Hispanopedia WikiLa química marina , también conocida como química oceánica u oceanografía química , es el estudio de la composición química y los procesos de los océanos del mundo, incluyendo las interacciones entre el agua de mar, la atmósfera, el fondo marino y los organismos marinos. [ 2 ] Este campo abarca una amplia gama de temas, como el ciclo de elementos como el carbono, el nitrógeno y el fósforo, el comportamiento de los metales traza y el estudio de gases y nutrientes en ambientes marinos. La química marina desempeña un papel crucial en la comprensión de los ciclos biogeoquímicos globales , la circulación oceánica y los efectos de las actividades humanas, como la contaminación y el cambio climático, en los sistemas oceánicos. [ 2 ] Está influenciada por la tectónica de placas y la expansión del fondo marino , la turbidez , las corrientes , los sedimentos , los niveles de pH , los componentes atmosféricos, la actividad metamórfica y la ecología.
El impacto de la actividad humana en la química de los océanos ha aumentado con el tiempo, y la contaminación industrial y diversas prácticas de uso del suelo los afectan significativamente. Además, el aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre ha provocado la acidificación de los océanos , lo que tiene efectos negativos en los ecosistemas marinos. La comunidad internacional ha acordado que restaurar el equilibrio químico de los océanos es una prioridad, y los esfuerzos para lograr este objetivo se monitorean como parte del Objetivo de Desarrollo Sostenible 14 .
Debido a la interrelación del océano, los oceanógrafos químicos trabajan frecuentemente en problemas relacionados con la oceanografía física , la geología y la geoquímica , la biología y la bioquímica , y las ciencias atmosféricas . Muchos de ellos investigan los ciclos biogeoquímicos , y el ciclo del carbono marino en particular despierta un gran interés debido a su papel en el secuestro de carbono y la acidificación de los océanos . [ 3 ] Otros temas importantes de interés incluyen la química analítica de los océanos, la contaminación marina y el cambio climático antropogénico .
Compuestos orgánicos en los océanos
Materia orgánica disuelta (MOD)
La materia orgánica disuelta coloreada (MODC) es un componente crítico del reservorio de carbono del océano e incluye muchas moléculas como aminoácidos, azúcares y lípidos. Representa aproximadamente el 90 % del carbono orgánico total en los ambientes marinos. [ 4 ] Se estima que la materia orgánica disuelta coloreada (MODC) oscila entre el 20 % y el 70 % del contenido de carbono de los océanos, siendo mayor cerca de las desembocaduras de los ríos y menor en mar abierto. [ 5 ] La MODC puede reciclarse y reincorporarse a la red trófica mediante un proceso llamado ciclo microbiano, que es esencial para el ciclo de nutrientes y el mantenimiento de la productividad primaria. [ 6 ] También desempeña un papel vital en la regulación global del almacenamiento de carbono oceánico, ya que algunas formas resisten la degradación microbiana y pueden existir en el océano durante siglos. [ 7 ] La vida marina es similar principalmente en bioquímica a los organismos terrestres y es la fuente más prolífica de compuestos orgánicos halogenados . [ 8 ]
Materia orgánica particulada (MOP)
La materia orgánica particulada (MOP) incluye partículas orgánicas grandes, como organismos, gránulos fecales y detritos, que se depositan en la columna de agua. Es un componente principal de la bomba biológica, un proceso mediante el cual el carbono se transfiere desde la superficie del océano a las profundidades marinas. A medida que la MOP se hunde, se descompone por la actividad bacteriana, liberando nutrientes y dióxido de carbono. La fracción refractaria de la MOP puede depositarse en el fondo oceánico y contribuir significativamente al secuestro de carbono durante un período de tiempo muy prolongado [ 9 ].
Ecología química de los extremófilos
El océano alberga una gran variedad de organismos marinos conocidos como extremófilos : organismos que prosperan en condiciones extremas de temperatura, presión y luz. Los extremófilos habitan diversos hábitats oceánicos únicos, como fuentes hidrotermales , chimeneas negras, filtraciones frías , regiones hipersalinas y bolsas de salmuera en el hielo marino . Algunos científicos han especulado que la vida pudo haber evolucionado a partir de fuentes hidrotermales oceánicas.
En las fuentes hidrotermales y entornos similares, muchos extremófilos obtienen energía mediante quimioautotrofía , utilizando compuestos químicos como fuentes energéticas, en lugar de luz como en la fotoautotrofía . Las fuentes hidrotermales enriquecen el entorno cercano con sustancias químicas como azufre elemental , H₂ , H₂S , Fe²⁺ y metano . Los organismos quimioautótrofos, principalmente procariotas, obtienen energía de estas sustancias químicas mediante reacciones redox . Estos organismos sirven entonces como fuente de alimento para niveles tróficos superiores , formando la base de ecosistemas únicos.
En los ecosistemas de fuentes hidrotermales se presentan diversos metabolismos. Muchos microorganismos marinos, como Thiomicrospira , Halothiobacillus y Beggiatoa , son capaces de oxidar compuestos de azufre, incluyendo azufre elemental y el compuesto H₂S, a menudo tóxico. El H₂S abunda en las fuentes hidrotermales, donde se forma mediante la interacción entre el agua de mar y la roca a las altas temperaturas presentes en su interior. Este compuesto constituye una importante fuente de energía, formando la base del ciclo del azufre en estos ecosistemas. En las aguas más frías que rodean las fuentes, la oxidación del azufre puede ocurrir utilizando oxígeno como aceptor de electrones ; más cerca de las fuentes, los organismos deben emplear vías metabólicas alternativas o utilizar otro aceptor de electrones, como el nitrato. Algunas especies de Thiomicrospira pueden utilizar tiosulfato como donador de electrones, produciendo azufre elemental. Además, muchos microorganismos marinos son capaces de oxidar el hierro, como Mariprofundus ferrooxydans . La oxidación del hierro puede ser óxica, ocurriendo en zonas ricas en oxígeno del océano, o anóxica, requiriendo un aceptor de electrones como el nitrato o energía lumínica. En la oxidación del hierro, el Fe(II) actúa como donador de electrones ; por el contrario, los reductores de hierro utilizan el Fe(III) como aceptor de electrones. Estos dos metabolismos constituyen la base del ciclo redox del hierro y podrían haber contribuido a la formación de hierro bandeado .
En otro extremo, algunos extremófilos marinos habitan bolsas de salmuera en el hielo marino, donde la temperatura es muy baja y la salinidad muy alta. Los organismos atrapados en el hielo marino congelado deben adaptarse a un cambio rápido de salinidad, hasta tres veces mayor que la del agua de mar normal, así como al rápido cambio a la salinidad normal del agua de mar cuando el hielo se derrite. La mayoría de los organismos que habitan en las bolsas de salmuera son fotosintéticos; por lo tanto, estos microambientes pueden volverse hiperóxicos, lo que puede ser tóxico para sus habitantes. De este modo, estos extremófilos suelen producir altos niveles de antioxidantes. [ 10 ]
tectónica de placas
La expansión del fondo marino en las dorsales oceánicas es un sistema de intercambio iónico a escala global. [ 11 ] Las chimeneas hidrotermales en los centros de expansión introducen diversas cantidades de hierro , azufre , manganeso , silicio y otros elementos en el océano, algunos de los cuales se reciclan en la corteza oceánica . El helio-3 , un isótopo que acompaña al vulcanismo del manto, es emitido por las chimeneas hidrotermales y puede detectarse en columnas dentro del océano. [ 12 ]
Las tasas de expansión en las dorsales oceánicas varían entre 10 y 200 mm/año. Las tasas de expansión rápidas provocan un aumento de las reacciones del basalto con el agua de mar. La relación magnesio / calcio será menor porque se extraen más iones de magnesio del agua de mar y son consumidos por la roca, y se extraen más iones de calcio de la roca y se liberan al agua de mar. La actividad hidrotermal en la cresta de la dorsal es eficiente en la eliminación de magnesio. [ 13 ] Una relación Mg/Ca más baja favorece la precipitación de polimorfos de calcita con bajo contenido de Mg del carbonato de calcio ( mares de calcita ). [ 11 ]
La lenta expansión en las dorsales oceánicas tiene el efecto contrario y dará como resultado una mayor relación Mg/Ca, lo que favorecerá la precipitación de aragonita y polimorfos de calcita con alto contenido de Mg del carbonato de calcio ( mares de aragonita ). [ 11 ]
Los experimentos muestran que la mayoría de los organismos modernos de calcita con alto contenido de Mg habrían tenido calcita con bajo contenido de Mg en mares de calcita del pasado, [ 14 ] lo que significa que la proporción Mg/Ca en el esqueleto de un organismo varía con la proporción Mg/Ca del agua de mar en la que creció.
La mineralogía de los organismos formadores de arrecifes y productores de sedimentos está regulada, por lo tanto, por reacciones químicas que ocurren a lo largo de la dorsal oceánica, cuya velocidad está controlada por la velocidad de expansión del fondo marino. [ 13 ] [ 14 ]
Impactos humanos
contaminación marina
La contaminación marina se produce cuando sustancias utilizadas o dispersadas por los humanos, como desechos industriales , agrícolas y residenciales ; partículas ; ruido ; exceso de dióxido de carbono ; u organismos invasores , ingresan al océano y causan efectos nocivos. La mayor parte de estos desechos (80%) proviene de actividades terrestres, aunque el transporte marítimo también contribuye significativamente. [ 15 ] Es una combinación de químicos y basura, la mayoría de la cual proviene de fuentes terrestres y es arrastrada al océano por el agua o el viento. Esta contaminación produce daños al medio ambiente , a la salud de todos los organismos y a las estructuras económicas en todo el mundo. [ 16 ] Dado que la mayoría de los aportes provienen de la tierra, a través de ríos , aguas residuales o la atmósfera , significa que las plataformas continentales son más vulnerables a la contaminación. La contaminación del aire también es un factor contribuyente, ya que transporta hierro, ácido carbónico, nitrógeno , silicio, azufre, pesticidas y partículas de polvo al océano. [ 17 ] La contaminación a menudo proviene de fuentes difusas como la escorrentía agrícola, los desechos arrastrados por el viento y el polvo. Estas fuentes no puntuales se deben en gran medida a la escorrentía que llega al océano a través de los ríos, pero los desechos y el polvo arrastrados por el viento también pueden desempeñar un papel, ya que estos contaminantes pueden depositarse en los cursos de agua y los océanos. [ 18 ] Las vías de contaminación incluyen descarga directa, escorrentía terrestre, contaminación de barcos , contaminación de sentinas , dragado (que puede crear plumas de dragado ), contaminación atmosférica y, potencialmente, minería en aguas profundas .
Los distintos tipos de contaminación marina se pueden agrupar en contaminación por desechos marinos , contaminación por plásticos (incluidos los microplásticos) , acidificación de los océanos , contaminación por nutrientes , toxinas y ruido submarino. La contaminación por plásticos en el océano es un tipo de contaminación marina causada por plásticos , que varía en tamaño desde grandes piezas originales como botellas y bolsas, hasta microplásticos formados por la fragmentación de materiales plásticos. Los desechos marinos son principalmente basura humana desechada que flota o está suspendida en el océano. La contaminación por plásticos es perjudicial para la vida marina .
cambio climático
El aumento de los niveles de dióxido de carbono , principalmente debido a la quema de combustibles fósiles , está alterando la química oceánica. El calentamiento global y los cambios en la salinidad [ 19 ] tienen implicaciones significativas para la ecología de los ambientes marinos . [ 20 ]
Acidificación
La acidificación oceánica es la disminución continua del pH del océano terrestre . Entre 1950 y 2020, el pH promedio de la superficie oceánica descendió de aproximadamente 8,15 a 8,05. [ 21 ] Las emisiones de dióxido de carbono provenientes de las actividades humanas son la causa principal de la acidificación oceánica, con niveles de dióxido de carbono atmosférico (CO 2 ) que superan las 422 ppm (a partir de 2024). [ 22 ] 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; sigue siendo alcalina , con un pH superior a 8). Los organismos marinos calcificadores , como los moluscos y los corales , son especialmente vulnerables porque dependen del carbonato de calcio para construir conchas y esqueletos. [ 23 ]
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 una unidad en el 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 carbonato varían según la profundidad y la ubicación del océano. Las aguas más frías y de mayor latitud son capaces de absorber más CO₂ . Esto puede provocar un aumento de la acidez, disminuyendo los niveles de pH y saturación de carbonato en estas áreas. Varios otros factores influyen en el intercambio de CO₂ entre la atmósfera y el océano , y por lo tanto en la acidificación local del océano. Estos 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 provenientes de la quema de combustibles fósiles y la agricultura . [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]
Desoxigenación
La desoxigenación oceánica es la reducción del contenido de oxígeno en diferentes partes del océano debido a las actividades humanas. [ 28 ] [ 29 ] Hay dos áreas donde esto ocurre. En primer lugar, ocurre en las zonas costeras donde la eutrofización ha provocado descensos bastante rápidos (en pocas décadas) del oxígeno a niveles muy bajos. [ 28 ] Este tipo de desoxigenación oceánica también se denomina zonas muertas . En segundo lugar, la desoxigenación oceánica también ocurre en mar abierto. En esa parte del océano, actualmente hay una reducción continua de los niveles de oxígeno. Como resultado, las áreas naturalmente bajas en oxígeno (las llamadas zonas de mínimo de oxígeno (ZMO)) se están expandiendo lentamente. [ 30 ] Esta expansión está ocurriendo como consecuencia del cambio climático causado por el ser humano . [ 31 ] [ 32 ] La disminución resultante del contenido de oxígeno de los océanos representa una amenaza para la vida marina , así como para las personas que dependen de la vida marina para su nutrición o sustento. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] Una disminución en los niveles de oxígeno del océano afecta la productividad del océano , cómo se mueven los nutrientes y el carbono , y cómo funcionan los hábitats marinos . [ 36 ] [ 37 ]
A medida que los océanos se calientan, aumenta la pérdida de oxígeno. Esto se debe a que las temperaturas más cálidas incrementan la estratificación oceánica . La razón de esto radica en las múltiples conexiones entre los efectos de densidad y solubilidad que resultan del calentamiento. [ 38 ] [ 39 ] Como efecto secundario, se reduce la disponibilidad de nutrientes para la vida marina, lo que añade más estrés a los organismos marinos .
El aumento de las temperaturas en los océanos también provoca una menor solubilidad del oxígeno en el agua, lo que puede explicar aproximadamente el 50 % de la pérdida de oxígeno en la capa superior del océano (>1000 m). El agua oceánica más cálida contiene menos oxígeno y es más flotante que el agua más fría. Esto conlleva una menor mezcla del agua oxigenada cerca de la superficie con el agua más profunda, que naturalmente contiene menos oxígeno. El agua más cálida también aumenta la demanda de oxígeno de los organismos vivos; como resultado, hay menos oxígeno disponible para la vida marina. [ 40 ]
Los estudios han demostrado que los océanos ya han perdido entre un 1 % y un 2 % de su oxígeno desde mediados del siglo XX, [ 41 ] [ 42 ] y las simulaciones de modelos predicen una disminución de hasta un 7 % en el contenido global de O₂ oceánico durante los próximos cien años. Se prevé que la disminución del oxígeno continúe durante mil años o más. [ 43 ]
Historia
Las primeras investigaciones sobre química marina generalmente se centraban en el origen de la salinidad en el océano, incluyendo el trabajo de Robert Boyle . La oceanografía química moderna comenzó como campo de estudio con la expedición Challenger de 1872-1876 , liderada por la Marina Real Británica, que realizó las primeras mediciones sistemáticas de la química oceánica. El análisis químico de estas muestras, que proporcionó el primer estudio sistemático de la composición del agua de mar, fue realizado por John Murray y George Forchhammer, lo que condujo a una mejor comprensión de elementos como el cloruro, el sodio y el sulfato en las aguas oceánicas [ 44 ].
A principios del siglo XX se produjeron avances significativos en la química marina, especialmente en técnicas analíticas más precisas. Científicos como Martin Knudsen crearon la botella de Knudsen, un instrumento utilizado para recolectar muestras de agua a diferentes profundidades oceánicas. [ 45 ] Durante las últimas tres décadas (1970, 1980 y 1990), se elaboró una evaluación exhaustiva de los avances en oceanografía química a través de una iniciativa de la Fundación Nacional de Ciencias conocida como Futures of Ocean Chemistry in the United States (FOCUS). Este proyecto reunió a numerosos oceanógrafos químicos, químicos marinos y geoquímicos destacados para contribuir al informe FOCUS.
Tras la Segunda Guerra Mundial, los avances en las técnicas geoquímicas impulsaron la química marina hacia una nueva era. Los investigadores comenzaron a utilizar el análisis isotópico para estudiar la circulación oceánica y el ciclo del carbono. Roger Revelle y Hans Suess fueron pioneros en el uso de la datación por radiocarbono para investigar los reservorios de carbono oceánico y su intercambio con la atmósfera. [ 46 ]
Desde la década de 1970, el desarrollo de instrumentos altamente sofisticados y modelos computacionales ha revolucionado la química marina. Los científicos ahora pueden medir metales traza , compuestos orgánicos y proporciones isotópicas con una precisión sin precedentes. Los estudios de los ciclos biogeoquímicos marinos, incluidos los ciclos del carbono , el nitrógeno y el azufre , se han convertido en un área de interés para comprender el cambio climático global . El uso de tecnología de teledetección y programas globales de observación oceánica, como el Programa Internacional Geosfera-Biosfera (IGBP), ha proporcionado datos a gran escala sobre la química oceánica, lo que permite a los científicos monitorear la acidificación oceánica , la desoxigenación y otros problemas críticos que afectan el medio ambiente marino. [ 47 ]
Herramientas utilizadas para el análisis
Los oceanógrafos químicos recolectan y miden sustancias químicas en el agua de mar, utilizando el conjunto estándar de herramientas de química analítica , así como instrumentos como medidores de pH , medidores de conductividad eléctrica , fluorómetros y medidores de CO2 disuelto . La mayoría de los datos se recolectan a través de mediciones a bordo de buques y de flotadores o boyas autónomas , pero también se utiliza la teledetección . En un buque de investigación oceanográfica, se utiliza un CTD para medir la conductividad eléctrica , la temperatura y la presión , [ 48 ] y a menudo se monta en una roseta de botellas Nansen para recolectar agua de mar para análisis. [ 49 ] Los sedimentos se estudian comúnmente con un muestreador de caja o una trampa de sedimentos , y los sedimentos más antiguos pueden recuperarse mediante perforación científica .
Se utilizan equipos analíticos avanzados, como espectrómetros de masas y cromatógrafos, para detectar oligoelementos, isótopos y compuestos orgánicos. Esto permite medir con precisión nutrientes, gases y contaminantes en ambientes marinos. [ 50 ] En los últimos años, los vehículos submarinos autónomos (AUV) y la tecnología de teledetección han posibilitado el monitoreo continuo y a gran escala de la química oceánica, en particular para el seguimiento de los cambios en la acidificación oceánica y los ciclos de nutrientes. [ 51 ]
Química marina en otros planetas y sus lunas
La química del océano subsuperficial de Europa podría ser similar a la de la Tierra. [ 52 ] El océano subsuperficial de Encélado expulsa hidrógeno y dióxido de carbono al espacio. [ 53 ]
Véase también
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- oceanografía química
- Terminología oceanográfica
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