Carbón inorgánico particulado

El carbono inorgánico particulado ( PIC ) se puede contrastar con el carbono inorgánico disuelto (DIC), la otra forma de carbono inorgánico que se encuentra en el océano. El carbono inorgánico particulado a veces se denomina carbono inorgánico en suspensión. En términos operativos , se define como el carbono inorgánico en forma de partículas que es demasiado grande para pasar a través del filtro utilizado para separar el carbono inorgánico disuelto.

Imágenes de satélite de carbono inorgánico particulado (PIC) - NASA 2014 [1] [2] [3]

La mayor parte del PIC es carbonato de calcio , CaCO 3 , particularmente en forma de calcita , pero también en forma de aragonito . El carbonato de calcio forma las conchas de muchos organismos marinos . También se forma durante los eventos de merlán y es excretado por los peces marinos durante la osmorregulación .

Los compuestos de carbono se pueden distinguir como orgánicos o inorgánicos, y disueltos o en partículas, según su composición. El carbono orgánico forma la columna vertebral de un componente clave de compuestos orgánicos tales como: proteínas , lípidos , carbohidratos y ácidos nucleicos . El carbono inorgánico se encuentra principalmente en compuestos simples como dióxido de carbono, ácido carbónico, bicarbonato y carbonato (CO 2 , H 2 CO 3 , HCO 3 - , CO 3 2 - respectivamente).

El carbono marino se separa además en fases particuladas y disueltas. Estas piscinas se definen operativamente por separación física: el carbón disuelto pasa a través de un filtro de 0,2 μm y el carbón en partículas no.

Hay dos tipos principales de carbono inorgánico que se encuentran en los océanos. El carbono inorgánico disuelto (DIC) está formado por bicarbonato (HCO 3 - ), carbonato (CO 3 2− ) y dióxido de carbono (incluidos tanto el CO 2 disuelto como el ácido carbónico H 2 CO 3 ). El DIC se puede convertir en carbono inorgánico particulado (PIC) mediante la precipitación de CaCO 3 (biológica o abióticamente). La DIC también se puede convertir en carbono orgánico particulado (POC) mediante la fotosíntesis y la quimioautotrofia (es decir, producción primaria). La DIC aumenta con la profundidad a medida que las partículas de carbono orgánico se hunden y respiran. El oxígeno libre disminuye a medida que aumenta la DIC porque se consume oxígeno durante la respiración aeróbica.

El carbono inorgánico particulado (PIC) es la otra forma de carbono inorgánico que se encuentra en el océano. La mayor parte del PIC es el CaCO 3 que forma las conchas de varios organismos marinos, pero también puede formarse en eventos de merlán . Los peces marinos también excretan carbonato de calcio durante la osmorregulación . [4]

Algunas de las especies de carbono inorgánico en el océano, como el bicarbonato y el carbonato , son los principales contribuyentes a la alcalinidad , un amortiguador natural del océano que evita cambios drásticos en la acidez (o pH ). El ciclo del carbono marino también afecta las tasas de reacción y disolución de algunos compuestos químicos, regula la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera y la temperatura de la Tierra. [5]

El carbono se separa en cuatro grupos distintos en función de si es orgánico / inorgánico y si está disuelto / particulado. Los procesos asociados con cada flecha describen la transformación asociada con la transferencia de carbono de un reservorio a otro.
Distribuciones naturales del tamaño de las partículas en el océano
Las distribuciones naturales del tamaño de las partículas en el océano siguen en general una ley de potencia en muchos órdenes de magnitud, desde virus y bacterias hasta peces y ballenas. El material no vivo contenido en la distribución del tamaño de partículas también puede incluir nieve marina, detritos, sedimentos y microplásticos. La distribución del tamaño de partícula de la ley de potencia es la suma de distribuciones log-normales para cada subpoblación, cuatro ejemplos de los cuales se ilustran en esta figura. N es el número de partículas de diámetro, D; K es el número de partículas de 1 µm por volumen; J es la pendiente de la distribución de la ley de potencias. [6]
Presupuesto de carbono inorgánico particulado para la Bahía de Hudson
Las flechas negras representan DIC producido por la disolución de PIC. Las líneas grises representan el PIC terrestre. [7] Las unidades son Tg C y −1                    

Carbonato de calcio

El carbón inorgánico particulado (PIC) generalmente toma la forma de carbonato de calcio (CaCO 3 ) y juega un papel clave en el ciclo del carbono oceánico. [8] Este carbono biológicamente fijado se utiliza como revestimiento protector para muchas especies planctónicas (cocolitóforos, foraminíferos), así como para organismos marinos más grandes (conchas de moluscos). El carbonato de calcio también se excreta a altas tasas durante la osmorregulación por los peces y puede formarse en eventos de merlán . [9] Si bien esta forma de carbono no se toma directamente del balance atmosférico, se forma a partir de formas disueltas de carbonato que están en equilibrio con el CO 2 y luego son responsables de eliminar este carbono mediante el secuestro. [10]

CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → H + + HCO 3 -
Ca 2+ + 2HCO 3 - → CaCO 3 + CO 2 + H 2 O

Si bien este proceso logra fijar una gran cantidad de carbono, se secuestran dos unidades de alcalinidad por cada unidad de carbono secuestrado. [11] [12] [12] La formación y el hundimiento de CaCO 3 por lo tanto conduce una superficie a un gradiente de alcalinidad profundo que sirve para elevar el pH de las aguas superficiales, cambiando la especiación del carbono disuelto para elevar la presión parcial del CO 2 disuelto en aguas superficiales, lo que en realidad eleva los niveles atmosféricos. Además, el enterramiento de CaCO 3 en sedimentos sirve para reducir la alcalinidad oceánica general , lo que tiende a elevar el pH y, por lo tanto, los niveles de CO 2 atmosférico si no se contrarresta con la nueva entrada de alcalinidad de la intemperie. [13] La porción de carbono que está permanentemente enterrada en el fondo del mar se convierte en parte del registro geológico. El carbonato de calcio a menudo forma depósitos notables que luego pueden elevarse a la tierra a través del movimiento tectónico, como en el caso de los acantilados blancos de Dover en el sur de Inglaterra. Estos acantilados están formados casi en su totalidad por placas de cocolitóforos enterrados . [14]

Bomba de carbonato

Carbón inorgánico disuelto en la superficie del mar

La bomba de carbonato , a veces llamada contrabomba de carbonato, comienza con organismos marinos en la superficie del océano que producen carbono inorgánico particulado (PIC) en forma de carbonato de calcio ( calcita o aragonito , CaCO 3 ). Este CaCO 3 es lo que forma las partes duras del cuerpo como conchas . [5] La formación de estas capas aumenta el CO 2 atmosférico debido a la producción de CaCO 3 [15] en la siguiente reacción con estequiometría simplificada: [16]

California+
2 + 2 HCO-
3 ⇌ CaCO
3 + CO
2 + H
2O [17]

 

 

 

 

( 4 )

Los cocolitóforos , un grupo casi ubicuo de fitoplancton que produce capas de carbonato de calcio, son los contribuyentes dominantes a la bomba de carbonato. [5] Debido a su abundancia, los cocolitóforos tienen implicaciones significativas en la química de los carbonatos, en las aguas superficiales que habitan y en el océano a continuación: proporcionan un gran mecanismo para el transporte descendente de CaCO 3 . [18] El flujo de CO 2 aire-mar inducido por una comunidad biológica marina puede determinarse por la proporción de lluvia: la proporción de carbono del carbonato de calcio en comparación con la del carbono orgánico en las partículas que se hunden en el fondo del océano (PIC / POC ). [17] La bomba de carbonato actúa como una retroalimentación negativa sobre el CO 2 llevado al océano por la bomba de solubilidad. Ocurre con menor magnitud que la bomba de solubilidad.

La bomba de carbonato a veces se denomina componente de "tejido duro" de la bomba biológica . [19] Algunos organismos marinos de superficie, como los cocolitóforos , producen estructuras duras a partir de carbonato de calcio, una forma de carbono inorgánico particulado, mediante la fijación de bicarbonato. [20] Esta fijación de DIC es una parte importante del ciclo del carbono oceánico.

Ca 2+ + 2 HCO 3 - → CaCO 3 + CO 2 + H 2 O

Mientras que la bomba de carbono biológico fija carbono inorgánico (CO 2 ) en carbono orgánico particulado en forma de azúcar (C 6 H 12 O 6 ), la bomba de carbonato fija bicarbonato inorgánico y provoca una liberación neta de CO 2 . [20] De esta forma, la bomba de carbonato podría denominarse contrabomba de carbonato. Funciona en contra de la bomba biológica contrarrestando el flujo de CO 2 de la bomba biológica. [15]

Evento de merlán

Vista aérea de una nube de precipitación de evento de merlán en el lago Ontario

Un evento de merlán es un fenómeno que ocurre cuando una nube suspendida de carbonato de calcio de grano fino precipita en cuerpos de agua , típicamente durante los meses de verano, como resultado de la actividad microbiológica fotosintética o la alteración de los sedimentos . [21] [22] [23] El fenómeno recibe su nombre del color blanco y tiza que imbuye al agua. Se ha demostrado que estos eventos ocurren en aguas templadas y tropicales, y pueden extenderse por cientos de metros. [23] También pueden ocurrir en ambientes marinos y de agua dulce. [24] El origen de los eventos de merlán se debate entre la comunidad científica y no está claro si existe una causa única y específica. Generalmente, se cree que son el resultado de la resuspensión del sedimento del fondo o del aumento de la actividad de cierta vida microscópica, como el fitoplancton . [25] [26] [21] Debido a que los eventos de merlán afectan la química acuática, las propiedades físicas y el ciclo del carbono , estudiar los mecanismos detrás de ellos tiene relevancia científica de varias maneras. [27] [22] [28] [29] [30]

Emiliania huxleyi

Cocolitóforos

Desde la revolución industrial, el 30% del CO 2 antropogénico ha sido absorbido por los océanos, [31] resultando en la acidificación de los océanos , [32] que es una amenaza para las algas calcificantes . [33] [34] Como resultado, ha habido un profundo interés en estas algas calcificantes, impulsado por su papel principal en el ciclo global del carbono. [35] [36] [37] [38] [39] A nivel mundial, los cocolitóforos , en particular Emiliania huxleyi , se consideran las algas calcificantes más dominantes, cuyas floraciones pueden incluso verse desde el espacio exterior. [40] Las algas calcificantes crean un exoesqueleto a partir de las plaquetas de carbonato de calcio ( cocolitos ), proporcionando lastre que mejora el flujo de carbono orgánico e inorgánico a las profundidades marinas. [41] [42] El carbono orgánico se forma mediante la fotosíntesis, donde el CO 2 se fija y se convierte en moléculas orgánicas, lo que provoca la eliminación del CO 2 del agua de mar. Contrariamente a la intuición, la producción de cocolitos conduce a la liberación de CO 2 en el agua de mar, debido a la eliminación de carbonato del agua de mar, lo que reduce la alcalinidad y provoca la acidificación . [43] Por lo tanto, la relación entre el carbono inorgánico particulado (PIC) y el carbono orgánico particulado (POC) es una medida importante para la liberación o absorción neta de CO 2 . En resumen, la relación PIC: POC es una característica clave necesaria para comprender y predecir el impacto del cambio climático en el ciclo global del carbono oceánico . [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50]

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Ciclo anual del Gran Cinturón de Calcita en el Océano Austral

Gran cinturón de calcita

Morfologías de partículas de calcio

Imágenes de microscopio electrónico de barrido de partículas de calcio marino con diferente morfología  [51]
A) y B) Partículas que se asemejan a bacterias y microcolonias de bacterias. B) y D) Partículas similares a los carbonatos de Ca descritos para precipitar sobre la superficie celular de bacterias marinas cultivadas. E) y F) Partículas con una superficie plana que sugiere que se forman en una superficie o interfaz. G y H) Partículas con forma romboédrica. I) y J) partículas en forma de bastón que se asemejan a los ooides de las Bahamas. Todas las barras de escala son 2 µm excepto en d) donde es 1 µm yf) donde es 10 µm.
Las muestras se recolectaron a 5 m de profundidad en Raunefjorden , una estación de muestreo costera al sur de Bergen, Noruega.

  • Coccolithus pelagicus

  • foraminífero

Calcita omega superficial media anual actual: el estado de saturación normalizado de la calcita. Las áreas con un valor menor a 1 indican una probabilidad de disolución (insaturada) mientras que un valor superior a 1 indica áreas con menor probabilidad de disolución (sobresaturación).
Aguas oceánicas estratificadas que muestran la profundidad de compensación de carbonatos y cómo los gradientes de luz, densidad, temperatura y salinidad varían con la profundidad del agua.

Mares de calcita y aragonito

La alternancia de mares de calcita y aragonito a través del tiempo geológico

Un mar de aragonito contiene aragonito y calcita con alto contenido de magnesio como precipitados de carbonato de calcio inorgánico primario. Las condiciones químicas del agua de mar deben ser notablemente altas en contenido de magnesio en relación con el calcio (alta relación Mg / Ca) para que se forme un mar de aragonito. Esto contrasta con un mar de calcita en el que el agua de mar con bajo contenido de magnesio en relación con el calcio (relación Mg / Ca baja) favorece la formación de calcita con bajo contenido de magnesio como precipitado primario de carbonato de calcio marino inorgánico.

Los océanos del Paleozoico Temprano y del Mesozoico Medio a Tardío eran predominantemente mares de calcita, mientras que desde el Paleozoico Medio hasta el Mesozoico Temprano y el Cenozoico (incluido el actual) se caracterizan por mares de aragonito. [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59]

Los mares de aragonito se producen debido a varios factores, el más obvio de ellos es una alta relación Mg / Ca del agua de mar (Mg / Ca> 2), que se produce durante los intervalos de expansión lenta del lecho marino . [55] Sin embargo, el nivel del mar , la temperatura y el estado de saturación de carbonato de calcio del sistema circundante también determinan qué polimorfo de carbonato de calcio (aragonito, calcita con bajo contenido de magnesio, calcita con alto contenido de magnesio) se formará. [60] [61]

Asimismo, la aparición de mares de calcita está controlada por el mismo conjunto de factores que controlan los mares de aragonito, siendo el más obvio una relación Mg / Ca baja en el agua de mar (Mg / Ca <2), que se produce durante intervalos de rápida expansión del lecho marino. [55] [59]

  • profundidad de compensación de carbonato
  • profundidad de compensación de aragonito
  • lisoclina
  • exudado calcáreo
  • Bomba de carbonato
  • Calcificación biogénica marina
  • Línea de nieve: la profundidad a la que el carbonato desaparece de los sedimentos en condiciones de estado estacionario.

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