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En biogeoquímica oceánica , la bomba de solubilidad es un proceso fisicoquímico que transporta carbono como carbono inorgánico disuelto (CID) desde la superficie del océano hacia su interior. [ 1 ] La bomba de solubilidad puede verse influenciada por diversos factores ambientales y bióticos, que pueden aumentar o disminuir su intensidad y la solubilidad del dióxido de carbono en el océano.
La bomba de solubilidad puede actuar como sumidero de dióxido de carbono liberado a la atmósfera por actividades antropogénicas. Aunque la mayor parte del dióxido de carbono liberado por actividades antropogénicas se disolverá en el océano con el tiempo, se desconoce la velocidad exacta a la que esto ocurrirá. [ 2 ] El aumento del calentamiento del océano debido al cambio climático , así como la ralentización de la circulación termohalina en el océano [ 3 ] , pueden reducir la cantidad de dióxido de carbono absorbido de la atmósfera por el océano. Además, una mayor absorción de dióxido de carbono en el océano conduce a la acidificación oceánica , lo que puede ser problemático para la vida marina. [ 4 ]
Descripción general
La bomba de solubilidad es impulsada por la coincidencia de dos procesos en el océano :
- La solubilidad del dióxido de carbono es una función inversamente proporcional a la temperatura del agua de mar (es decir, la solubilidad es mayor en aguas más frías).
- La circulación termohalina está impulsada por la formación de aguas profundas en latitudes altas, donde el agua de mar suele ser más fría y densa.
Dado que las aguas profundas (es decir, el agua de mar en el interior del océano) se forman bajo las mismas condiciones superficiales que favorecen la solubilidad del dióxido de carbono, contienen una mayor concentración de carbono inorgánico disuelto de la que cabría esperar según las concentraciones superficiales promedio. En consecuencia, estos dos procesos actúan conjuntamente para bombear carbono desde la atmósfera hacia el interior del océano.
Una consecuencia de esto es que, cuando las aguas profundas afloran en latitudes ecuatoriales más cálidas, liberan grandes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera debido a la menor solubilidad de este gas.
Otros factores ambientales también afectan la bomba de solubilidad, como la formación de hielo marino. La formación de hielo marino tiene una dinámica que puede aumentar y disminuir el intercambio entre el aire y el mar. [ 5 ]
También pueden existir diferencias regionales en el efecto de la bomba de solubilidad debido a factores como las variaciones de temperatura y las diferencias en la tensión del viento sobre la bomba de solubilidad. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
El intercambio de carbono dentro de la bomba de solubilidad puede ser monitoreado por varios gases. El nitrógeno y los gases nobles como el arsénico y el criptón pueden usarse para rastrear la cantidad de ciclos de gases, incluido el carbono, entre el aire y el mar. [ 9 ] Además, la química oceánica en general tiene un efecto sobre la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera. [ 10 ] La biota marina también puede alterar la cantidad de δ 13 CO 2 en la atmósfera. [ 11 ]
La bomba de solubilidad tiene una contraparte biológica conocida como bomba biológica . Para una descripción general de ambas bombas, véase Raven y Falkowski (1999). [ 1 ] Mientras que la bomba de solubilidad se ve afectada por factores como el intercambio de gases nobles y las condiciones ambientales, la bomba biológica puede verse afectada por factores como la red trófica marina, y puede impactar las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono en general. [ 12 ] [ 13 ]
Solubilidad del dióxido de carbono
El dióxido de carbono , al igual que otros gases, es soluble en agua. Sin embargo, a diferencia de muchos otros gases ( el oxígeno , por ejemplo), reacciona con el agua y forma un equilibrio de varias especies iónicas y no iónicas (conocidas colectivamente como carbono inorgánico disuelto , o CID). Estas son el dióxido de carbono libre disuelto (CO₂ (aq) ), el ácido carbónico ( H₂CO₃ ) , el bicarbonato ( HCO₃⁻ ) y el carbonato ( CO₃²⁻ ), y reaccionan con el agua de la siguiente manera :
- CO 2 (acuoso) + H 2 O ⇌ H 2 CO 3 ⇌ HCO − 3 + H + ⇌ CO 2− 3 + 2 H +
El equilibrio de estas especies de carbonato (que en última instancia afecta la solubilidad del dióxido de carbono) depende de factores como el pH , como se muestra en un diagrama de Bjerrum . En el agua de mar, esto se regula mediante el equilibrio de carga de varios iones positivos (p. ej. , Na⁺ , K⁺ , Mg²⁺ , Ca²⁺ ) y negativos (p. ej. , CO₃²⁻ , Cl⁻, SO₄²⁻ , Br⁻ ) . Normalmente , el equilibrio de estas especies deja una carga positiva neta. Con respecto al sistema de carbonato, este exceso de carga positiva desplaza el equilibrio de las especies de carbonato hacia iones negativos para compensar. El resultado es una concentración reducida de dióxido de carbono libre y especies de ácido carbónico, lo que a su vez conduce a una absorción oceánica de dióxido de carbono de la atmósfera para restablecer el equilibrio. Por lo tanto, cuanto mayor sea el desequilibrio de carga positiva, mayor será la solubilidad del dióxido de carbono. En términos de química de carbonatos, este desequilibrio se denomina alcalinidad .
En términos de medición, cuatro parámetros básicos son de vital importancia: carbono inorgánico total (CIT, T CO 2 o C T ), alcalinidad total (T ALK o A T ), pH y pCO 2 . La medición de cualquiera de estos dos parámetros permite determinar una amplia gama de especies dependientes del pH (incluidas las especies mencionadas anteriormente). Este equilibrio puede verse alterado por diversos procesos. Por ejemplo, el flujo de CO 2 entre el aire y el mar , la disolución o precipitación de CaCO 3 o la actividad biológica como la fotosíntesis o la respiración . Cada uno de estos procesos tiene efectos diferentes sobre cada uno de los cuatro parámetros básicos y, en conjunto, ejercen una fuerte influencia en los ciclos globales. La carga neta y local de los océanos permanece neutra durante cualquier proceso químico.
cambios antropogénicos
La combustión de combustibles fósiles , los cambios en el uso del suelo y la producción de cemento han generado un flujo de CO₂ hacia la atmósfera. Actualmente, se estima que alrededor de un tercio (aproximadamente 2 gigatoneladas de carbono por año) [ 14 ] [ 15 ] de las emisiones antropogénicas de CO₂ ingresan al océano. La bomba de solubilidad es el mecanismo principal que impulsa este flujo, lo que implica que el CO₂ antropogénico llega al interior del océano a través de zonas de alta latitud donde se forman aguas profundas (en particular, el Atlántico Norte ). En última instancia, la mayor parte del CO₂ emitido por las actividades humanas se disolverá en el océano, [ 2 ] sin embargo, la tasa a la que el océano lo absorberá en el futuro es menos segura.
En un estudio del ciclo del carbono hasta finales del siglo XXI, Cox et al. (2000) [ 16 ] predijeron que la tasa de absorción de CO₂ comenzará a saturarse a una tasa máxima de 5 gigatoneladas de carbono por año para el año 2100. Esto se debió en parte a las no linealidades en el sistema de carbonato del agua de mar, pero también al cambio climático . El calentamiento del océano disminuye la solubilidad del CO₂ en el agua de mar, ralentizando la respuesta del océano a las emisiones. El calentamiento también actúa para aumentar la estratificación del océano , aislando el océano superficial de las aguas más profundas. Además, los cambios en la circulación termohalina del océano (específicamente la ralentización) [ 3 ] pueden actuar para disminuir el transporte de CO₂ disuelto hacia el océano profundo. Sin embargo, la magnitud de estos procesos aún es incierta, lo que impide buenas estimaciones a largo plazo del destino de la bomba de solubilidad.
Se han realizado investigaciones sobre el concepto de utilizar tuberías en los océanos para aumentar la absorción de CO₂ por parte del océano, aprovechando la bomba biológica y aumentando la capacidad del océano para actuar como sumidero de carbono con el fin de combatir el cambio climático. Sin embargo, debido a la relativa ineficiencia de la bomba de solubilidad para transportar cantidades significativas de CO₂ de la atmósfera al océano, aumentar el efecto del océano como sumidero de CO₂ mediante el uso de tuberías requeriría una cantidad muy grande de tuberías (aproximadamente 800 millones de tuberías, cada una con un diámetro de 1 metro). [ 17 ]
Si bien la absorción oceánica del CO₂ antropogénico de la atmósfera contribuye a disminuir el cambio climático, provoca la acidificación de los océanos , lo que se cree que tendrá consecuencias negativas para los ecosistemas marinos. [ 4 ]
Véase también
Referencias
- 1 2 Raven, JA; Falkowski, PG (1999). "Sumideros oceánicos para el CO 2 atmosférico ". Plant, Cell & Environment . 22 : 741–755. doi : 10.1046/j.1365-3040.1999.00419.x .
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