Ciclo geoquímico del carbono
El ciclo geoquímico del carbono es un conjunto de procesos que transfieren carbono entre diferentes yacimientos geoquímicos . En la historia de la Tierra, el ciclo del carbono ha cambiado de manera bastante significativa, estos cambios han sido cambios lentos y graduales y eventos catastróficos abruptos. Los organismos vivos han jugado y continúan jugando el papel más importante en el ciclo del carbono . En varias formas, el carbono está presente en todas las capas de la Tierra .
El ciclo geoquímico del carbono tiene varias características importantes:
- En diferentes momentos, diferentes procesos fueron decisivos en el ciclo del carbono.
- Los cambios abruptos y catastróficos en el ciclo del carbono han jugado un papel clave en la evolución del ciclo del carbono en la historia de la Tierra.
- El ciclo geoquímico del carbono siempre ocurre a través de la atmósfera y la hidrosfera . Por lo tanto, incluso los procesos más profundos pueden afectar el medio ambiente y la biosfera .
El registro geoquímico del ciclo del carbono se ha estudiado de manera desigual a lo largo de la escala de tiempo geológico. El más estudiado en este sentido es el período Cuaternario , el período geológico más reciente y más corto, ya que, por un lado, la historia del ciclo del carbono en él está registrada de manera más completa por los glaciares del Ártico y la Antártida . Por otro lado, durante este tiempo se estaban produciendo cambios significativos en el ciclo del carbono, y están inextricablemente vinculados al cambio climático .
Al estudiar los cambios en los ciclos geoquímicos de los elementos, es necesario tener en cuenta la escala de tiempo de los fenómenos. Algunos procesos pueden introducir cambios sutiles que se vuelven decisivos a lo largo de largos periodos geológicos. Otros cambios pueden ser catastróficos y ocurrir en muy poco tiempo. Al mismo tiempo, el concepto de tiempo, las características "largo" y "lento" en este contexto son relativas. Un ejemplo de un evento geológicamente instantáneo en el ciclo geoquímico del carbono es el Máximo Térmico del Paleoceno Tardío .
Formas de carbono
El carbono está presente en la naturaleza en varias formas básicas:
- la forma reducida en forma de metano y otros hidrocarburos se encuentra en el manto , la corteza , la atmósfera y la hidrosfera
- en estado neutro como carbón , grafito , diamante y carburo en la corteza y el manto
- en forma oxidada como dióxido de carbono , carbonatos e impurezas en silicatos en el manto, la corteza y la atmósfera y la hidrosfera
- En forma de compuestos orgánicos complejos, el carbono se concentra en la biosfera , el suelo y el océano.
La transferencia de carbono entre diferentes reservorios geoquímicos se realiza a través de la atmósfera y los océanos. Al mismo tiempo, el carbono en la atmósfera se encuentra en forma de dióxido de carbono y metano.
Carbono en la atmósfera
En la atmósfera, el carbono está contenido en forma de dióxido de carbono (CO 2 ), monóxido de carbono (CO), metano (CH 4 ) y algunos otros hidrocarburos [1] . El contenido de CO 2 es ahora ~0,04 % (aumentado en un 31 % en comparación con la era preindustrial), metano ~1,7 ppm (aumentado en un 149 %), dos órdenes de magnitud menos que el CO 2 ; Contenido de CO ~0,1 ppm. El metano y el dióxido de carbono crean el efecto invernadero , el monóxido de carbono no.
Para los gases atmosféricos, se utiliza el concepto de tiempo de vida del gas en la atmósfera , es decir, el tiempo durante el cual entra en la atmósfera tanto gas como está contenido en la atmósfera. La vida útil del metano se estima en 10 a 14 años, y la vida útil del dióxido de carbono se estima en 3 a 5 años. El CO se oxida a CO 2 en unos pocos meses.
El metano ingresa a la atmósfera como resultado de la descomposición anaeróbica de los residuos vegetales. Las principales fuentes de metano en la atmósfera moderna son los pantanos y los bosques tropicales.
La atmósfera moderna contiene una gran cantidad de oxígeno y el metano que contiene se oxida rápidamente. Así, ahora el ciclo dominante es el ciclo del CO 2 , sin embargo, en la historia temprana de la Tierra, la situación era fundamentalmente diferente y dominaba el ciclo del metano, mientras que el ciclo del dióxido de carbono tenía una importancia secundaria. El dióxido de carbono atmosférico es una fuente de carbono para otras geosferas cercanas a la superficie.
Carbono en el océano
El océano es un reservorio de carbono extremadamente importante. La cantidad total del elemento que contiene es 100 veces mayor que la que contiene la atmósfera. El océano a través de la superficie puede intercambiar dióxido de carbono con la atmósfera y también, a través de la precipitación y disolución de carbonatos, con la cubierta sedimentaria de la Tierra. El carbono disuelto en el océano existe en tres formas principales:
- carbono inorgánico
- CO2 disuelto
- HCO3 - _
- CO 3 2−
- carbono orgánico concentrado en organismos oceánicos
La hidrosfera se puede dividir en tres depósitos geoquímicos: la capa cercana a la superficie, las aguas profundas y una capa de sedimentos marinos reactivos capaces de intercambiar dióxido de carbono con agua. Estos reservorios difieren en su tiempo de respuesta a cambios externos en el ciclo del carbono.
Carbono en la corteza terrestre
El contenido de carbono en la corteza terrestre es de alrededor del 0,27%. Con el advenimiento de la era industrial, la humanidad comenzó a utilizar el carbono de este depósito y transferirlo a la atmósfera. El académico Vernadsky comparó este proceso con una poderosa fuerza geológica, similar a la erosión o el vulcanismo.
Reservas de carbono
Teniendo en cuenta el ciclo del carbono, tiene sentido comenzar con estimaciones de la cantidad de carbono concentrado en varios reservorios terrestres. En este caso, consideraremos el estado del sistema para 1850, antes del inicio de la era industrial, cuando comenzaron las emisiones masivas de productos de la combustión de combustibles fósiles a la atmósfera.
Hay poco carbono en la atmósfera en comparación con el océano y la corteza terrestre, pero el dióxido de carbono atmosférico es muy activo, es el material de construcción de la biosfera terrestre.
El metano no es estable en la atmósfera oxidante moderna; en la atmósfera superior, con la participación de iones hidroxilo , reacciona con el oxígeno, formando el mismo dióxido de carbono y agua. Los principales productores de metano son las bacterias anaerobias que procesan la materia orgánica formada como resultado de la fotosíntesis . La mayor parte del metano ingresa a la atmósfera desde los pantanos.
Para los gases de la atmósfera se introduce el concepto de tiempo de vida, es decir, el tiempo durante el cual entra en la atmósfera una masa de gas igual a la masa de este gas en la atmósfera. Para el CO 2 la vida útil se estima en 5 años. Por extraño que parezca, la vida útil del metano inestable en la atmósfera es mucho más larga: unos 15 años. El hecho es que el dióxido de carbono atmosférico está involucrado en una circulación extremadamente activa con la biosfera terrestre y el océano mundial, mientras que el metano en la atmósfera solo se descompone.
| Tanque de almacenamiento | cantidad de carbono en gigatoneladas C |
|---|---|
| atmósfera | 590 |
| Oceano | (3.71-3.9)⋅10 4 |
| capa superficial, carbono inorgánico | 700-900 |
| aguas profundas, carbono inorgánico | 35.600—38.000 |
| todo el carbono biológico de los océanos | 685-700 |
| biota de agua dulce | 1-3 |
| biota terrestre y suelo | 2000-2300 |
| plantas | 500-600 |
| suelo | 1500-1700 |
| sedimentos marinos capaces de intercambiar carbono con el agua del océano |
3000 |
| sedimentos inorgánicos, principalmente carbonatados | 2500 |
| sedimento organico | 650 |
| ladrar | (7.78-9.0)⋅10 7 |
| carbonatos sedimentarios | 6.53⋅10 7 |
| carbón orgánico | 1.25⋅10 7 |
| manto | 3.24⋅10 8 |
| combustible fósil | ~4130 |
| aceite | 636-842 |
| gas natural | 483-564 |
| carbón | 3100-4270 |
Flujos de carbono entre reservorios
Hay ciclos de carbono rápidos y lentos. El flujo lento del ciclo del carbono está asociado con el almacenamiento de carbono en las rocas y puede continuar durante cientos de millones de años. Alrededor del 80% de las rocas que contienen carbono se formaron en el Océano Mundial a partir de depósitos de partes de organismos que contienen carbonato de calcio. [3]
| Subprocesos de bucle lento | gigatoneladas por año |
| entierro de carbonato | 0,13-0,38 (0,7-1,4 [4] ) |
| almacenamiento de carbono orgánico | 0,05-0,13 |
| Deriva del río a los océanos, carbono inorgánico disuelto | 0,39-0,44 |
| La deriva del río a los océanos, todo el carbono orgánico | 0,30-0,41 |
| Transporte de carbono orgánico disuelto por los ríos | 0,21-0,22 |
| Transporte fluvial de carbono orgánico particulado | 0,17-0,30 |
| Vulcanismo | 0.04-0.10 |
| eliminación del manto | 0.022-0.07 |
La duración del ciclo rápido del carbono está determinada por la vida útil del organismo . Representa el intercambio de carbono directamente entre la biosfera (organismos vivos durante la respiración, nutrición y excreción, así como organismos muertos durante la descomposición) y la atmósfera y la hidrosfera. [5]
| Subprocesos de bucle rápido | gigatoneladas por año |
| fotosíntesis atmosférica | 120+3 |
| respiración de las plantas | 60 |
| respiración de microorganismos y descomposición | 60 |
| emisión antropogénica | 3 |
| intercambio con el océano | 90+2 |
(Los números después del signo "+" indican influencia antropogénica ).
Cambios en el ciclo del carbono
Historia precámbrica
En las primeras etapas del desarrollo de la tierra, la atmósfera se estaba reduciendo y el contenido de metano y dióxido de carbono era mucho mayor que ahora. Estos gases tienen un importante efecto invernadero, y esto explica la paradoja del débil sol joven , que consiste en la discrepancia entre las estimaciones de la luminosidad antigua del sol y la presencia de agua en la superficie del planeta.
En el Proterozoico tuvo lugar un cambio cardinal en el ciclo del carbono: del ciclo del metano al ciclo del dióxido de carbono. Las bacterias fotosintéticas comenzaron a producir oxígeno, que originalmente se usaba para oxidar los hidrocarburos atmosféricos, el hierro disuelto en los océanos y otras fases reducidas. Cuando estos recursos se agotaron, el contenido de oxígeno en la atmósfera comenzó a aumentar. Al mismo tiempo, el contenido de gases de efecto invernadero en la atmósfera disminuyó y comenzó la Edad de Hielo del Proterozoico.
La Edad de Hielo del Proterozoico, que tuvo lugar en la frontera del Proterozoico y el Vendian, fue una de las glaciaciones más fuertes en la historia de la Tierra. Los datos paleomagnéticos indican que en ese momento la mayoría de los bloques de la corteza continental estaban ubicados en latitudes ecuatoriales, y se encontraron rastros de glaciación en casi todos ellos. Hubo varias glaciaciones durante la Edad de Hielo del Proterozoico, todas ellas acompañadas de cambios significativos en la composición isotópica de carbono de las rocas sedimentarias. Con el comienzo de la glaciación, el carbono de los sedimentos adquiere una composición mucho más ligera, se cree que la razón de este cambio es la extinción masiva de organismos marinos que absorbieron selectivamente el isótopo ligero de carbono. Durante los periodos interglaciares, la composición isotópica se revirtió debido al rápido desarrollo de la vida, que acumuló una parte importante del isótopo ligero de carbono y aumentó la relación 13 C/ 12 C en el agua de mar.
En el caso de la glaciación proterozoica, se supone que la causa del retroceso de los glaciares (en términos generales, la glaciación es estable y sin factores adicionales puede existir indefinidamente) podrían ser las emisiones volcánicas de gases de efecto invernadero a la atmósfera.
Fanerosa
En el Fanerozoico , la atmósfera contenía una cantidad importante de oxígeno y tenía un carácter oxidativo. Predominó el ciclo del dióxido de carbono del ciclo del carbono.
No se dispone de datos directos sobre las concentraciones de carbono precuaternario en la atmósfera y el océano. La historia del ciclo del carbono en este momento se puede rastrear por la composición isotópica del carbono en las rocas sedimentarias y su abundancia relativa. De estos datos se deduce que en el Fanerozoico el ciclo del carbono experimentó cambios a largo plazo que se correlacionan con épocas de formación de montañas . Durante la activación de los movimientos tectónicos, la deposición de rocas carbonatadas se intensifica y su composición isotópica se vuelve más pesada, lo que corresponde a un aumento en la remoción de carbono de una fuente cortical que contiene principalmente carbono pesado. Por lo tanto, se cree que los principales cambios en el ciclo del carbono ocurrieron debido a una mayor erosión de los continentes como resultado de la formación de montañas.
Período cuaternario
La historia de los cambios en el contenido de CO 2 y CH 4 en la atmósfera en el período Cuaternario se conoce relativamente bien a partir del estudio de los casquetes polares de Groenlandia y la Antártida (se registra una historia de hasta unos 800 mil años en los glaciares), mejor que para cualquier período de la historia de la Tierra. El período Cuaternario (los últimos 2,6 Ma) se diferencia de otros períodos geológicos por épocas cíclicas de glaciaciones e interglaciales . Estos cambios climáticos están fuertemente correlacionados con cambios en el ciclo del carbono. Sin embargo, incluso en este caso tan estudiado, no existe una claridad completa sobre las causas de los cambios cíclicos y la relación de los cambios geoquímicos con los climáticos.
El período Cuaternario estuvo marcado por múltiples glaciaciones sucesivas. El contenido atmosférico de CO 2 y CH 4 varió de acuerdo con las variaciones de temperatura y entre sí. A su vez, de este registro paleoclimático se desprenden las siguientes observaciones:
- Todos los ciclos glaciales-interglaciales del último millón de años tienen una periodicidad de unos 100 mil años, en el intervalo de tiempo de hace 1-2,6 millones de años, es típica una periodicidad de unos 41 mil años.
- Cada glaciación va acompañada de una disminución de la concentración atmosférica de CO 2 y CH 4 (los contenidos característicos son 200 ppm y 400 ppb , respectivamente)
- Los periodos interglaciares comienzan con un fuerte aumento geológico instantáneo en las concentraciones de CO 2 y CH 4 .
- Durante los períodos interglaciales, existe un gradiente de concentración de CH 4 entre los hemisferios norte y sur . Las composiciones del aire obtenidas de los glaciares de Groenlandia son sistemáticamente 40-50 ppb mayores que las de la Antártida. Durante las glaciaciones, las concentraciones de metano en ambos hemisferios caen y se estabilizan.
- Durante las glaciaciones, el contenido del isótopo de carbono ligero disminuye.
Algunos de estos hechos pueden ser explicados por la ciencia moderna, pero la cuestión de causa y efecto, por supuesto, aún no ha sido respondida.
El desarrollo de la glaciación conduce a una disminución del área y la masa de la biosfera terrestre. Dado que todas las plantas absorben selectivamente un isótopo de carbono ligero de la atmósfera, cuando los glaciares avanzan, todo este carbono ligero ingresa a la atmósfera y, a través de ella, al océano. Con base en la masa moderna de la biosfera terrestre, su composición isotópica promedio y datos similares sobre el océano y la atmósfera, y conociendo el cambio en la composición isotópica del océano durante las glaciaciones a partir de los restos de organismos marinos, el cambio en la masa de se puede calcular la biosfera terrestre durante las glaciaciones. Tales estimaciones se hicieron y ascendieron a 400 gigatoneladas en comparación con la masa moderna. Así, se explicó el cambio en la composición isotópica del carbono.
Todas las glaciaciones del Cuaternario se desarrollaron más en el hemisferio norte, donde hay grandes extensiones continentales. El hemisferio sur está dominado por océanos y casi no hay grandes pantanos, fuentes de metano. Los pantanos se concentran en la zona tropical y la zona norte boreal.
El desarrollo de la glaciación conduce a una disminución de los pantanos del norte, una de las principales fuentes de metano (y al mismo tiempo absorbentes de CO 2 ). Por tanto, durante los periodos interglaciales, cuando la superficie de marismas es máxima en el hemisferio norte, la concentración de metano es mayor. Esto explica la presencia de un gradiente de concentración de metano entre los hemisferios durante los períodos interglaciares.
Influencia antropogénica en el ciclo del carbono
Las actividades humanas han traído nuevos cambios al ciclo del carbono. Con el advenimiento de la era industrial, las personas comenzaron a quemar cada vez más combustibles fósiles : carbón, petróleo y gas, acumulados durante millones de años de existencia de la Tierra. La humanidad ha traído cambios significativos en el uso de la tierra: tala de bosques , drenaje de pantanos e inundación de tierras que antes estaban secas. Pero toda la historia del planeta consiste en eventos grandiosos, por lo tanto, al hablar sobre el cambio en el ciclo del carbono por parte del hombre, es necesario equilibrar la escala y la duración de este impacto con los eventos del pasado.
El dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero antropogénico más importante, su concentración en la atmósfera ha excedido significativamente su rango natural durante los últimos 650 mil años [7] .
Desde 1850, la concentración de CO 2 en la atmósfera ha aumentado un 31 % y la de metano un 149 %, lo que varios investigadores asocian con la influencia antropogénica, y según el IPCC de la ONU, hasta un tercio del CO antropogénico total. 2 las emisiones son el resultado de la deforestación . [ocho]
Varios trabajos indican un aumento de los gases de efecto invernadero debido al final de la Pequeña Edad de Hielo del siglo XVI, el calentamiento posterior y la liberación de las reservas asociadas de gases de efecto invernadero. Al mismo tiempo, debido al calentamiento del océano, por un lado, se libera CO 2 disuelto y, por otro lado, los clatratos de metano se derriten y se descomponen, lo que conduce a su liberación en el océano y la atmósfera.
Véase también
- Dióxido de carbono en la atmósfera terrestre
- Máximo térmico del Paleoceno tardío
- Climatizado
- Isótopos de carbono
- resonancia estocástica
- Calentamiento global
Notas
- ↑ Andrews J. et al. Una introducción a la química ambiental. Londres: Blackwell Science. 1996. 209 págs.
- ↑ Tabla 1 (enlace descendente) Falkowski, P.; Scholes, RJ; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; Mackenzie, FT; Moore b, 3.; Pedersen, T.; Rosenthal, Y.; Seitzinger, S.; Smetacek, V.; Steffen, W. El ciclo global del carbono: una prueba de nuestro conocimiento de la Tierra como sistema // Ciencia: revista. - 2000. - vol. 290 , núm. 5490 . - pág. 291-296 . -doi : 10.1126 / ciencia.290.5490.291 . - . —PMID 11030643 .
- ↑ El ciclo del carbono: artículos destacados . Consultado el 17 de diciembre de 2012. Archivado desde el original el 16 de junio de 2012.
- ↑ Elementos - noticias científicas: Los peces marinos contribuyen notablemente a la formación de carbonatos . Consultado el 13 de diciembre de 2016. Archivado desde el original el 9 de diciembre de 2016.
- ↑ El ciclo del carbono: artículos destacados . Consultado el 17 de diciembre de 2012. Archivado desde el original el 30 de diciembre de 2012.
- ↑ El ciclo del carbono: artículos destacados . Consultado el 17 de diciembre de 2012. Archivado desde el original el 18 de julio de 2012.
- ↑ Copia archivada (enlace no disponible) . Consultado el 28 de abril de 2013. Archivado desde el original el 30 de octubre de 2012.
- ↑ https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter7-1.pdf Archivado el 3 de agosto de 2019 en el Cuarto Informe de Evaluación del IPCC de Wayback Machine , Informe del Grupo de Trabajo I "The Bases de la ciencia física”, Sección 7.3.3.1.5 (pág. 527)
Literatura
- Odum Y. Ecología: en 2 volúmenes / trad. De inglés. — M.:. Mir, 1986. - T. 1. - S. 225-229.
- Shilov I. A. Ecología. - M.: Escuela Superior, 1997. - S. 49-50.
- Circulación de sustancias // Gran Enciclopedia Soviética : [en 30 volúmenes] / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M. : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
- Enciclopedia de la vida salvaje. / Cap. editor: acad. Chubaryan A. O.. - M. : Exlibris, 2006. - V. 5. - S. 10. - 160 p.
- Roberto Hazen . Sinfonía nº 6 Carbono y la evolución de casi todo = Robert M. Hazen. Sinfonía en do: el carbono y la evolución de (casi) todo / Anastasia Naumenko. - M. : Alpina no ficción, 2021. - 410 p. - ISBN 978-5-00139-283-5 .
Enlaces
- Ciclo del carbono // Enciclopedia " Krugosvet ".
- El ciclo del carbono en la naturaleza .
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