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Para conocer la reacción termonuclear que involucra al carbono que alimenta algunas estrellas, consulte el ciclo CNO . Para estructuras químicas orgánicas en forma de anillo, consulte Compuestos cíclicos .

Ciclo de carbono rápido que muestra el movimiento de carbono entre la tierra, la atmósfera y los océanos de carbono entre la tierra, la atmósfera y el océano en miles de millones de toneladas (gigatoneladas) por año. Los números amarillos son flujos naturales, los rojos son contribuciones humanas, los blancos son carbono almacenado. No se incluyen los efectos del ciclo lento del carbono , como la actividad volcánica y tectónica. [1]
Parte de una serie sobre el
Ciclo del carbono
Formas de materia orgánica.webp
Por regiones
Dióxido de carbono
Formas de carbono
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Biogeoquímico
  • Ciclos marinos
  • Ciclo de nutrientes
  • Ciclo carbonato-silicato
  • Profundidad de compensación de carbonato
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Otro
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  • Proyecto Global de Carbono
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  • C4MIP
  • v
  • t
  • mi

El ciclo del carbono es el ciclo biogeoquímico mediante el cual se intercambia carbono entre la biosfera , la pedosfera , la geosfera , la hidrosfera y la atmósfera de la Tierra . El carbono es el componente principal de los compuestos biológicos, así como un componente principal de muchos minerales como la piedra caliza. Junto con el ciclo del nitrógeno y el ciclo del agua , el ciclo del carbono comprende una secuencia de eventos que son 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 desecuestro de carbono y liberación de los sumideros de carbono . Los sumideros de carbono en la tierra y el océano absorben cada uno aproximadamente una cuarta parte de las emisiones de carbono antropogénicas cada año.

Los seres humanos han alterado el ciclo biológico del carbono durante muchos siglos modificando el uso de la tierra y, además, con la reciente extracción a escala industrial de carbono fósil ( extracción de carbón , petróleo y gas , y fabricación de cemento ) de la geosfera. [1] [2] El dióxido de carbono en la atmósfera había aumentado casi un 52% con respecto a los niveles preindustriales en 2020, lo que obligó a un mayor calentamiento atmosférico y de la superficie de la Tierra por el sol. [3] [4] El aumento de dióxido de carbono también ha aumentado la acidez de la superficie del océano en aproximadamente un 30% debido al dióxido de carbono disuelto,ácido carbónico y otros compuestos, y está alterando fundamentalmente la química marina . [5] [6] La mayor parte del carbono fósil se ha extraído durante el último medio siglo y las tasas continúan aumentando rápidamente, lo que contribuye al cambio climático causado por el hombre . [7] [8] Las mayores consecuencias para el ciclo del carbono, y para la biosfera que habilita críticamente la civilización humana, todavía están listas para desarrollarse debido a la inercia vasta pero limitada del sistema de la Tierra . [1] [9] [10] Restaurar el equilibrio de este sistema natural es una prioridad internacional, descrita tanto en el Acuerdo Climático de Parísy el Objetivo de Desarrollo Sostenible 13 .

Componentes principales [ editar ]

El ciclo del carbono fue descrito por primera vez por Antoine Lavoisier y Joseph Priestley , y popularizado por Humphry Davy . [11] El ciclo global del carbono ahora se divide generalmente en las siguientes reservas principales de carbono interconectadas por vías de intercambio: [12] : 5–6

  • El ambiente
  • La biosfera terrestre
  • El océano , incluido el carbono inorgánico disuelto y la biota marina viva y no viva
  • Los sedimentos , incluidos los combustibles fósiles , los sistemas de agua dulce y el material orgánico no vivo.
  • El interior de la Tierra ( manto y corteza ). Estos depósitos de carbono interactúan con los otros componentes a través de procesos geológicos.

Los intercambios de carbono entre reservorios ocurren como resultado de varios procesos químicos, físicos, geológicos y biológicos. El océano contiene la mayor reserva activa de carbono cerca de la superficie de la Tierra. [13] Los flujos naturales de carbono entre la atmósfera, el océano, los ecosistemas terrestres y los sedimentos están bastante equilibrados, de modo que los niveles de carbono serían aproximadamente estables sin la influencia humana. [3] [14]

Atmósfera [ editar ]

Artículo principal: ciclo del carbono atmosférico
CO
2 concentraciones en los últimos 800.000 años, medidas a partir de núcleos de hielo (azul / verde) y directamente (negro)

El carbono en la atmósfera de la Tierra 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 . [13] El metano produce un mayor efecto invernadero por volumen en comparación con el dióxido de carbono, pero existe en concentraciones mucho más bajas y tiene una vida más corta que el dióxido de carbono, por lo que el dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero más importante de los dos. [15]

El dióxido de carbono se elimina de la atmósfera principalmente a través de la fotosíntesis y entra en las biosferas terrestres y oceánicas. El dióxido de carbono también se disuelve directamente de la atmósfera en cuerpos de agua (océano, lagos, etc.), y también se disuelve en la precipitación cuando 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 acidez del océano. Luego puede ser absorbido por las rocas a través de la intemperie. También puede acidificar otras superficies que toca o ser arrastrado al océano. [dieciséis]

Detalle de los flujos de carbono antropogénico, mostrando la masa acumulada en gigatoneladas durante los años 1850-2018 (izquierda) y el promedio de masa anual durante 2009-2018 (derecha). [2]

Las actividades humanas durante los últimos dos siglos han aumentado la cantidad de carbono en la atmósfera en casi un 50% a partir del año 2020, principalmente en forma de dióxido de carbono, tanto modificando la capacidad de los ecosistemas para extraer dióxido de carbono de la atmósfera como emitiéndolo. directamente, por ejemplo, quemando combustibles fósiles y fabricando hormigón. [4] [13]

En un futuro muy lejano (por ejemplo, entre 2 y 3 mil millones de años), la velocidad a la que el dióxido de carbono se absorbe en el suelo a través del ciclo carbonato-silicato probablemente aumentará debido a los cambios esperados en el sol a medida que envejece. El aumento esperado de la luminosidad del Sol probablemente acelerará la tasa de meteorización de la superficie. [17] Esto eventualmente causará que la mayor parte del dióxido de carbono en la atmósfera sea aplastado en la corteza terrestre como carbonato. [18] [19] Una vez que la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera descienda por debajo de aproximadamente 50 partes por millón (las tolerancias varían entre las especies), la fotosíntesis de C 3 ya no será posible. [19]Se ha predicho que esto ocurrirá 600 millones de años después del presente, aunque los modelos varían. [20]

Una vez que los océanos de la Tierra se evaporen en unos 1.100 millones de años a partir de ahora, [17] es muy probable que la tectónica de placas se detenga debido a la falta de agua para lubricarlos. La falta de volcanes que bombeen dióxido de carbono hará que el ciclo del carbono termine entre mil y dos mil millones de años en el futuro. [21] [ se necesita cita completa ]

Biosfera terrestre [ editar ]

Cantidad de carbono almacenado en los diversos ecosistemas terrestres de la Tierra, en gigatoneladas. [22]
Artículo principal: ciclo del carbono biológico terrestre

La biosfera terrestre incluye el carbono orgánico de todos los organismos terrestres, tanto vivos como muertos, así como el carbono almacenado en los suelos . Aproximadamente 500 gigatoneladas de carbono se almacenan en la superficie en plantas y otros organismos vivos, [3] mientras que el suelo contiene aproximadamente 1.500 gigatoneladas de carbono. [23] La mayor parte del carbono en la biosfera terrestre es carbono orgánico, [24] mientras que alrededor de un tercio del carbono del suelo se almacena en formas inorgánicas, como el carbonato de calcio . [25] El carbono orgánico es un componente importante 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 reciben 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 CO
2mediciones, esta característica es evidente en la curva de Keeling . Es más fuerte en el hemisferio norte porque este hemisferio tiene más masa 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 CO del suelo
2 flujo.

El carbono sale de la biosfera terrestre de varias formas y en diferentes escalas de tiempo. La combustión o respiración del carbono orgánico lo libera rápidamente a la atmósfera. También se puede exportar al océano a través de ríos o permanecer secuestrado en suelos en forma de carbono inerte. [26] 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. [27] En 2008, el total mundial de CO
2liberado por la respiración del suelo fue de aproximadamente 98 mil millones de toneladas, aproximadamente 10 veces más carbono del que los humanos están poniendo 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 por insumos al carbono del suelo). Hay algunas explicaciones plausibles para esta tendencia, pero la explicación más probable es que el aumento de las temperaturas ha aumentado las tasas de descomposición de la materia orgánica del suelo , lo que ha aumentado el flujo de CO
2. La duración del secuestro de carbono en el suelo depende de las condiciones climáticas locales y, por lo tanto, cambia en el curso del cambio climático . [28]

Tamaño de los principales depósitos de carbono de la Tierra (estimaciones del año 2000) [13]
PiscinaCantidad
(gigatoneladas)
Atmósfera720
Océano (total)38.400
Total inorgánico37.400
Total orgánico1.000
Capa superficial670
Capa profunda36,730
Litosfera
Carbonatos sedimentarios> 60.000.000
Kerógenos15.000.000
Biosfera terrestre (total)2.000
Biomasa viva600 - 1000
Biomasa muerta1200
Biosfera acuática1-2
Combustibles fósiles (total)4.130
Carbón3,510
Petróleo230
Gas140
Otro ( turba )250

Océano [ editar ]

Artículo principal: ciclo del carbono oceánico

El océano se puede dividir conceptualmente en una capa superficial dentro de la cual el agua hace contacto frecuente (diario o anual) con la atmósfera, y una capa profunda por debajo de la profundidad de la capa mixta típica de unos pocos cientos de metros o menos, dentro de la cual el tiempo entre contactos consecutivos pueden ser siglos. El carbono inorgánico disuelto (DIC) en la capa superficial se intercambia rápidamente con la atmósfera, manteniendo el equilibrio. En parte porque su concentración de DIC es aproximadamente un 15% más alta [29], pero principalmente debido a su mayor volumen, las profundidades del océano contienen mucho más carbono: es la reserva más grande de carbono de ciclo activo del mundo, que contiene 50 veces más que la atmósfera. [13]—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. [13]

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 a través de la fotosíntesis y puede intercambiarse a lo largo de la cadena alimentaria o precipitarse en las capas más profundas y ricas en carbono de los océanos 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, eventualmente, volver a las aguas superficiales a través de la circulación termohalina. [3] Los océanos son básicos (~ pH 8.2), por lo tanto, CO
2 la acidificación desplaza el pH del océano hacia un nivel neutro.

Absorción oceánica de CO
2es una de las formas más importantes de secuestro de carbono que limita el aumento de dióxido de carbono en la atmósfera causado por el hombre. Sin embargo, este proceso está limitado por varios factores. CO
2La absorción hace que el agua sea más ácida, lo que afecta los biosistemas oceánicos. La tasa proyectada de aumento de la acidez oceánica podría ralentizar la precipitación biológica de carbonatos de calcio , disminuyendo así la capacidad del océano para absorber CO
2. [30] [31]

Geosfera [ editar ]

Artículo principal: ciclo de carbonato-silicato
Diagrama que muestra los tamaños relativos (en gigatoneladas) de los principales depósitos de almacenamiento de carbono en la Tierra. Los cambios acumulativos (hasta el año 2014) del uso de la tierra y las emisiones de carbono fósil se incluyen para comparar. [22]

El componente geológico del ciclo del carbono opera lentamente en comparación con las otras 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. [32]

La mayor parte del carbono terrestre se almacena de forma inerte en la litosfera terrestre . [13] Gran parte del carbono almacenado en el manto terrestre se almacenó allí cuando se formó la tierra. [33] Parte de él se depositó en forma de carbono orgánico de la biosfera. [34] Del carbono almacenado en la geosfera, alrededor del 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 kerógenos formados a través de la sedimentación y el entierro de organismos terrestres bajo alta presión y calor. El carbono orgánico almacenado en la geosfera puede permanecer allí durante millones de años. [32]

El carbono puede salir de la geosfera de varias formas. El dióxido de carbono se libera durante el metamorfismo de las rocas carbonatadas cuando se subducen al manto terrestre. Este dióxido de carbono se puede liberar a la atmósfera y al océano a través de volcanes y puntos calientes . [33] También puede ser eliminado por humanos mediante la extracción directa de kerógenos 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.

Carbono terrestre en el ciclo del agua [ editar ]

Adónde va el carbono terrestre cuando fluye el agua  [35]

En el diagrama de la derecha:  [35]

  1. Las partículas atmosféricas actúan como núcleos de condensación de nubes , promoviendo la formación de nubes. [36] [37]
  2. Las gotas de lluvia absorben carbono orgánico e inorgánico a través de la captación de partículas y la adsorción de vapores orgánicos mientras caen hacia la Tierra. [38] [39]
  3. Las erupciones ardientes y volcánicas producen moléculas aromáticas policíclicas altamente condensadas (es decir, carbón negro ) que se devuelve a la atmósfera junto con gases de efecto invernadero como el CO 2 . [40] [41]
  4. Las plantas terrestres fijan el CO 2 atmosférico a través de la fotosíntesis , devolviendo una fracción a la atmósfera a través de la respiración . [42] La lignina y las celulosas representan hasta el 80% del carbono orgánico en los bosques y el 60% en los pastos. [43] [44]
  5. La basura y el carbono orgánico de las raíces se mezclan con material sedimentario para formar suelos orgánicos donde el carbono orgánico petrogénico y derivado de plantas se almacena y transforma mediante la actividad microbiana y fúngica. [45] [46] [47]
  6. El agua absorbe planta y se establecieron aerosol derivado de carbono orgánico disuelto (DOC) y carbono inorgánico disuelto (DIC) medida que pasa sobre copas de los árboles (es decir throughfall ) y a lo largo de los troncos de plantas / deriva (es decir escurrimiento por el tronco ). [48] ​​Las transformaciones biogeoquímicas tienen lugar cuando el agua penetra en la solución del suelo y los depósitos de agua subterránea [49] [50] y el flujo superficial ocurre cuando los suelos están completamente saturados, [51] o la lluvia ocurre más rápidamente que la saturación en los suelos. [52]
  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 da como resultado un flujo de CO 2 de los ríos a la atmósfera que son del mismo orden de magnitud como la cantidad de carbono secuestrado anualmente por la biosfera terrestre. [53] [54] [55] Las macromoléculas de origen terrestre como la lignina  [56] y el carbón negro [57] se descomponen en componentes y monómeros más pequeños, y finalmente se convierten en CO 2 , intermedios metabólicos o biomasa .
  8. Los lagos, embalses y llanuras aluviales normalmente almacenan 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 CO 2 a la atmósfera que es aproximadamente un orden de magnitud menor que los ríos. [58] [55] La producción de metano también suele ser alta en los sedimentos anóxicos de llanuras aluviales, lagos y embalses. [59]
  9. La producción primaria generalmente se mejora en las plumas de los ríos debido a la exportación de nutrientes fluviales . [60] [61] No obstante, las aguas de los estuarios son una fuente de CO 2 para la atmósfera, a nivel mundial. [62]
  10. Las marismas costeras almacenan y exportan carbono azul . [63] [64] [65] Se sugiere que las marismas y los humedales tienen un flujo de CO 2 a la atmósfera equivalente al de los ríos, a nivel mundial. [66]
  11. Las plataformas continentales y el mar abierto suelen absorber CO 2 de la atmósfera. [62]
  12. La bomba biológica marina secuestra una fracción pequeña pero significativa del CO 2 absorbido como carbono orgánico en los sedimentos marinos (ver la siguiente sección). [67] [35]

La bomba biológica marina [ editar ]

Flujo de carbono a través del océano abierto
Artículo principal: bomba biológica

La bomba biológica marina es el secuestro biológico de carbono del océano de la atmósfera y la escorrentía terrestre hacia el interior del océano profundo y los sedimentos del lecho marino . [68] La bomba biológica no es tanto el resultado de un solo proceso, sino la suma de varios procesos, cada uno de los cuales puede influir en el bombeo biológico.

La mayor parte del carbono incorporado en materia biológica orgánica e inorgánica se forma en la superficie del mar, donde luego puede comenzar a hundirse en el fondo del océano. El océano profundo obtiene la mayoría de sus nutrientes de la columna de agua más alta cuando se hunden en forma de nieve marina . Está formado por animales y microbios muertos o moribundos, materia fecal, arena y otros materiales inorgánicos. [69]

La bomba biológica es responsable de transformar el carbono inorgánico disuelto (DIC) en biomasa orgánica y bombearlo en forma particulada o disuelta al océano profundo. Los nutrientes inorgánicos y el dióxido de carbono son fijados durante la fotosíntesis por el fitoplancton, que liberan materia orgánica disuelta (DOM) y son consumidos por el zooplancton herbívoro. Zooplancton más grande, como los copépodos , los gránulos fecales que ingieren, que se pueden volver a ingerir y hundirse o acumularse con otros detritos orgánicos en agregados más grandes que se hunden más rápidamente. DOM es parcialmente consumido por bacterias y respira; el DOM refractario restante está advectado y mezclado con las profundidades del mar. El DOM y los agregados exportados a las aguas profundas se consumen y respiran, devolviendo así el carbono orgánico al enorme depósito oceánico profundo de DIC. [70]

Una sola célula de fitoplancton tiene una tasa de hundimiento de alrededor de 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 del océano. Sin embargo, a través de procesos como la coagulación y la expulsión en los sedimentos fecales de los depredadores, estas células forman agregados. Estos agregados tienen tasas de hundimiento órdenes de magnitud mayores que las de las células individuales y completan su viaje a las profundidades en cuestión de días. [71]

Aproximadamente el 1% de las partículas que salen de la superficie del océano llegan al lecho marino y se consumen, respiran o se entierran en los sedimentos. El efecto neto de estos procesos es eliminar el carbono en forma orgánica de la superficie y devolverlo a DIC a mayores profundidades, manteniendo un gradiente oceánico de superficie a profundo de DIC. La circulación termohalina devuelve la CID de las profundidades del océano a la atmósfera en escalas de tiempo milenarias. El carbono enterrado en los sedimentos puede subducirse en el manto terrestre y almacenarse durante millones de años como parte del ciclo lento del carbono (consulte la siguiente sección). [70]

Ciclos rápidos y lentos [ editar ]

El ciclo lento del carbono opera a través de las rocas
El ciclo rápido del carbono opera a través de la biosfera, ver diagrama al comienzo del artículo ↑

Hay un ciclo de carbono rápido y uno lento. El ciclo rápido opera en la biosfera y el ciclo lento opera en las rocas . El ciclo rápido o biológico puede completarse en años, moviendo el carbono de la atmósfera a la biosfera y luego de regreso a la atmósfera. El ciclo lento o geológico puede tardar millones de años en completarse, moviendo el carbono a través de la corteza terrestre entre las rocas, el suelo, el océano y la atmósfera. [72]

El ciclo rápido del carbono implica procesos biogeoquímicos a relativamente corto plazo entre el medio ambiente y los organismos vivos en la biosfera (ver diagrama al comienzo del artículo ). Incluye movimientos de carbono entre la atmósfera y los ecosistemas terrestres y marinos, así como suelos y sedimentos del lecho marino. El ciclo rápido incluye ciclos anuales que involucran fotosíntesis y ciclos decenales que involucran crecimiento vegetativo y descomposición. Las reacciones del ciclo rápido del carbono a las actividades humanas determinarán muchos de los impactos más inmediatos del cambio climático. [73] [74] [75]

El ciclo lento del carbono involucra procesos geoquímicos de mediano a largo plazo que pertenecen al ciclo de las rocas (ver diagrama a la derecha). El intercambio entre el océano y la atmósfera puede llevar siglos, y la erosión de las rocas puede llevar millones de años. El carbono del océano se precipita hacia el fondo del océano, donde puede formar rocas sedimentarias y ser subducido al manto terrestre . Los procesos de construcción de montañas dan como resultado el retorno de este carbono geológico a la superficie de la Tierra. Allí, las rocas se erosionan y el carbono se devuelve a la atmósfera por desgasificación y al océano por los ríos. Otro carbono geológico regresa al océano a través delEmisión hidrotermal de iones de calcio. En un año dado, entre 10 y 100 millones de toneladas de carbono se mueven alrededor de este ciclo lento. Esto incluye volcanes que devuelven carbono geológico directamente a la atmósfera en forma de dióxido de carbono. Sin embargo, esto es menos del uno por ciento del dióxido de carbono que se libera a la atmósfera al quemar combustibles fósiles. [72] [73]

Ciclo profundo del carbono [ editar ]

Movimiento de las placas oceánicas, que transportan compuestos de carbono, a través del manto.
Artículo principal: ciclo profundo del carbono

Aunque el ciclo profundo del carbono no se comprende tan bien como el movimiento del carbono a través de la atmósfera, la biosfera terrestre, el océano y la geosfera, es un proceso importante. [76] El ciclo profundo del carbono está íntimamente relacionado con el movimiento del carbono en la superficie y la atmósfera de la Tierra. Si el proceso no existiera, el carbono permanecería en la atmósfera, donde se acumularía a niveles extremadamente altos durante largos períodos de tiempo. [77] Por lo tanto, al permitir que el carbono regrese a la Tierra, el ciclo profundo del carbono juega un papel fundamental en el mantenimiento de las condiciones terrestres necesarias para que exista la vida.

Además, el proceso también es significativo simplemente debido a las enormes cantidades de carbono que transporta a través del planeta. De hecho, estudiar la composición del magma basáltico y medir el flujo de dióxido de carbono de los volcanes revela que la cantidad de carbono en el manto es en realidad mayor que la de la superficie de la Tierra por un factor de mil. [78] Perforar y observar físicamente los procesos de carbono de la Tierra profunda es evidentemente extremadamente difícil, ya que el manto inferior y el núcleose extienden de 660 a 2.891 km y de 2.891 a 6.371 km de profundidad en la Tierra, respectivamente. En consecuencia, no se sabe mucho de manera concluyente sobre el papel del carbono en las profundidades de la Tierra. No obstante, varias pruebas, muchas de las cuales provienen de simulaciones de laboratorio de las condiciones de la Tierra profunda, 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 permitido comprender mejor la posible presencia de carbono en el núcleo de la Tierra.

Carbono en el manto inferior [ editar ]

Desgasificación del carbono a través de varios procesos  [79]

El carbono entra al manto principalmente en forma de sedimentos ricos en carbonato en las placas tectónicas de la corteza oceánica, que atraen el carbono hacia el manto al someterse a subducción . No se sabe mucho sobre la circulación de carbono en el manto, especialmente en las profundidades de la Tierra, pero muchos estudios han intentado aumentar nuestra comprensión del movimiento y las formas del elemento dentro de 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 y súper profundos en un sitio en Juina, Brasil , y determinó que la composición a granel de algunas de las inclusiones de los diamantes coincidía con el resultado esperado de la fusión del basalto ycristalización bajo temperaturas y presiones más bajas del manto. [80] Por lo tanto, los hallazgos de la investigación indican que trozos de litosfera oceánica basáltica actúan como el principal mecanismo de transporte de carbono al interior profundo de la Tierra. Estos carbonatos subducidos pueden interactuar con los silicatos del manto inferior , formando eventualmente diamantes súper profundos como el que se encuentra. [81]

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. Hacerlo dio como resultado las formaciones de magnesita , siderita y numerosas variedades de grafito . [82] Otros experimentos, así como observaciones petrológicas , apoyan esta afirmación, lo que indica que la magnesita es en realidad la fase de carbonato más estable en la mayor parte del manto. Esto se debe en gran parte a su mayor temperatura de fusión. [83] En consecuencia, los científicos han concluido que los carbonatos se reducena medida que descienden al manto antes de ser estabilizados en profundidad por ambientes de baja fugacidad de oxígeno . El magnesio, el hierro y otros compuestos metálicos actúan como amortiguadores durante todo el proceso. [84] 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 ilustrar, las simulaciones de laboratorio y los cálculos de la teoría funcional de la densidad sugieren que los carbonatos coordinados tetraédricamente son más estables a profundidades que se acercan al límite entre el núcleo y el manto . [85] [82] Un estudio de 2015 indica que la alta presión del manto inferior hace que los enlaces de carbono pasen de orbitales híbridos sp 2 a sp 3 , lo que resulta en un enlace tetraédrico del carbono con el oxígeno. [86] Los grupos trigonales CO 3 no pueden formar redes polimerizables, mientras que el CO 4 tetraédricopuede, 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 aumente la viscosidad de la masa fundida de carbonato; La menor movilidad de las masas fundidas como resultado de su mayor viscosidad provoca grandes depósitos de carbono en las profundidades del manto. [87]

En consecuencia, el carbono puede permanecer en el manto inferior durante largos períodos de tiempo, pero con frecuencia grandes concentraciones de carbono encuentran su camino de regreso a la litosfera. Este proceso, llamado desgasificación de carbono, es el resultado del manto carbonatado sometido a fusión por descompresión, así como las plumas del manto que transportan compuestos de carbono hacia la corteza. [88] El carbono se oxida en su ascenso hacia puntos calientes volcánicos, donde luego se libera como CO 2 . Esto ocurre para que el átomo de carbono coincida con el estado de oxidación de los basaltos en erupción en tales áreas. [89]

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

Carbono en el núcleo [ editar ]

Aunque la presencia de carbono en el núcleo de la Tierra está bien restringida, estudios recientes sugieren que se podrían almacenar grandes inventarios de carbono en esta región. [se necesita aclaración ] Las ondas cortantes (S) que se mueven 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. [90] Debido a 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, los estudios que utilizan células de yunque de diamante para replicar las condiciones en el núcleo de la Tierra indican que el carburo de hierro (Fe 7 C 3) coincide con la velocidad y densidad de onda del núcleo interno. Por lo tanto, el modelo de carburo de hierro podría servir como evidencia de que el núcleo contiene hasta un 67% del carbono de la Tierra. [91] Además, otro estudio encontró que en las condiciones de presión y temperatura del núcleo interno de la Tierra, el carbono se disolvió en hierro y formó una fase estable con la misma composición de Fe 7 C 3 , aunque con una estructura diferente a la mencionada anteriormente. [92] En resumen, aunque 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.

Influencia humana [ editar ]

Emisiones y particiones de dióxido de carbono
Partición de CO
2Las emisiones muestran que la mayoría de las emisiones están siendo absorbidas por los sumideros de carbono, incluido el crecimiento de las plantas, la absorción del suelo y la absorción por los océanos ( Global Carbon Project)
Representación esquemática de la perturbación general del ciclo global del carbono causada por actividades antropogénicas, promediada de 2010 a 2019.
Artículos principales: Cambio climático y acidificación de los océanos.

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 cantidades masivas de carbono de la geosfera. [1] Los seres humanos también han continuado cambiando las funciones de los componentes naturales de la biosfera terrestre con cambios en la vegetación y otros usos de la tierra. [13] 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. [93] [94] El cambio climático está amplificando y forzando más cambios humanos indirectos en el ciclo del carbono como consecuencia de diversas reacciones positivas y negativas .. [28]

Cambios en el uso de la tierra [ editar ]

Artículos principales: Agricultura y Deforestación

Desde la invención de la agricultura, los seres humanos han influido directa y gradualmente en el ciclo del carbono a lo largo de escalas de tiempo de un siglo modificando la mezcla de vegetación en la biosfera terrestre. [95] Durante los últimos siglos, el uso directo e indirecto de la tierra y el cambio en la cobertura de la tierra causados ​​por el hombre (LUCC) han provocado la pérdida de biodiversidad , lo que reduce la resiliencia de los ecosistemas a las tensiones ambientales y disminuye su capacidad para eliminar el carbono de la atmósfera. . Más directamente, a menudo conduce a la liberación de carbono de los ecosistemas terrestres a la atmósfera.

La deforestación con fines agrícolas elimina los bosques, que contienen grandes cantidades de carbono, y los reemplaza, generalmente con áreas agrícolas o urbanas. Ambos tipos de cobertura terrestre de reemplazo almacenan cantidades comparativamente pequeñas de carbono, de modo que el resultado neto de la transición es que permanece más carbono en la atmósfera. Sin embargo, los efectos sobre la atmósfera y el ciclo general del carbono pueden revertirse intencional y / o naturalmente con la reforestación .

Extracción de carbono fósil [ editar ]

Ver también: minería de carbón y extracción de petróleo

El impacto humano más grande y uno de los 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 piedra caliza para la producción de clínker . [96] El clínker es un precursor industrial del cemento .

A partir de 2020 , se 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. [2] Las tasas recientes de emisiones globales directamente a la atmósfera han superado la absorción por la vegetación y los océanos. [97] [98] [99] [100] Se esperaba y se observó que estos sumideros eliminaran aproximadamente la mitad del carbono atmosférico agregado en aproximadamente un siglo. [2] [95] [101] Sin embargo, los sumideros como el océano tienen propiedades de saturación en evolución , y una fracción sustancial (20-35%, según modelos acoplados) del carbono añadido se prevé que permanezca en la atmósfera durante siglos o milenios. [102] [103] La extracción de carbono fósil que aumenta los gases de efecto invernadero atmosféricos es descrita por el IPCC y los científicos atmosféricos y oceánicos como un compromiso a largo plazo de la sociedad para vivir en un clima cambiante y, en última instancia, en un mundo más cálido. [4] [104]

Productos químicos artificiales [ editar ]

Cantidades más pequeñas de productos petroquímicos artificiales , que contienen carbono fósil, pueden tener efectos inesperados y descomunales en el ciclo biológico del carbono. Esto ocurre en parte porque han sido creados intencionalmente por humanos para descomponerse lentamente, lo que permite su persistencia y acumulación antinatural en toda la biosfera. En muchos casos, sus trayectorias a través del ciclo más amplio del carbono tampoco están todavía bien caracterizadas o comprendidas.

La vía por la que los plásticos ingresan a los océanos del mundo.

Plásticos [ editar ]

Ver también: Contaminación plástica y microplásticos

Cerca de 400 millones de toneladas de plástico se fabricaron a nivel mundial durante el año 2018 con tasas de crecimiento anual cercanas al 10%, y más de 6 gigatoneladas producidas en total desde 1950. [94] Los plásticos finalmente se fragmentan como un primer paso típico en su descomposición, y esto permite su amplia distribución por corrientes de aire y agua. Los animales internalizan fácilmente los microplásticos y nanoplásticos a través de la ingestión e inhalación, acompañados de riesgos de bioacumulación . Los plásticos biodegradables que se colocan en los vertederos generan metano y dióxido de carbono que circula por la atmósfera a menos que se capturen. [105] Una revisión importante de la evidencia científica a partir del año 2019 no identificó consecuencias importantes para la sociedad humana en los niveles actuales, pero prevé riesgos sustanciales que surgirán en el próximo siglo. [106] Un estudio de 2019 indicó que la degradación de los plásticos a través de la exposición al sol libera dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero. [107] Se han desarrollado bioplásticos con un ciclo de carbono más natural y rápido como alternativa a otros plásticos de un solo uso a base de petróleo . [108]

Halocarbonos [ editar ]

Ver también: Halocarbonos y gases fluorados

Los halocarbonos son compuestos menos prolíficos desarrollados 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 de clorofluorocarbono , hidrofluorocarburo y perfluorocarbono 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); que incluye el forzamiento de concentraciones mucho mayores de dióxido de carbono y metano. [109] Los clorofluorocarbonos también causan el agotamiento del ozono estratosférico . Los esfuerzos internacionales están en curso bajo elProtocolo de Montreal y Protocolo de Kyoto para controlar el rápido crecimiento en la fabricación industrial y el uso de estos gases ambientalmente potentes. Para algunas aplicaciones, se han desarrollado alternativas más benignas, como las hidrofluoroolefinas, que se están introduciendo gradualmente. [110]

Retroalimentación del ciclo clima-carbono y variables de estado
representadas en un modelo estilizado
El carbono almacenado en la tierra en la vegetación y los suelos se agrega en una sola reserva c t . El carbono de la capa mixta oceánica, c m , es la única reserva de carbono oceánica modelada explícitamente; aunque para estimar la retroalimentación del ciclo del carbono también se calcula el carbono total del océano. [111]

Retroalimentación del cambio climático [ editar ]

Artículo principal: retroalimentación sobre el cambio climático

Las tendencias actuales en el cambio climático conducen a temperaturas y acidez oceánicas más altas , modificando así los ecosistemas marinos. [112] Además, la lluvia ácida y la escorrentía contaminada de la agricultura y la industria cambian la composición química del océano. Tales cambios pueden tener efectos dramáticos en ecosistemas altamente sensibles como los arrecifes de coral , [113] 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 ciclo del carbono, constituyen en la actualidad importantes retroalimentaciones negativas (atenuantes) sobre el efecto de las emisiones antropogénicas de carbono sobre el cambio climático. Los sumideros de carbono en la tierra y el océano absorben cada uno aproximadamente una cuarta parte de las emisiones de carbono antropogénicas cada año. [114] [111]

Se espera que estas retroalimentaciones se debiliten en el futuro, amplificando el efecto de las emisiones antropogénicas de carbono sobre el cambio climático. [115] Sin embargo, el grado en que se debilitarán es muy incierto, ya que los modelos del sistema terrestre predicen una amplia gama de captaciones de carbono terrestres y oceánicas incluso en escenarios idénticos de concentración o emisión atmosférica. [116] [111] 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.

Galería [ editar ]

  • Epífitas en cables eléctricos. Este tipo de planta toma tanto CO
    2     y agua de la atmósfera para vivir y crecer.

  • CO2en la atmósfera terrestre si no se absorbe la mitad de las emisiones que provocan el calentamiento global . [97] [98] [99] [100] ( simulación por computadora de la NASA ).

  • La actividad humana desde la era industrial ha cambiado el equilibrio del ciclo natural del carbono. Las unidades están en gigatoneladas. [3]

Ver también [ editar ]

  • Ciclo biogeoquímico  : ciclo de sustancias a través de los compartimentos bióticos y abióticos de la Tierra.
  • Reequilibrio del ciclo del carbono
  • Dióxido de carbono en la atmósfera terrestre  : constituyente atmosférico; gases de efecto invernadero
  • Huella de carbono  : conjunto total de emisiones de gases de efecto invernadero causadas por un individuo, evento, organización o producto, expresado como equivalente de dióxido de carbono.
  • Secuestro de carbono  : captura y almacenamiento a largo plazo de dióxido de carbono atmosférico
  • Ciclo de carbonato-silicato
  • Acidificación oceánica
  • Ciclo del carbono del permafrost
  • Límites planetarios

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Enlaces externos [ editar ]

  • Programa de ciencia del ciclo del carbono : una asociación entre agencias.
  • Grupo de gases de efecto invernadero del ciclo del carbono de la NOAA
  • Proyecto Global de Carbono - iniciativa de Earth System Science Partnership
  • PNUMA - El ciclo actual del carbono - Niveles y flujos de carbono del cambio climático
  • Observatorio de carbono en órbita de la NASA Archivado el 9 de septiembre de 2018 en la Wayback Machine.
  • CarboSchools , un sitio web europeo con muchos recursos para estudiar el ciclo del carbono en las escuelas secundarias.
  • Carbon and Climate , un sitio web educativo con un subprograma del ciclo del carbono para modelar su propia proyección.