El Ciclo del Carbono: Geología, biología y el impacto de las actividades humanas
¿Sabías que los científicos han podido estudiar datos climáticos de hace cientos de miles de años? Al observar las burbujas de aire atrapadas en los glaciares, los anillos de los árboles y los sedimentos del fondo del océano, los científicos han medido un aumento del dióxido de carbono en la atmósfera debido a cambios en el ciclo global del carbono, lo que resulta en un cambio climático global con el tiempo.
El carbón es el cuarto elemento de mayor abundancia en el universo y es absolutamente esencial a la vida terrestre. En realidad, el carbón constituye la definición propia de vida y su presencia o ausencia ayuda a definir si una molécula es considerada orgánica o inorgánica. Cada organismo sobre la Tierra necesita del carbón ya sea para su estructura, su energía, o en el caso de los humanos, para ambos. Descontando el agua, somos mitad carbón. Además, el carbón se encuentra en formas tan diversas como en el gas de dióxido de carbón (CO2), y en sólidos como la caliza (CaCO3), la madera, plástico, diamantes y grafito.
En sus diferentes formas, el movimiento del carbón en la atmósfera, océanos, bioesfera, y geoesfera está descrito en el ciclo carbónico (Figura 1). Este ciclo consiste de varias bancos de almacenamiento de carbón (texto negro) y los procesos por los cuales varias de estos bancos o mantos intercambian carbón (las flechas moradas y los números). Si la cantidad de carbón que penetra en un manto es mayor de la que sale, el manto está considerado un pozo neto de carbón. Si la cantidad de carbón que sale de un manto es mayor de la que entra, el manto está considerado una fuente neta de carbón.
Figura 1: Una caricatura del ciclo global carbónico. Los mantos(en negro) son gigatoneladas (1Gt = 1x109 Toneladas) de carbón. Los flujos (en morado) son Gt de carbón por año. La ilustración es cortesía de la Earth Science Enterprise de la NASA.
image ©NASAEl ciclo global carbónico, uno de los ciclos biogeoquímicos más importantes, puede ser dividido en componentes geológicos y biológicos. El ciclo carbónico geológico funciona en una escala temporal de millones de años, mientras que el ciclo carbónico biológico funciona en una escala temporal de días a miles de años.
El ciclo carbónico geológico
Desde la formación de la Tierra, las fuerzas geológicas han actuado paulatinamente sobre el ciclo global carbónico. En períodos de larga duracion, el ácido carbónico (un ácido débil formado por reacciones entre el dióxido de carbón atmosférico, CO2, y el agua) se combina poco a poco con minerales en la superficie de la Tierra. Estas reacciones forman los carbonatos (carbón que contiene compuestos) a través de un proceso llamado desgaste. Luego, a través de la erosión, los carbonatos desembocan en el océano donde terminan asentándose en el fondo.
Este ciclo continúa cuando el asentamiento del fondo del mar, empuja el fondo del mar debajo de los márgenes continentales en un proceso de subducción. A medida que el carbón del fondo del mar sigue siendo empujado al fondo del suelo por las fuerzas tectónicas, se calienta, eventualmente se derrite, y puede vover a la superficie donde se transforma en CO2. De esta manera retorna a la atmósfera. Este retorno a la atmósfera puede ocurrir violentamente a través de erupciones volcánica, o de manera más gradual, en filtraciones, respiraderos y CO2 - ricas vertientes calientes. El levantamiento tectónico también puede exponer caliza enterrada antiguamente. Un ejemplo de esto, ocurre en los Himalayas, donde algunos de los picos más altos del mundo están formados de material que una vez estuvo en el fondo del océano. El desgaste, la subducción y la actividad volcánica controlan las concentraciones atmósfericas de dióxido de carbón a través de períodos de tiempo de cientos de millones de años.
Punto de Comprensión
El ciclo carbónico biológico
La biología ocupa un importante papel en el movimiento del carbón entre la tierra, océano y atmósfera a través del proceso de fotosíntesis y respiración. Virtualmente toda la vida multicelular en la Tierra depende de la produccion de azúcares de la luz solar y del dióxido de carbón (fotosíntesis) y del desgaste metabólico (respiración) de esos azúcares para producir la energía necesaria para el movimiento, crecimiento y reproduccion. Las plantas toman el dióxido de carbón (CO2) de la atmósfera durante la fotosíntesis y sueltan el CO2 a la naturaleza durante la respiración a través de las siguientes reacciones químicas.
Respiración:
C6H12O6 (materia orgánica) + 6O2 
6CO2 + 6 H2O + energía
Fotosíntesis:
energía (luz solar) + 6CO2 + H2O C6H12O6 + 6O2
A través de la fotosíntesis, las plantas verdes usan la energía solar para convertir el dióxido de carbón atmósferico en carbohidratos (azúcares). Las plantas y los animales usan estos carbohidratos (y otros productos derivados de estos) a través de un proceso llamado respiración, el reverso de la fotosíntesis. La respiración suelta la energía contenida en los azúcares para uso del metabolismo y cambia el "combustible" que es el carbohidrato en dióxido de carbón. Éste, a su vez, retorna a la atmósfera. Cada año, la cantidad de carbón tomada por la fotosíntesis y retornada a la atmósfera por la respiración es aproximadamente 1,000 veces mayor que la cantidad de carbón que se mueve a través del ciclo geológico en un año.
En la superficie de la tierra, el mayor intercambio de carbón con la atmósfera resulta de la fotosíntesis y de la respiración. Durante el día, en la estación de crecimiento, las hojas absorben la luz solar y toman dioxido de carbón de la atmósfera. A su vez, las plantas, los animales y los microbios del suelo consumen el carbón en materia orgánica y retornan el dióxido de carbón a la atmósfera. La fotosíntesis cesa en la noche cuando el sol no puede proveer la energía motriz para la reacción. Sin embargo, la respiración continua. Este tipo de diferencia entre estos dos procesos está reflejado en los cambios de estación en las concentraciones atmosféricas del CO2. Durante el invierno, en el hemisferio norte, la fotosíntesis cesa cuando muchas de las plantas pierden sus hojas, pero la respiración continua. Esta condición lleva a un aumento en las concentraciones atmosféricas del CO2 durante le invierno, en el hemisferio norte. Sin embargo, con la llegada de la primavera, la fotosíntesis continúa y las concentraciones atmosféricas del CO2 se reducen. Este ciclo está reflejado en los promedios mensuales (la línea azul claro) de las concentraciones de dióxido de carbón atmosférico mostradas en la Figura 2.
Figura 2: La "Curva Keeling" es un record de largo plazo de la concentración CO2 atmosférica, medida en el observatorio de Mauna Loa (Keeling et al.). A pesar de que las oscilaciones anuales representan variaciones naturales y de estación, el aumento a largo plazo indica que las concentraciones son mayores de lo que han sido en 400,000 años (ver el texto y la Figura 3). El gráfico es cortesía del Earth Observatory de la NASA.
image ©NASAEn los océanos, los fitoplanctones (plantas marinas microscópicas que forman la base de la cadena alimenticia marina) usan carbón para producir conchas de carbonato de calcio (CaCO3). Estas conchas se asientan en el fondo del océano cuando los fitoplanctones mueren y se entierran en los sedimentos. Cuando se entierran, las conchas de fitoplanctones y otras criaturas pueden comprimirse a medida que pasa el tiempo y eventualmente se pueden transformar en caliza. Además, en ciertas condiciones geológicas, la materia orgánica puede ser enterrrada y con el paso del tiempo formar depósitos de carbón que contienen combustible de carbón y petróleo. La materia orgánica que no contiene calcio, es la que se transforma en combustible fósil. Ambas formaciones, de caliza y de combustible fósil, son procesos biológicos controlados y representan hoyos de largo plazo para el CO2 atmosférico.
Punto de Comprensión
La Alteración Humana del Ciclo Carbónico
Recientemente, los científicos han estudiado medidas de niveles de CO2 atmosféricos a corto y largo plazo. Charles Keeling, un oceanógrafo del Scripps Institute of Oceanography, es el responsable de crear el record continuo de mayor duración de las concentraciones atmosféricas de CO2, tomadas en el observatorio de Mauna Loa en Hawai. Sus datos (ahora mundialmente conocidos como la "Curva Keeling", en la Figura 2), revelan que las actividades humanas están alterando significativamente el ciclo carbónico natural. Desde el principio de la revolución industrial hace aproximadamente 150 años, las actividades humanas, como la quema de combustible de fósiles y la desforestación, han acelerado y contribuido a un aumento a largo plazo del CO2 atmosférico. Quemar aceite y carbón suelta carbón en la atmósfera mucho más rápido de lo que se quita. Esta diferencia causa el aumento de las concentraciones del dióxido de carbón atmosférico. Además, al limpiar los bosques, reducimos la capacidad de la fotosíntesis para eliminar el CO2 de la atmósfera, lo cual resulta también en un aumento neto. Debido a estas actividades humanas, las concentraciones atmosféricas del dióxido de carbón son actualmente mayores de lo que han sido en el último medio millón de años o más.
Debido a que el CO2 aumenta la capacidad de la atmosféra para retener calor, ha sido llamado un "gas invernadero". Los científicos creen que el aumento de CO2 ya está causando importantes cambios clímaticos globales. Muchos atribuyen el aumento de 0.6 grados C observado en el promedio de las temperaturas globales durante el último siglo, principalmente al aumento del CO2 atmosférico. Sin cambios sustantivos en los modelos de consumo de combustible fósil y de desforestación, las tendencias de calentamiento probablemente continuarán. La mejor estimación científica es que el promedio de la temperatura global aumentará entre 1.4 y 5.8 grados C durante el próximo siglo como resultado de un aumento del CO2 atmosférico y otros gases de invernadero. Este tipo de aumento en la temperatura global causaría aumentos significativos en los niveles promedios marítimos (0.09-0.88 metros), los que expondría a cada vez más frecuentes y severas inundaciones a ciudades costeras de bajo nivel o ciudades cerca de la corriente de ríos como Nueva Orleans, Portland, Washington, y Filadelfia. El calentamiento global también puede causar retiros glaciares y cambios en las escalas de las especies. Queda ver si las especies relativamente imóviles como los árboles, pueden cambiar sus escalas suficientemente rápido para mantener el ritmo del calentamiento.
Sin embargo, aún sin los cambios en el clima, el aumento de las concentraciones de CO2 puede tener un importante impacto en los patrones del desarrollo de las plantas a nivel mundial. Ya que algunas de las especies de plantas responden de manera más favorable que otras a los aumentos de CO2 , los científicos creen que debido al aumento de concentraciones atmósfericas de CO2, veremos cambios pronunciados en algunas especies de plantas, aún sin cambios en la temperatura. Por ejemplo, bajo condiciones elevadas de CO2, se cree que los arbustos responden de manera más favorable que algunas especies de pasto, debido a que tienen un camino de fotosíntesis ligeramente diferente. Debido a esta inequidad competitiva, algunos científicos tienen la hipótesis que los campos de pasto serán invadidos por especies de pasto o de arbustos que responde mejor al CO2 a medida que el CO2 aumenta.
Figura 3
: El CO2 en los últimos 140,000 años como se ha visto en el centro o nucleo del hielo y en los registros modernos de Mauna Loa. La línea roja representa concentraciones previsibles. La figura es cortesía de Rebecca Dorsey, University of Oregon.Punto de Comprensión
Cómo estudian los científicos la atmósfera y el clima del pasado
En un intento para entender si los cambios recientementes observados en el ciclo carbónico global son un fenómeno nuevo, o si han ocurrido a través de la historia geológica, los científicos han hecho esfuerzos considerables para desarrollar métodos con el fin de entender la atmósfera y el clima de la Tierra en el pasado. Estas técnicas para encontrar pistas sobre el clima y la atmósfera del pasado, incluyen el análisis de burbujas de gas atrapadas en hielo, de los anillos de los árboles y de los sedimentos de los océanos y lagos. Juntas, estas técnicas sugieren que en los últimos 20 millones de años, el clima de la Tierra ha oscilado entre condiciones relativamente cálidas y relativamente frías llamadas periodos interglaciares y glaciares. Durante los periodos interglaciares las concentraciones atmosféricas de CO2 eran relativamente elevadas y durante los periodos glaciares las concentraciones de CO2 eran relativamente bajas. Actualmente estamos en un periodo interglaciar cálido y las actividades humanas están empujando el aumento de las concentraciones de CO2 más de lo que han sido en cientos de miles de años (Figura 3).
Entender y mitigar los impactos negativos del enriquecimiento atmosférico de CO2 constituyen dos de los desafíos centrales a los cuales se enfrentan los científicos ambientales y los responsables de crear e implementar las políticas ambientales. Para poder atender esta cuestión, la comunidad científica ha formado el Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Este panel es un consorcio internacional e interdisciplinario que incluye miles de expertos clímaticos que colaboran para producir informes consensuados sobre la ciencia del cambio climático. Muchas naciones han aceptado las condiciones especificadas por el Protocolo de Kyoto, un tratado multilateral que tiene la intención de impedir los impactos negativos asociados con los cambios climáticos producidos por los humanos. Los Estados Unidos, que es actualmente la nación responsable de aproximadamente un cuarto de las emisiones globales de CO2, hasta ahora ha declinado participar en el Protocolo de Kyoto.
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