasta el año 2014) derivados del uso del suelo y las emisiones de carbono fósil para fines comparativos. [ 20 ]

El componente geológico del ciclo del carbono opera lentamente en comparación con las demás partes del ciclo global del carbono. Es uno de los determinantes más importantes de la cantidad de carbono en la atmósfera y, por lo tanto, de las temperaturas globales. [ 30 ]

La mayor parte del carbono de la Tierra se almacena inerte en la litosfera terrestre . [ 8 ] Gran parte del carbono almacenado en el manto terrestre se almacenó allí cuando se formó la Tierra. [ 31 ] Parte de él se depositó en forma de carbono orgánico de la biosfera. [ 32 ] Del carbono almacenado en la geosfera, aproximadamente el 80% es piedra caliza y sus derivados, que se forman a partir de la sedimentación del carbonato de calcio almacenado en las conchas de organismos marinos. El 20% restante se almacena como querógenos formados a través de la sedimentación y el enterramiento de organismos terrestres bajo altas temperaturas y presiones. El carbono orgánico almacenado en la geosfera puede permanecer allí durante millones de años. [ 30 ]

El carbono puede abandonar la geosfera de varias maneras. El dióxido de carbono se libera durante el metamorfismo de las rocas carbonatadas cuando se subducen en el manto terrestre. Este dióxido de carbono puede liberarse a la atmósfera y al océano a través de volcanes y puntos calientes . [ 31 ] También puede ser eliminado por los humanos mediante la extracción directa de querógenos en forma de combustibles fósiles . Después de la extracción, los combustibles fósiles se queman para liberar energía y emitir el carbono que almacenan a la atmósfera.

Tipos de dinámica

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

Existe un ciclo del carbono rápido y otro lento. El ciclo rápido opera en la biosfera y el ciclo lento en las rocas . El ciclo rápido o biológico puede completarse en cuestión de años, transfiriendo el carbono de la atmósfera a la biosfera y luego de vuelta a la atmósfera. El ciclo lento o geológico puede extenderse profundamente en el manto y tardar millones de años en completarse, transfiriendo el carbono a través de la corteza terrestre entre rocas, suelo, océano y atmósfera. [ 3 ]

El ciclo rápido del carbono implica procesos biogeoquímicos relativamente cortos entre el medio ambiente y los organismos vivos de la biosfera (véase el diagrama al inicio del artículo ). Incluye el movimiento del carbono entre la atmósfera y los ecosistemas terrestres y marinos, así como los suelos y los sedimentos del fondo marino. El ciclo rápido comprende ciclos anuales que implican la fotosíntesis y ciclos decenales que implican el crecimiento vegetativo y la descomposición. Las reacciones del ciclo rápido del carbono a las actividades humanas determinarán muchos de los impactos más inmediatos del cambio climático. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]

El ciclo lento (o profundo) del carbono implica procesos geoquímicos de mediano a largo plazo pertenecientes al ciclo de las rocas (véase el diagrama de la derecha). El intercambio entre el océano y la atmósfera puede durar siglos, y la meteorización de las rocas puede tardar millones de años. El carbono del océano precipita hacia el fondo marino, donde puede formar rocas sedimentarias y ser subducido al manto terrestre . Los procesos orogénicos dan como resultado el retorno de este carbono geológico a la superficie terrestre. Allí, las rocas se meteorizan y el carbono regresa a la atmósfera por desgasificación y al océano a través de los ríos. Otro carbono geológico regresa al océano mediante la emisión hidrotermal de iones de calcio. En un año determinado, entre 10 y 100 millones de toneladas de carbono se mueven a través de este ciclo lento. Esto incluye los volcanes que devuelven carbono geológico directamente a la atmósfera en forma de dióxido de carbono. Sin embargo, esto representa menos del uno por ciento del dióxido de carbono emitido a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles. [ 3 ] [ 33 ] [ 38 ]

Procesos dentro del ciclo rápido del carbono

Carbono terrestre en el ciclo del agua

Adónde va el carbono terrestre cuando fluye el agua [ 39 ]

El movimiento del carbono terrestre en el ciclo del agua se muestra en el diagrama de la derecha y se explica a continuación: [ 39 ]

  1. Las partículas atmosféricas actúan como núcleos de condensación de nubes , promoviendo la formación de nubes. [ 40 ] [ 41 ]
  2. Las gotas de lluvia absorben carbono orgánico e inorgánico mediante la eliminación de partículas y la adsorción de vapores orgánicos mientras caen hacia la Tierra. [ 42 ] [ 43 ]
  3. Las erupciones volcánicas y de combustión producen moléculas aromáticas policíclicas altamente condensadas (es decir, carbono negro ) que regresan a la atmósfera junto con gases de efecto invernadero como el CO₂ . [ 44 ] [ 45 ]
  4. Las plantas terrestres fijan el CO₂ atmosférico mediante la fotosíntesis , devolviendo una fracción a la atmósfera mediante la respiración . [ 46 ] La lignina y la celulosa representan hasta el 80% del carbono orgánico en los bosques y el 60% en los pastizales. [ 47 ] [ 48 ]
  5. La hojarasca y el carbono orgánico de las raíces se mezclan con el material sedimentario para formar suelos orgánicos donde el carbono orgánico derivado de las plantas y el petrogénico se almacenan y transforman por la actividad microbiana y fúngica. [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]
  6. El agua absorbe el carbono orgánico disuelto (COD) y el carbono inorgánico disuelto (CID) derivados de las plantas y los aerosoles sedimentados a medida que pasa sobre las copas de los árboles (es decir, la precipitación a través del dosel ) y a lo largo de los troncos/tallos de las plantas (es decir, el flujo por el tallo ). [ 52 ] Las transformaciones biogeoquímicas tienen lugar a medida que el agua se infiltra en la solución del suelo y los depósitos de agua subterránea [ 53 ] [ 54 ] y el flujo superficial ocurre cuando los suelos están completamente saturados, [ 55 ] o cuando la lluvia ocurre más rápidamente que la saturación en los suelos. [ 56 ]
  7. El carbono orgánico derivado de la biosfera terrestre y la producción primaria in situ es descompuesto por comunidades microbianas en ríos y arroyos junto con la descomposición física (es decir, fotooxidación ), lo que resulta en un flujo de CO 2 de los ríos a la atmósfera que es del mismo orden de magnitud que la cantidad de carbono secuestrado anualmente por la biosfera terrestre. [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] Las macromoléculas derivadas de la tierra, como la lignina [ 60 ] y el carbono negro [ 61 ] , se descomponen en componentes y monómeros más pequeños , que finalmente se convierten en CO 2 , intermediarios metabólicos o biomasa .
  8. Los lagos, embalses y llanuras aluviales suelen almacenar grandes cantidades de carbono orgánico y sedimentos, pero también experimentan heterotrofia neta en la columna de agua, lo que resulta en un flujo neto de CO₂ a la atmósfera que es aproximadamente un orden de magnitud menor que el de los ríos. [ 62 ] [ 59 ] La producción de metano también suele ser alta en los sedimentos anóxicos de llanuras aluviales, lagos y embalses. [ 63 ]
  9. La producción primaria suele verse potenciada en las plumas fluviales debido a la exportación de nutrientes fluviales . [ 64 ] [ 65 ] Sin embargo, las aguas estuarinas son una fuente de CO 2 para la atmósfera a nivel mundial. [ 66 ]
  10. Los pantanos costeros almacenan y exportan carbono azul . [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] Se sugiere que los pantanos y humedales tienen un flujo de CO 2 a la atmósfera equivalente al de los ríos, a nivel mundial. [ 70 ]
  11. Las plataformas continentales y el océano abierto suelen absorber CO₂ de la atmósfera. [ 66 ]
  12. La bomba biológica marina secuestra una fracción pequeña pero significativa del CO₂ absorbido como carbono orgánico en los sedimentos marinos ( véase más abajo ). [ 71 ] [ 39 ]

Escorrentía terrestre hacia el océano

Cómo se traslada el carbono desde las aguas continentales al océano.
El intercambio de dióxido de carbono, la fotosíntesis, la respiración de la vegetación terrestre, la meteorización de las rocas y la sedimentación ocurren en los ecosistemas terrestres. El carbono se transporta al océano a través del continuo tierra-río-estuario en forma de carbono orgánico e inorgánico. El intercambio de carbono en la interfaz aire-agua, el transporte, la transformación y la sedimentación ocurren en los ecosistemas oceánicos. [ 72 ]

Los ecosistemas terrestres y marinos están conectados principalmente a través del transporte fluvial , que actúa como el principal canal por el cual las sustancias erosivas de origen terrestre ingresan a los sistemas oceánicos. Los intercambios de materia y energía entre la biosfera terrestre y la litosfera , así como los procesos de fijación y oxidación del carbono orgánico, regulan conjuntamente las reservas de carbono y dioxígeno (O₂ ) del ecosistema . [ 72 ]

El transporte fluvial, al ser el principal canal de conexión de estas pozas, actuará para transportar la productividad primaria neta (principalmente en forma de carbono orgánico disuelto (COD) y carbono orgánico particulado (COP)) de los sistemas terrestres a los oceánicos. [ 73 ] Durante el transporte, parte del COD volverá rápidamente a la atmósfera a través de reacciones redox , lo que provoca que se produzca una "desgasificación de carbono" entre las capas de almacenamiento tierra-atmósfera. [ 74 ] [ 75 ] El COD restante y el carbono inorgánico disuelto (CID) también se exportan al océano. [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ] En 2015, los flujos de exportación de carbono inorgánico y orgánico de los ríos globales se evaluaron en 0,50–0,70 Pg C y −1 y 0,15–0,35 Pg C y −1 respectivamente. [ 77 ] Por otro lado, el POC puede permanecer enterrado en sedimentos durante un período extenso, y el flujo global anual de POC terrestre a oceánico se ha estimado en 0,20 (+0,13,-0,07) Gg C y −1 . [ 79 ] [ 72 ]

Bomba biológica en el océano

Flujo de carbono a través del océano abierto

La bomba biológica oceánica es el secuestro biológico de carbono por parte del océano , proveniente de la atmósfera y la escorrentía terrestre, hacia las profundidades oceánicas y los sedimentos del fondo marino . [ 80 ] La bomba biológica no es tanto el resultado de un solo proceso, sino más bien la suma de varios procesos, cada uno de los cuales puede influir en el bombeo biológico. La bomba transfiere aproximadamente 11 mil millones de toneladas de carbono al interior del océano cada año. Un océano sin la bomba biológica resultaría en niveles de CO₂ atmosférico aproximadamente 400 ppm más altos que los actuales. [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]

La mayor parte del carbono incorporado en la materia biológica orgánica e inorgánica se forma en la superficie del mar, desde donde puede comenzar a hundirse hasta el fondo oceánico. El océano profundo obtiene la mayor parte de sus nutrientes de la columna de agua superior cuando esta se hunde en forma de nieve marina . Esta se compone de animales y microbios muertos o moribundos, materia fecal, arena y otros materiales inorgánicos. [ 84 ]

La bomba biológica es responsable de transformar el carbono inorgánico disuelto (CID) en biomasa orgánica y bombearlo, en forma particulada o disuelta, hacia las profundidades oceánicas. Los nutrientes inorgánicos y el dióxido de carbono se fijan durante la fotosíntesis por el fitoplancton, que libera materia orgánica disuelta (MOD) y es consumida por el zooplancton herbívoro. El zooplancton de mayor tamaño, como los copépodos , expulsa bolitas fecales que pueden ser reingeridas y se hunden o se acumulan con otros detritos orgánicos formando agregados más grandes que se hunden más rápidamente. La MOD es parcialmente consumida por bacterias y respirada; la MOD refractaria restante es transportada por advección y mezclada con las profundidades marinas. La MOD y los agregados exportados a las profundidades marinas son consumidos y respirados, devolviendo así el carbono orgánico al enorme reservorio de CID de las profundidades oceánicas. [ 85 ]

Una sola célula de fitoplancton se hunde a una velocidad de aproximadamente un metro por día. Dado que la profundidad media del océano es de unos cuatro kilómetros, estas células pueden tardar más de diez años en llegar al fondo marino. Sin embargo, mediante procesos como la coagulación y la expulsión en las heces de los depredadores, estas células forman agregados. Estos agregados se hunden a velocidades mucho mayores que las de las células individuales y completan su viaje a las profundidades en cuestión de días. [ 86 ]

Aproximadamente el 1 % de las partículas que abandonan la superficie oceánica llegan al lecho marino y son consumidas, respiradas o enterradas en los sedimentos. El efecto neto de estos procesos es eliminar el carbono en forma orgánica de la superficie y devolverlo al carbono inorgánico disuelto (CID) a mayores profundidades, manteniendo un gradiente de CID desde la superficie hasta las profundidades oceánicas. La circulación termohalina devuelve el CID de las profundidades oceánicas a la atmósfera en escalas de tiempo milenarias. El carbono enterrado en los sedimentos puede ser subducido al manto terrestre y almacenado durante millones de años como parte del ciclo lento del carbono (véase la siguiente sección). [ 85 ]

Los virus como reguladores

Los virus actúan como "reguladores" del ciclo rápido del carbono porque impactan los ciclos de materia y los flujos de energía de las redes tróficas y el bucle microbiano . [ 87 ] La contribución promedio de los virus al ciclo del carbono del ecosistema terrestre es del 8,6%, de la cual su contribución a los ecosistemas marinos (1,4%) es menor que su contribución a los ecosistemas terrestres (6,7%) y de agua dulce (17,8%). En los últimos 2000 años, las actividades antropogénicas y el cambio climático han alterado gradualmente el papel regulador de los virus en los procesos del ciclo del carbono del ecosistema. Esto ha sido particularmente notorio en los últimos 200 años debido a la rápida industrialización y el consiguiente crecimiento demográfico. [ 72 ]

Comparación de cómo los virus regulan el ciclo del carbono en ecosistemas terrestres (izquierda) y en ecosistemas marinos (derecha). Las flechas muestran las funciones que desempeñan los virus en la red trófica tradicional, el ciclo microbiano y el ciclo del carbono. Las flechas verde claro representan la red trófica tradicional, las flechas blancas representan el ciclo microbiano y las flechas blancas punteadas representan la tasa de contribución del carbono producido por la lisis viral de bacterias al reservorio de carbono orgánico disuelto (COD) del ecosistema. Los ecosistemas de agua dulce se regulan de manera similar a los ecosistemas marinos y no se muestran por separado. El ciclo microbiano es un complemento importante de la cadena alimentaria clásica, en la que la materia orgánica disuelta es ingerida por bacterias heterótrofas " planctónicas " durante la producción secundaria . Estas bacterias son luego consumidas por protozoos , copépodos y otros organismos, y finalmente regresan a la cadena alimentaria clásica. [ 72 ]

Procesos dentro del ciclo lento del carbono

Movimiento de las placas oceánicas —que transportan compuestos de carbono— a través del manto.

El ciclo lento o profundo del carbono es un proceso importante, aunque no se comprende tan bien como el movimiento relativamente rápido del carbono a través de la atmósfera, la biosfera terrestre, el océano y la geosfera. [ 88 ] El ciclo profundo del carbono está íntimamente conectado con el movimiento del carbono en la superficie terrestre y la atmósfera. Si este proceso no existiera, el carbono permanecería en la atmósfera, donde se acumularía a niveles extremadamente altos durante largos períodos de tiempo. [ 89 ] Por lo tanto, al permitir que el carbono regrese a la Tierra, el ciclo profundo del carbono desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de las condiciones terrestres necesarias para la existencia de la vida.

Además, el proceso también es significativo simplemente por las enormes cantidades de carbono que transporta a través del planeta. De hecho, el estudio de la composición del magma basáltico y la medición del flujo de dióxido de carbono de los volcanes revelan que la cantidad de carbono en el manto es en realidad mil veces mayor que la de la superficie terrestre. [ 90 ] Perforar y observar físicamente los procesos del carbono en las profundidades de la Tierra es evidentemente extremadamente difícil, ya que el manto inferior y el núcleo se extienden desde 660 a 2891  km y de 2891 a 6371  km de profundidad en la Tierra, respectivamente. En consecuencia, no se sabe mucho de forma concluyente sobre el papel del carbono en las profundidades de la Tierra. No obstante, varias evidencias —muchas de las cuales provienen de simulaciones de laboratorio de las condiciones de las profundidades de la Tierra— han indicado mecanismos para el movimiento del elemento hacia el manto inferior, así como las formas que adopta el carbono a las temperaturas y presiones extremas de dicha capa. Además, técnicas como la sismología han llevado a una mayor comprensión de la posible presencia de carbono en el núcleo de la Tierra.

Carbono en el manto inferior

Desgasificación de carbono a través de diversos procesos [ 91 ]

El carbono ingresa principalmente al manto en forma de sedimentos ricos en carbonatos sobre las placas tectónicas de la corteza oceánica, que lo arrastran hacia el manto al subducirse . Se sabe poco sobre la circulación del carbono en el manto, especialmente en las profundidades de la Tierra, pero muchos estudios han intentado ampliar nuestra comprensión del movimiento y las formas de este elemento en la región. Por ejemplo, un estudio de 2011 demostró que el ciclo del carbono se extiende hasta el manto inferior . El estudio analizó diamantes raros de gran profundidad en un yacimiento en Juina, Brasil , y determinó que la composición global de algunas de las inclusiones de los diamantes coincidía con el resultado esperado de la fusión y cristalización del basalto bajo las temperaturas y presiones del manto inferior. [ 92 ] Por lo tanto, los hallazgos de la investigación indican que fragmentos de litosfera oceánica basáltica actúan como el principal mecanismo de transporte del carbono hacia el interior profundo de la Tierra. Estos carbonatos subducidos pueden interactuar con los silicatos del manto inferior , formando finalmente diamantes de gran profundidad como el encontrado. [ 93 ]

Sin embargo, los carbonatos que descienden al manto inferior encuentran otros destinos además de formar diamantes. En 2011, los carbonatos fueron sometidos a un entorno similar al de 1800  km de profundidad en la Tierra, bien dentro del manto inferior. Esto resultó en la formación de magnesita , siderita y numerosas variedades de grafito . [ 94 ] Otros experimentos, así como observaciones petrológicas , respaldan esta afirmación, indicando que la magnesita es en realidad la fase de carbonato más estable en la mayor parte del manto. Esto se debe en gran medida a su temperatura de fusión más alta. [ 95 ] En consecuencia, los científicos han concluido que los carbonatos sufren reducción a medida que descienden al manto antes de ser estabilizados en profundidad por entornos de baja fugacidad de oxígeno. [ 96 ] El magnesio, el hierro y otros compuestos metálicos actúan como amortiguadores durante todo el proceso. [ 97 ] La presencia de formas elementales reducidas de carbono como el grafito indicaría que los compuestos de carbono se reducen a medida que descienden al manto.

El carbono está unido tetraédricamente al oxígeno.

El polimorfismo altera la estabilidad de los compuestos de carbonato a diferentes profundidades dentro de la Tierra. Para ilustrarlo, simulaciones de laboratorio y cálculos de teoría funcional de la densidad sugieren que los carbonatos con coordinación tetraédrica son más estables a profundidades cercanas al límite núcleo-manto . [ 98 ] [ 94 ] Un estudio de 2015 indica que la alta presión del manto inferior hace que los enlaces de carbono transiten de orbitales hibridados sp 2 a sp 3 , lo que resulta en un enlace tetraédrico de carbono con oxígeno. [ 99 ] Los grupos trigonales CO 3 no pueden formar redes polimerizables, mientras que el CO 4 tetraédrico sí puede, lo que significa un aumento en el número de coordinación del carbono y, por lo tanto, cambios drásticos en las propiedades de los compuestos de carbonato en el manto inferior. Como ejemplo, estudios teóricos preliminares sugieren que la alta presión hace que la viscosidad del fundido de carbonato aumente; la menor movilidad de los fundidos como resultado de su mayor viscosidad causa grandes depósitos de carbono en las profundidades del manto. [ 100 ]

En consecuencia, el carbono puede permanecer en el manto inferior durante largos periodos de tiempo, pero grandes concentraciones de carbono frecuentemente regresan a la litosfera. Este proceso, denominado desgasificación de carbono, es el resultado de la fusión por descompresión del manto carbonatado, así como de las plumas del manto que transportan compuestos de carbono hacia la corteza. [ 101 ] El carbono se oxida al ascender hacia los puntos calientes volcánicos, donde se libera como CO₂ . Esto ocurre para que el átomo de carbono coincida con el estado de oxidación de los basaltos que erupcionan en dichas áreas. [ 102 ]

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

Carbono en el núcleo

Aunque la presencia de carbono en el núcleo terrestre está bien documentada, estudios recientes sugieren que grandes reservas de carbono podrían almacenarse en esta región. Las ondas de cizallamiento (ondas S) que se propagan a través del núcleo interno viajan a aproximadamente el cincuenta por ciento de la velocidad esperada para la mayoría de las aleaciones ricas en hierro. [ 103 ] Dado que se cree que la composición del núcleo es una aleación de hierro cristalino y una pequeña cantidad de níquel, esta anomalía sísmica indica la presencia de elementos ligeros, incluido el carbono, en el núcleo. De hecho, estudios que utilizan celdas de yunque de diamante para replicar las condiciones del núcleo terrestre indican que el carburo de hierro (Fe 7 C 3 ) coincide con la velocidad de onda y la densidad del núcleo interno. Por lo tanto, el modelo de carburo de hierro podría servir como evidencia de que el núcleo contiene hasta el 67% del carbono de la Tierra. [ 104 ] Además, otro estudio encontró que, en las condiciones de presión y temperatura del núcleo interno de la Tierra, el carbono se disolvió en el hierro y formó una fase estable con la misma composición Fe 7 C 3 , aunque con una estructura diferente a la mencionada anteriormente. [ 105 ] En resumen, si bien se desconoce la cantidad de carbono potencialmente almacenado en el núcleo de la Tierra, estudios recientes indican que la presencia de carburos de hierro puede explicar algunas de las observaciones geofísicas. [ 106 ]

Influencia humana en el ciclo rápido del carbono

emisiones de dióxido de carbono y su distribución
Las emisiones de CO2 han sido causadas por diferentes fuentes que aumentan una tras otra ( Proyecto Global del Carbono ) [ 107 ]
La distribución de las emisiones de CO2 muestra que la mayoría de las emisiones son absorbidas por sumideros de carbono, incluyendo el crecimiento de las plantas, la absorción del suelo y la absorción oceánica ( Proyecto Global del Carbono ).
Representación esquemática de la perturbación global del ciclo mundial del carbono causada por las actividades antropogénicas, promediada entre 2010 y 2019.

Desde la Revolución Industrial , y especialmente desde el final de la Segunda Guerra Mundial , la actividad humana ha perturbado sustancialmente el ciclo global del carbono al redistribuir enormes cantidades de carbono de la geosfera. [ 1 ] Los humanos también han continuado alterando las funciones de los componentes naturales de la biosfera terrestre con cambios en la vegetación y otros usos de la tierra. [ 8 ] Se han diseñado y fabricado en masa compuestos de carbono artificiales (sintéticos) que persistirán durante décadas o milenios en el aire, el agua y los sedimentos como contaminantes. [ 108 ] [ 109 ] El cambio climático está amplificando y forzando cambios humanos indirectos adicionales en el ciclo del carbono como consecuencia de varias retroalimentaciones positivas y negativas . [ 26 ]

cambio climático

Retroalimentaciones del ciclo climático-carbono y variables de estado representadas en un modelo estilizado.
El carbono almacenado en tierra en la vegetación y los suelos se agrega en una única reserva c t . El carbono de la capa mixta oceánica, c m , es la única reserva de carbono oceánica modelada explícitamente; aunque para estimar las retroalimentaciones del ciclo del carbono también se calcula el carbono oceánico total. [ 110 ]

Las tendencias actuales del cambio climático provocan un aumento de la temperatura y la acidez del océano , modificando así los ecosistemas marinos. [ 111 ] Además, la lluvia ácida y la escorrentía contaminada procedente de la agricultura y la industria alteran la composición química del océano. Estos cambios pueden tener efectos drásticos en ecosistemas altamente sensibles, como los arrecifes de coral , [ 112 ] limitando así la capacidad del océano para absorber carbono de la atmósfera a escala regional y reduciendo la biodiversidad oceánica a nivel mundial.

Los intercambios de carbono entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre, conocidos colectivamente como el ciclo del carbono, constituyen actualmente importantes mecanismos de retroalimentación negativa (amortiguación) sobre el efecto de las emisiones antropogénicas de carbono en el cambio climático. Los sumideros de carbono en la tierra y el océano absorben cada uno aproximadamente una cuarta parte de las emisiones antropogénicas de carbono anuales. [ 113 ] [ 110 ]

Se espera que estas retroalimentaciones se debiliten en el futuro, amplificando el efecto de las emisiones de carbono antropogénicas sobre el cambio climático. [ 114 ] Sin embargo, el grado en que se debilitarán es muy incierto, ya que los modelos del sistema terrestre predicen una amplia gama de absorciones de carbono terrestre y oceánico incluso bajo escenarios idénticos de concentración atmosférica o emisiones. [ 115 ] [ 110 ] [ 116 ] Las emisiones de metano del Ártico causadas indirectamente por el calentamiento global antropogénico también afectan el ciclo del carbono y contribuyen a un mayor calentamiento.

Extracción y quema de carbono fósil

Detalle de los flujos de carbono antropogénico, que muestra la masa acumulada en gigatoneladas durante los años 1850–2018 (izquierda) y el promedio anual de masa durante 2009–2018 (derecha). [ 117 ]

El mayor y uno de los impactos humanos de más rápido crecimiento en el ciclo del carbono y la biosfera es la extracción y quema de combustibles fósiles , que transfieren directamente el carbono de la geosfera a la atmósfera. El dióxido de carbono también se produce y libera durante la calcinación de la piedra caliza para la producción de clínker . [ 118 ] El clínker es un precursor industrial del cemento .

A partir de 2020Se han extraído en total unas 450 gigatoneladas de carbono fósil; una cantidad que se aproxima al carbono contenido en toda la biomasa terrestre viva de la Tierra. [ 117 ] Las tasas recientes de emisiones globales directamente a la atmósfera han superado la absorción por la vegetación y los océanos. [ 119 ] [ 120 ] [ 121 ] [ 122 ] Se ha previsto y observado que estos sumideros eliminen aproximadamente la mitad del carbono atmosférico añadido en aproximadamente un siglo. [ 117 ] [ 123 ] [ 124 ] Sin embargo, sumideros como el océano tienen propiedades de saturación en evolución , y se proyecta que una fracción sustancial (20-35%, según modelos acoplados ) del carbono añadido permanezca en la atmósfera durante siglos o milenios. [ 125 ] [ 126 ]

Halocarbonos

Los halocarbonos son compuestos menos abundantes que se desarrollan para diversos usos en la industria; por ejemplo, como disolventes y refrigerantes . Sin embargo, la acumulación de concentraciones relativamente pequeñas (partes por billón) de gases clorofluorocarbonados , hidrofluorocarbonados y perfluorocarbonados en la atmósfera es responsable de aproximadamente el 10 % del forzamiento radiativo directo total de todos los gases de efecto invernadero de larga duración (año 2019); lo que incluye el forzamiento de las concentraciones mucho mayores de dióxido de carbono y metano. [ 127 ] Los clorofluorocarbonos también causan el agotamiento del ozono estratosférico . Se están realizando esfuerzos internacionales en el marco del Protocolo de Montreal y el Protocolo de Kioto para controlar el rápido crecimiento de la fabricación industrial y el uso de estos gases ambientalmente potentes. Para algunas aplicaciones, se han desarrollado alternativas más benignas, como las hidrofluoroolefinas , y se están introduciendo gradualmente. [ 128 ]

cambios en el uso del suelo

Desde la invención de la agricultura, los humanos han influido directa y gradualmente en el ciclo del carbono a lo largo de siglos modificando la mezcla de vegetación en la biosfera terrestre. [ 123 ] Durante los últimos siglos, el cambio de uso y cobertura de la tierra (LUCC) causado por el ser humano, tanto directo como indirecto, ha provocado la pérdida de biodiversidad , lo que reduce la resiliencia de los ecosistemas ante las tensiones ambientales y disminuye su capacidad para eliminar el carbono de la atmósfera. De forma más directa, suele conducir a la liberación de carbono de los ecosistemas terrestres a la atmósfera.

La deforestación con fines agrícolas elimina los bosques, que almacenan grandes cantidades de carbono, y los reemplaza, generalmente con áreas agrícolas o urbanas. Ambos tipos de cobertura terrestre almacenan cantidades relativamente pequeñas de carbono, por lo que el resultado neto de la transición es que una mayor cantidad de carbono permanece en la atmósfera. Sin embargo, los efectos sobre la atmósfera y el ciclo global del carbono pueden revertirse intencionalmente o de forma natural mediante la reforestación .

Véase también

Referencias

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  • Grupo de Gases de Efecto Invernadero del Ciclo del Carbono de la NOAA
  • Proyecto Global del Carbono – iniciativa de la Alianza para la Ciencia del Sistema Terrestre
  • PNUMA – El ciclo actual del carbono – Cambio climático. Archivado el 15 de septiembre de 2008 en Wayback Machine. Niveles y flujos de carbono.