Dióxido de carbono en la atmósfera terrestre

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El dióxido de carbono en la atmósfera terrestre es un componente con una concentración insignificante en la atmósfera terrestre moderna , la concentración de dióxido de carbono ( CO 2 , dióxido de carbono ) en el aire seco es 0.03-0.045 vol. % ( 300-450 ppm ). El dióxido de carbono formó la base de la atmósfera de la joven Tierra, junto con el nitrógeno y el vapor de agua. La proporción de dióxido de carbono ha ido disminuyendo desde la aparición de los océanos y el comienzo de la vida. Desde mediados del siglo XIX , ha habido un aumento constante en la cantidad de este gas en la atmósfera; desde noviembre de 2015, su concentración promedio mensual ha superado constantemente las 400 ppm [1] , y en 2022 fue de una y media. veces superior al nivel preindustrial [2] .

El papel del dióxido de carbono en la vida de la biosfera es principalmente mantener la fotosíntesis , que es llevada a cabo por las plantas . Al ser un gas de efecto invernadero , el dióxido de carbono en el aire afecta el intercambio de calor del planeta con el espacio circundante, bloqueando efectivamente el calor reirradiado en varias frecuencias y, por lo tanto, participa en la formación del clima del planeta [3] .

En relación con el uso activo por parte de la humanidad de portadores de energía fósil como combustible, se produce un rápido aumento de la concentración de este gas en la atmósfera. Además, según el IPCC de la ONU , hasta el 20% de las emisiones antropogénicas de CO 2 son el resultado de la deforestación [4] [5] . Por primera vez, la influencia antropogénica en la concentración de dióxido de carbono se ha observado desde mediados del siglo XIX . A partir de ese momento, su tasa de crecimiento aumentó y en la década de 2010 se produjo a una tasa de 2 a 3 ppm/año [6] o 0,5 a 0,7 % por año. Según estudios separados, el nivel actual de CO 2 en la atmósfera es el más alto de los últimos 800 mil años y, posiblemente, de los últimos 14 [7] o 20 millones de años [8] [9] .

Papel en el efecto invernadero

La principal fuente del efecto invernadero en la atmósfera terrestre es el agua gaseosa presente en el aire en forma de vapor de agua [10] . En ausencia de gases de efecto invernadero en la atmósfera y el valor de la constante solar igual a 1368 W ⁄ m 2 , la temperatura media de la superficie debería ser de −19,5 °C. De hecho, la temperatura media de la superficie terrestre es de +14 °C, es decir, el efecto invernadero provoca su aumento en 34 °C [11] . En una concentración relativamente baja en el aire, el CO 2 es el segundo gas de efecto invernadero más importante de la atmósfera, ya que absorbe y reirradia radiación infrarroja en varias longitudes de onda , incluida una longitud de onda de 4,26 micras ( modo vibratorio  , debido al estiramiento asimétrico de la molécula) y 14, 99 µm (vibraciones de flexión de la molécula). Este proceso elimina o reduce la radiación de la Tierra hacia el espacio en estas longitudes de onda, lo que conduce al efecto invernadero [3] . Dado que en las principales frecuencias de absorción, el CO 2 atmosférico excluye por completo la reemisión al espacio, el aumento actual de la concentración afecta solo a las bandas de absorción, donde su efecto actual en el espectro de reemisión de la Tierra conduce solo a una absorción parcial. En general, la presencia de dióxido de carbono y su efecto invernadero en la atmósfera provoca un aumento de la temperatura superficial de unos +8 ± 1 °C, y la humedad del aire es responsable del resto del efecto invernadero con poca influencia de otros gases . 12] .

Además de las propiedades infrarrojas del dióxido de carbono, es significativo el hecho de que sea más pesado que el aire . Dado que la masa molar relativa media del aire es de 28,98 g/ mol y la masa molar del CO2  es de 44,01 g/mol , un aumento de la proporción de dióxido de carbono provoca un aumento de la densidad del aire y, en consecuencia, un cambio de su perfil de presión en función de la altura. Debido a la naturaleza física del efecto invernadero, tal cambio en las propiedades de la atmósfera conduce a un aumento en la temperatura promedio de la superficie [13] . Dado que con un aumento en la proporción de este gas en la atmósfera, su gran masa molar conduce a un aumento en la densidad y la presión, entonces, a la misma temperatura, un aumento en la concentración de CO 2 conduce a un aumento en la capacidad de humedad de el aire y a un aumento del efecto invernadero debido a una mayor cantidad de agua en la atmósfera [14 ] [15] [16] . Aumentar la proporción de agua en el aire para alcanzar el mismo nivel de humedad relativa  - debido a la baja masa molar del agua ( 18 g/mol ) - reduce la densidad del aire, lo que compensa el aumento de densidad provocado por la presencia de un aumento del nivel de dióxido de carbono en la atmósfera.

La combinación de estos factores generalmente conduce al hecho de que un aumento en la concentración desde un nivel preindustrial de 280 ppm a un moderno 392 ppm (414,7 ppmv en promedio para 2021 [17] ) es equivalente a una liberación adicional de 1,8 W por metro cuadrado de la superficie del planeta [18 ] . Una característica distintiva de las propiedades de efecto invernadero del dióxido de carbono en comparación con otros gases es su impacto a largo plazo en el clima, que, después del cese de la emisión que lo provocó, permanece prácticamente constante hasta por mil años. Otros gases de efecto invernadero, como el metano y el óxido nítrico , permanecen libres en la atmósfera por un corto tiempo [19] [20] [21] .

Papel en el enfriamiento

La teoría del calentamiento global no puede explicar el hecho de que el contenido de dióxido de carbono alguna vez fue muchas veces mayor (especialmente antes del advenimiento del oxígeno), pero la vida surgió y floreció, el escenario de Venus no se materializó. Esto sugiere la presencia de retroalimentación negativa. Tal efecto de "enfriamiento" pueden ser nubes que reflejan la radiación solar y ocurren con un contenido de dióxido de carbono aún mayor que el que hay ahora. Ambos fenómenos, el calentamiento y el enfriamiento, son pues mecanismos estabilizadores de las condiciones de vida en la Tierra [22] .

Fuentes de dióxido de carbono

Las fuentes naturales de dióxido de carbono en la atmósfera incluyen erupciones volcánicas , la combustión de materia orgánica en el aire y la respiración de la vida silvestre ( organismos aeróbicos ). Además, el dióxido de carbono es producido por algunos microorganismos como resultado del proceso de fermentación , respiración celular y en el proceso de descomposición de los residuos orgánicos en el aire. Las fuentes antropogénicas de emisiones de CO 2 a la atmósfera incluyen: la combustión de portadores de energía fósiles y no fósiles para producir calor, generar electricidad y transportar personas y mercancías. Algunas actividades industriales dan lugar a importantes emisiones de CO 2 , como la producción de cemento y la utilización de los gases de petróleo asociados quemándolos .

Las plantas convierten el dióxido de carbono que reciben en carbohidratos a través de la fotosíntesis , que es llevada a cabo por el pigmento clorofila , que aprovecha la energía de los rayos del sol . El gas resultante, el oxígeno , se libera a la atmósfera terrestre y los organismos heterótrofos y otras plantas lo utilizan para la respiración , formando así el ciclo del carbono .

Fuentes naturales

La mayoría de las fuentes de emisión según los datos del año 98 de la RF CO 2 son naturales. La descomposición de la materia orgánica, como los árboles muertos y la hierba, libera anualmente 220 mil millones de toneladas de dióxido de carbono, los océanos de la Tierra emiten 330 mil millones [18] . Los incendios que se producen, incluso por causas naturales, por el propio proceso de combustión en la atmósfera y, en el caso de la quema de áreas forestales, por la deforestación, provocan emisiones comparables a las antropogénicas. Por ejemplo, durante los incendios forestales y de turba de Indonesia de 1997Se liberó del 13 al 40 % de la emisión media anual de CO 2 procedente de la combustión de combustibles fósiles [23] [24] . La actividad volcánica fue la principal fuente de dióxido de carbono durante la Tierra primitiva, en el período geológico moderno, la emisión volcánica es de alrededor de 130 a 230 millones de toneladas por año, o menos del 1% de la antropógena [25] [26] .

Normalmente, estas fuentes naturales están en equilibrio con los procesos físicos y biológicos que eliminan el dióxido de carbono de la atmósfera: parte del CO 2 se disuelve en el agua de mar y otra parte se elimina del aire durante la fotosíntesis. Como normalmente durante este proceso se absorben 5,5⋅10 11 toneladas de dióxido de carbono por año, y su masa total en la atmósfera terrestre es de 3,03 ⋅10 12 toneladas, entonces, en promedio, todo el CO 2 atmosférico participa en el ciclo del carbono una vez cada seis años [ 18] . Debido a la presencia de emisiones antropogénicas, la absorción de CO 2 por la biosfera superó su liberación en ≈ 17 mil millones de toneladas a mediados de la década de 2000, la tasa de su absorción tiene una tendencia constante a aumentar junto con un aumento en la concentración atmosférica [18 ] [27] .

Emisiones antropogénicas

Con el advenimiento de la revolución industrial a mediados del siglo XIX , se produjo un aumento progresivo de las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono a la atmósfera, lo que provocó un desequilibrio en el ciclo del carbono y un aumento de la concentración de CO 2 . Actualmente, alrededor del 57% del dióxido de carbono producido por la humanidad es eliminado de la atmósfera por las plantas y los océanos [28] . La relación entre el aumento de la cantidad de CO 2 en la atmósfera y el total de CO 2 emitido es un valor constante de alrededor del 45 % y sufre fluctuaciones a corto plazo y fluctuaciones con un período de cinco años [27] .

La combustión de combustibles fósiles como el carbón , el petróleo y el gas natural es la principal causa de las emisiones antropogénicas de CO2 . La deforestación es la segunda causa principal. En 2008, como resultado de la quema de combustibles fósiles, se liberaron a la atmósfera 8.670 millones de toneladas de carbono ( 31.800 millones de toneladas de CO 2 ), mientras que en 1990 la emisión anual de carbono fue de 6.140 millones de toneladas [29] . La deforestación para el uso de la tierra ha resultado en un aumento del dióxido de carbono atmosférico equivalente a la quema de 1.200 millones de toneladas de carbón en 2008 ( 1.640 millones de toneladas en 1990) [29] . El aumento acumulado en 18 años es del 3% del ciclo natural anual de CO 2 , lo que es suficiente para desequilibrar el sistema y acelerar el crecimiento de los niveles de CO 2 [30] . Como resultado, el dióxido de carbono se acumula gradualmente en la atmósfera, y en 2009 su concentración era un 39 % superior al valor preindustrial [31] .

Así, a pesar de que (a 2011) la emisión antropógena total de CO 2 no supera el 8% de su ciclo natural anual, se produce un aumento de la concentración debido no sólo al nivel de emisiones antropógenas, sino también a la constante aumento del nivel de emisiones a lo largo del tiempo.

El cambio de temperatura y el ciclo del carbono

Otros factores que aumentan el CO 2 atmosférico incluyen un aumento de la temperatura media en el siglo XX , que debería haberse reflejado en la aceleración de la descomposición de los residuos orgánicos y, debido al calentamiento de los océanos, en una disminución de la cantidad total de carbono. dióxido disuelto en agua. El aumento de la temperatura también se debió a una actividad solar excepcionalmente alta durante este período y en el siglo XIX (ver, por ejemplo, el evento de Carrington , 1859 ) [32] .

Durante la transición de condiciones climáticas frías a cálidas durante el último millón de años, el cambio natural en la concentración de CO 2 atmosférico se mantuvo dentro de las 100 ppm, es decir, el aumento total de su contenido no superó el 40% [33] . En este caso, por ejemplo, la temperatura media del planeta durante el período de óptimo climático 9000-5000 años  antes de Cristo. mi. fue aproximadamente de 1 a 2 °C más alta que la actual, y debido a un efecto invernadero más pronunciado en un clima cálido, la anomalía de la temperatura anual promedio en las latitudes subárticas alcanzó los 9 °C [34] .

Influencia del vulcanismo

El vulcanismo moderno conduce en promedio a la liberación de 2⋅10 8 toneladas de CO 2 por año, que es menos del 1% de las emisiones antropogénicas [25] . La principal diferencia entre este tipo de emisión y la antropogénica es que cuando se queman combustibles fósiles en el aire, las moléculas de oxígeno son reemplazadas por moléculas de dióxido de carbono, es decir, el aumento total de la masa de la atmósfera corresponde a la masa de carbono quemado, mientras que durante las erupciones volcánicas, la masa de la atmósfera aumenta en un valor igual a la masa del gas liberado.

El dióxido de carbono es el segundo gas más grande (después del vapor de agua ) emitido por los volcanes. La mayor parte del gas liberado por los volcanes submarinos se disuelve en agua [35] . La composición isotópica del dióxido de carbono emitido corresponde aproximadamente a la composición isotópica del CO 2 atmosférico obtenido de la combustión de combustibles fósiles, lo que dificulta determinar con precisión la cantidad de emisión volcánica de CO 2 [35] .

Las grandes erupciones volcánicas pueden liberar cantidades significativas de dióxido de carbono a la atmósfera, pero tales erupciones son raras (algunos eventos por siglo) y, en promedio, no tienen un efecto notable en el nivel de emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. Por ejemplo, durante la erupción del volcán Laki en 1783, se liberaron aproximadamente 90 millones de toneladas de CO 2 , durante la erupción de Tambor en 1815, alrededor de 48 millones de toneladas [35] . Estudios separados apuntan a una emisión ligeramente mayor de dióxido de carbono durante las erupciones mencionadas anteriormente (Lucky 1783 ≈ 6.5⋅10 8 t ), pero la relativa rareza de tales eventos hace que su efecto sobre el contenido de dióxido de carbono sea insignificante también en este caso [35 ] .

La última erupción VEI 6 fue la erupción de 1991 del Monte Pinatubo . Su principal impacto en el contenido de dióxido de carbono en la atmósfera fue la liberación de aerosoles a la estratosfera y, en consecuencia, el desequilibrio del ciclo del carbono debido a una disminución de 0,5 °C en la temperatura media del planeta debido a la efecto anti-invernadero . El aumento en la amplitud de las fluctuaciones estacionales en el diagrama de Keeling durante este período de tiempo indica cierta mejora en las condiciones para la implementación de la fotosíntesis por parte de las plantas a principios de la década de 1990. Esto último se explica por el efecto de la dispersión de la radiación solar sobre las partículas de aerosol estratosféricas, lo que provocó un aumento del consumo de CO 2 atmosférico por parte de la vegetación [36] .

La concentración actual de dióxido de carbono en la atmósfera

En el período moderno de tiempo, la concentración de dióxido de carbono mantiene un crecimiento constante, en 2009 la concentración promedio de CO 2 en la atmósfera terrestre fue de 0.0387% o 387 ppm , en septiembre de 2016 superó las 400 ppm [37] [38] .

Junto con un crecimiento anual de 2–3 ppm/año [6] , se observa un cambio periódico en la concentración con una amplitud de 3–9 ppm durante el año , que sigue al desarrollo de la temporada de crecimiento en el hemisferio norte . Dado que todos los continentes principales están ubicados en la parte norte del planeta, la influencia de la vegetación del Hemisferio Norte domina el ciclo anual de concentración de CO 2 . El nivel alcanza un máximo en mayo y un mínimo en octubre, cuando la cantidad de biomasa de fotosíntesis es la más alta [39] .

En la primavera de 2016, científicos australianos descubrieron que la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera cerca de la isla de Tasmania había alcanzado las 400 ppm [40] .

En 2017, la Organización Meteorológica Mundial informó que la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre alcanzó su nivel más alto en los últimos 800 mil años: 403,3 ppm [41] .

Según el Observatorio Meteorológico de Mauna Loa, en 2021 se registró un nuevo promedio anual máximo de concentración de CO 2 en la atmósfera de 417,7 ppm [17] , y en mayo de 2022, el promedio mensual fue de 420,99 ppm [2] .

Cambio en la concentración en el pasado

La forma más fiable de medir las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico en el período anterior al inicio de las mediciones directas es determinar su cantidad en las burbujas de aire atrapadas en los núcleos de hielo de los glaciares continentales de la Antártida y Groenlandia . Los más utilizados para este fin son los núcleos antárticos, según los cuales el nivel de CO 2 atmosférico se mantuvo en el rango de 260-284 ppm hasta el comienzo de la revolución industrial a mediados del siglo XIX y durante 10 mil años antes de esta. punto en el tiempo [42] . Estudios separados basados ​​en follaje fósil indican cambios mucho más significativos en los niveles de CO 2 durante este período (~300 ppm), pero son criticados [43] [44] . Además, los núcleos tomados en Groenlandia indican un mayor grado de cambio en las concentraciones de dióxido de carbono en comparación con los resultados obtenidos en la Antártida. Pero al mismo tiempo, los investigadores de núcleos de Groenlandia sugieren que la mayor variabilidad aquí se debe a la precipitación local de carbonato de calcio [45] . En el caso de los bajos niveles de polvo en las muestras de hielo tomadas de Groenlandia, los datos sobre los niveles de CO 2 durante el Holoceno concuerdan con los datos de la Antártida.

El período más largo de mediciones de niveles de CO 2 basado en núcleos de hielo es posible en la Antártida Oriental, donde la edad del hielo alcanza los 800 000 años, y que muestra que la concentración de dióxido de carbono varió entre 180 y 210 ppm durante las edades de hielo y aumentó a 280– 300 ppm durante los períodos más cálidos [8] [33] [46] .

Durante intervalos de tiempo más largos, el contenido de CO 2 atmosférico se determina en función de la determinación del equilibrio de los procesos geoquímicos, incluida la determinación de la cantidad de material orgánico en las rocas sedimentarias, la meteorización de las rocas de silicato y el vulcanismo en el período de estudio. Durante decenas de millones de años, en caso de cualquier desequilibrio en el ciclo del carbono, se producía una disminución posterior de la concentración de CO 2 . Debido a que la velocidad de estos procesos es extremadamente lenta, es difícil correlacionar las emisiones de dióxido de carbono con los cambios posteriores en sus niveles durante los próximos cientos de años.

Para estudiar la concentración de dióxido de carbono en el pasado, también se utilizan varios métodos indirectos .métodos de datación. Estos incluyen determinar la proporción de isótopos de boro a carbono en ciertos tipos de sedimentos marinos y el número de estomas en el follaje de plantas fósiles. Aunque estas mediciones son menos precisas que los datos de núcleos de hielo, permiten determinar concentraciones muy altas de CO 2 en el pasado, que fueron de 3000 ppm (0,3 %) y 400-600 Ma hace 150-200 Ma . atrás - 6000 ppm ( 0,6%) [9] .

La disminución del CO 2 atmosférico cesó a principios del Pérmico , pero continuó desde hace unos 60 Ma . A la vuelta del Eoceno y el Oligoceno (hace 34 millones de años, el comienzo de la formación de la moderna capa de hielo de la Antártida ), la cantidad de CO 2 era de 760 ppm [47] . Según datos geoquímicos , se encontró que el nivel de dióxido de carbono en la atmósfera alcanzó niveles preindustriales hace 20 millones de años y ascendió a 300 ppm.

Relación con la concentración oceánica

Hay cien veces más dióxido de carbono en los océanos de la tierra que en la atmósfera: 36⋅10 12 toneladas en términos de carbono . El CO 2 disuelto en agua está contenido en forma de iones bicarbonato y carbonato . Los hidrocarburos se producen como resultado de reacciones entre rocas, agua y CO 2 . Un ejemplo es la descomposición del carbonato de calcio :

.

Reacciones como esta tienden a aplanar las fluctuaciones en la concentración atmosférica de CO2 . Dado que el lado derecho de la reacción contiene ácido , la adición de CO2 en el lado izquierdo reduce el pH , es decir, conduce a la acidificación del océano . Otras reacciones entre el dióxido de carbono y las rocas no carbonatadas también producen ácido carbónico y sus iones .

Este proceso es reversible, resultando en la formación de piedra caliza y otras rocas carbonatadas con la liberación de la mitad de los hidrocarburos en forma de CO 2 . Durante cientos de millones de años, este proceso condujo a que las rocas carbonatadas secuestraran gran parte del dióxido de carbono original de la protoatmósfera de la Tierra . En última instancia, la mayor parte del CO 2 producido por las emisiones antropogénicas se disolverá en el océano, pero queda por determinar la velocidad a la que se producirá este proceso en el futuro [48] .

Efecto de la concentración de CO 2 atmosférico en la productividad de las plantas (fotosíntesis)

Según el método de fijación de CO 2 , la gran mayoría de las plantas pertenecen a los tipos de fotosíntesis C3 y C4 . La mayoría de las especies de plantas conocidas pertenecen al grupo C3 (alrededor del 95% de la biomasa vegetal de la Tierra son plantas C3). Algunas plantas herbáceas pertenecen al grupo C4, incluidos cultivos agrícolas importantes: maíz, caña de azúcar, mijo.

El mecanismo C4 de fijación de carbono evolucionó como una adaptación a las condiciones de bajas concentraciones de CO 2 en la atmósfera. En casi todas las especies de plantas, un aumento en la concentración de CO 2 en el aire conduce a la activación de la fotosíntesis y al crecimiento acelerado.

En las plantas C3, la curva comienza a estabilizarse a más de 1000 ppm de CO2 .

Sin embargo, en plantas C4, el aumento en la tasa de fotosíntesis se detiene ya en una concentración de CO2 de 400 ppm . Por tanto, su concentración actual, que actualmente supera las 400 moléculas por millón (ppm), ya ha alcanzado el óptimo para la fotosíntesis en plantas C4, pero todavía está muy lejos del óptimo para plantas C3.

Según datos experimentales, duplicar la concentración actual de CO 2 acelerará (en promedio) el crecimiento de la biomasa en las plantas C3 en un 41 % y en las plantas C4 en un 22 %.

La adición de 300 ppm de CO 2 al aire ambiente conducirá a un aumento de la productividad en plantas C3 en un 49 % y en C4 - en un 20 %, en árboles frutales y calabazas - en un 24 %, leguminosas - en un 44 %, tubérculos - en un 48%, verduras - en un 37%.

De 1971 a 1990, en el contexto de un aumento del 9% en la concentración de CO2 , hubo un aumento en el contenido de biomasa en los bosques de Europa en un 25-30% [49] .

Véase también

Notas

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