Ciclo del Carbono

El carbono es la columna vertebral de la vida en la Tierra. Estamos hechos de carbono, comemos carbono, y nuestras civilizaciones están construidos sobre carbono. Necesitamos carbono, pero esa necesidad también está entrelazada con uno de los problemas más graves a los que nos enfrentamos hoy en día: el cambio climático global.

¿Qué es el Ciclo del Carbono?

Todos los seres vivos están hechos de carbono. El carbono también es parte del océano, del aire e incluso de las rocas. Debido a que la Tierra es un lugar dinámico, el carbono no se queda quieto. Siempre se está moviendo

Beneficios del ciclo del carbono

En la atmósfera, el carbono está unido a un poco de oxígeno en un gas llamado dióxido de carbono. Las plantas usan el dióxido de carbono y la luz solar para hacer sus propios alimentos y crecer. El carbono pasa a formar parte de la planta.

Las plantas que mueren y están enterradas pueden convertirse en combustibles fósiles hechos de carbono como el carbón y el petróleo durante millones de años.

Cuando los seres humanos queman combustibles fósiles, la mayor parte del carbono entra rápidamente en la atmósfera como dióxido de carbono.

El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero y atrapa el calor en la atmósfera. Sin él y otros gases de efecto invernadero, la Tierra sería un mundo congelado.

Pero los humanos han quemado tanto combustible que hay un 30% más de dióxido de carbono en el aire hoy que hace unos 150 años, y la Tierra se está convirtiendo en un lugar más cálido.

¿Cuántas etapas tiene el Ciclo del Carbono?

El carbono fluye entre cada depósito en un intercambio llamado el ciclo del carbono, que tiene componentes lentos y rápidos. Cualquier cambio en el ciclo que cambie el carbono de un yacimiento pone más carbono en los otros yacimientos.

Los cambios que introducen gases de carbono en la atmósfera provocan temperaturas más cálidas en la Tierra.

A largo plazo, el ciclo del carbono parece mantener un equilibrio que impide que todo el carbono de la Tierra entre en la atmósfera (como es el caso de Venus) o se almacene enteramente en las rocas. Este equilibrio ayuda a mantener la temperatura de la Tierra relativamente estable, como un termostato.

Este termostato funciona durante unos pocos cientos de miles de años, como parte del lento ciclo del carbono. Esto significa que durante períodos de tiempo más cortos -de diez a cien mil años- la temperatura de la Tierra puede variar.

Y, de hecho, la Tierra oscila entre las edades de hielo y los períodos interglaciares más cálidos en estas escalas de tiempo. Algunas partes del ciclo del carbono pueden incluso amplificar estos cambios de temperatura a corto plazo.

Estudiando el Ciclo del Carbono

Muchas de las preguntas que los científicos todavía tienen que responder sobre el ciclo del carbono giran en torno a cómo está cambiando. La atmósfera contiene ahora más carbono que en ningún otro momento en al menos dos millones de años. Cada depósito del ciclo cambiará a medida que este carbono atraviese el ciclo.

  • ¿Cómo serán esos cambios?
  • ¿Qué pasará con las plantas a medida que aumenten las temperaturas y cambie el clima?
  • ¿Sacarán más carbono de la atmósfera del que devuelven?
  • ¿Se volverán menos productivos?
  • ¿Cuánto carbono adicional pondrá en la atmósfera el permafrost que se derrite y cuánto amplificará el calentamiento?
  • ¿Cambiará la circulación oceánica o el calentamiento la velocidad a la que el océano absorbe el carbono?
  • ¿La vida en el océano será menos productiva?
  • ¿Cuánto se acidificará el océano y qué efectos tendrá?

Datos de satélites sobre el Ciclo del Carbono

Efectos del ciclo del carbono

Las series temporales de datos satelitales, como las imágenes disponibles de los satélites Landsat, permiten a los científicos monitorear los cambios en la cubierta forestal. La deforestación puede liberar dióxido de carbono a la atmósfera, mientras que la regeneración forestal elimina el CO2.

Este par de imágenes en falso color muestra la tala clara y el rebrote del bosque entre 1984 y 2010 en el estado de Washington, al noreste de Mount Rainier. El verde oscuro corresponde a los bosques maduros, el rojo indica el suelo desnudo o material vegetal muerto (áreas recién cortadas), y el verde claro indica un crecimiento relativamente nuevo.

Peligros del ciclo del carbono

El papel de la NASA en la respuesta a estas preguntas es proporcionar observaciones satelitales globales y observaciones de campo relacionadas. A principios de 2011, dos tipos de instrumentos satelitales estaban recopilando información relevante para el ciclo del carbono.

Los instrumentos del espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS), que vuelan sobre los satélites Terra y Aqua de la NASA, miden la cantidad de plantas de carbono y fitoplancton que se convierten en materia a medida que crecen, una medida llamada productividad primaria neta. Los sensores MODIS también miden cuántos incendios se producen y dónde se queman.

Somos parte del ciclo del carbono, por lo que nuestras decisiones sobre cómo vivir se extienden a lo largo del ciclo. Asimismo, los cambios en el ciclo del carbono afectarán la forma en que vivimos.

A medida que cada uno de nosotros llega a comprender su papel en el ciclo del carbono, el conocimiento nos permite controlar nuestro impacto personal y comprender los cambios que estamos viendo en el mundo que nos rodea.

Cambios en el ciclo del carbono

Dejados imperturbables, los ciclos de carbono rápidos y lentos mantienen una concentración relativamente estable de carbono en la atmósfera, la tierra, las plantas y el océano. Pero cuando algo cambia la cantidad de carbono en un yacimiento, el efecto pasa a través de los demás.

En el pasado de la Tierra, el ciclo del carbono ha cambiado en respuesta al cambio climático. Las variaciones en la órbita de la Tierra alteran la cantidad de energía que la Tierra recibe del Sol y conduce a un ciclo de edades de hielo y períodos cálidos como el clima actual de la Tierra.

Las edades de hielo se desarrollaron cuando los veranos del hemisferio norte se enfriaron y el hielo se acumuló en la tierra, lo que a su vez ralentizó el ciclo del carbono.

Mientras tanto, una serie de factores, incluyendo temperaturas más frías y un aumento en el crecimiento del fitoplancton, pueden haber aumentado la cantidad de carbono que el océano sacó de la atmósfera. La caída del carbono atmosférico provocó un enfriamiento adicional.

De manera similar, al final de la última Edad de Hielo, hace 10.000 años, el dióxido de carbono en la atmósfera aumentó dramáticamente a medida que se calentaban las temperaturas.

Consecuencias del ciclo del carbono

(Gráficos de Robert Simmon, utilizando datos de Lüthi et al., 2008, y Jouzel et al., 2007.)

Los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera se han correspondido estrechamente con la temperatura en los últimos 800.000 años.

Aunque los cambios de temperatura se vieron afectados por las variaciones en la órbita de la Tierra, el aumento de las temperaturas globales liberó CO2 a la atmósfera, lo que a su vez calentó la Tierra.

Los cambios en la órbita de la Tierra están ocurriendo constantemente, en ciclos predecibles. En unos 30.000 años, la órbita de la Tierra habrá cambiado lo suficiente como para reducir la luz solar en el Hemisferio Norte a los niveles que condujeron a la última era glacial.

¿Cuánto desperdiciamos los humanos?

Tendemos a reemplazar el crecimiento denso con cultivos o pastos, que almacenan menos carbono. También exponemos a la atmósfera el suelo que expulsa a la atmósfera el carbono de la materia vegetal en descomposición.

Los seres humanos emiten actualmente algo menos de mil millones de toneladas de carbono a la atmósfera al año debido a los cambios en el uso de la tierra.

La quema de combustibles fósiles es la principal fuente de aumento del dióxido de carbono en la atmósfera en la actualidad.

Sin la interferencia humana, el carbono de los combustibles fósiles se filtraría lentamente a la atmósfera a través de la actividad volcánica durante millones de años en el lento ciclo del carbono.

Al quemar carbón, petróleo y gas natural, aceleramos el proceso, liberando grandes cantidades de carbono (carbono que tardó millones de años en acumularse) a la atmósfera cada año. Al hacerlo, movemos el carbono del ciclo lento al ciclo rápido.

Efectos de cambiar el ciclo del carbono

Todo este carbono extra tiene que ir a alguna parte. Hasta ahora, las plantas terrestres y el océano han absorbido alrededor del 55 por ciento del carbono adicional que la gente ha puesto en la atmósfera, mientras que alrededor del 45 por ciento ha permanecido en la atmósfera.

Eventualmente, la tierra y los océanos absorberán la mayor parte del dióxido de carbono adicional, pero hasta un 20 por ciento puede permanecer en la atmósfera durante muchos miles de años.

Los cambios en el ciclo del carbono afectan a cada depósito. El exceso de carbono en la atmósfera calienta el planeta y ayuda a las plantas en la tierra a crecer más. El exceso de carbono en el océano hace que el agua sea más ácida, poniendo en peligro la vida marina.

¿Cómo afecta el Ciclo del Carbono a la atmosfera?

Es significativo que tanto dióxido de carbono permanezca en la atmósfera porque el CO2 es el gas más importante para controlar la temperatura de la Tierra.

El dióxido de carbono, el metano y los halocarbonos son gases de efecto invernadero que absorben una amplia gama de energía, incluyendo la energía infrarroja (calor) emitida por la Tierra, y luego la reemiten.

La energía reemitida viaja en todas direcciones, pero algunos regresan a la Tierra, donde calienta la superficie. Sin los gases de efecto invernadero, la Tierra estaría congelada a -18 grados centígrados (0 grados Fahrenheit).

Con demasiados gases de efecto invernadero, la Tierra sería como Venus, donde la atmósfera del invernadero mantiene temperaturas de alrededor de 400 grados Celsius (750 Fahrenheit).

El aumento de las concentraciones de dióxido de carbono ya está causando que el planeta se caliente. Al mismo tiempo que los gases de efecto invernadero han ido en aumento, las temperaturas medias mundiales han aumentado 0,8 grados centígrados desde 1880.

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(Gráficos de Robert Simmon, utilizando datos de CO2 del Laboratorio de Investigación del Sistema Tierra de la NOAA y datos de temperatura del Instituto Goddard para Estudios Espaciales.)

Este aumento de temperatura no es todo el calentamiento que veremos basado en las actuales concentraciones de dióxido de carbono. El calentamiento de los invernaderos no ocurre de inmediato porque el océano absorbe el calor.

Esto significa que la temperatura de la Tierra aumentará al menos otros 0,6 grados centígrados (1 grado Fahrenheit) debido al dióxido de carbono ya presente en la atmósfera. El grado en que las temperaturas suban más allá de eso depende en parte de cuánto más carbono liberen los seres humanos a la atmósfera en el futuro.

¿Cómo afecta el Ciclo del Carbono al Oceano?

Alrededor del 30 por ciento del dióxido de carbono que la gente ha vertido a la atmósfera se ha difundido en el océano a través del intercambio químico directo.

La disolución del dióxido de carbono en el océano crea ácido carbónico, que aumenta la acidez del agua. O mejor dicho, un océano ligeramente alcalino se vuelve un poco menos alcalino. Desde 1750, el pH de la superficie del océano ha descendido en un 0,1, un cambio del 30 por ciento en la acidez.

Parte del exceso de CO2 emitido por la actividad humana se disuelve en el océano, convirtiéndose en ácido carbónico. El aumento del dióxido de carbono no sólo está provocando que los océanos sean más cálidos, sino también más ácidos.

La acidificación de los océanos afecta a los organismos marinos de dos maneras. Primero, el ácido carbónico reacciona con los iones de carbonato en el agua para formar bicarbonato. Sin embargo, esos mismos iones de carbonato son lo que los animales que construyen conchas como el coral necesitan para crear conchas de carbonato de calcio.

Con menos carbonato disponible, los animales necesitan gastar más energía para construir sus conchas. Como resultado, las conchas terminan siendo más delgadas y frágiles.

En segundo lugar, cuanto más ácida es el agua, mejor disuelve el carbonato de calcio. A largo plazo, esta reacción permitirá que el océano absorba el exceso de dióxido de carbono porque más agua ácida disolverá más roca, liberará más iones de carbonato y aumentará la capacidad del océano para absorber dióxido de carbono..

¿Cómo afecta el Ciclo del Carbono a la Tierra?

Las plantas en la tierra han absorbido aproximadamente el 25 por ciento del dióxido de carbono que los humanos han vertido a la atmósfera. La cantidad de carbono que las plantas absorben varía mucho de un año a otro, pero en general, las plantas del mundo han aumentado la cantidad de dióxido de carbono que absorben desde 1960.

Sólo una parte de este aumento se produjo como resultado directo de las emisiones de combustibles fósiles.

Con más dióxido de carbono atmosférico disponible para convertir en materia vegetal en fotosíntesis, las plantas pudieron crecer más. Este aumento del crecimiento se conoce como fertilización con carbono.

Los modelos predicen que las plantas pueden crecer entre un 12 y un 76 por ciento más si se duplica el dióxido de carbono atmosférico, siempre y cuando nada más, como la escasez de agua, limite su crecimiento.

Sin embargo, los científicos no saben cuánto dióxido de carbono está aumentando el crecimiento de las plantas en el mundo real, porque las plantas necesitan más que dióxido de carbono para crecer.

El ciclo lento del carbono

A través de una serie de reacciones químicas y actividad tectónica, el carbono tarda entre 100 y 200 millones de años en moverse entre las rocas, el suelo, el océano y la atmósfera en el lento ciclo del carbono.

En promedio, de 1013 a 1014 gramos (10-100 millones de toneladas métricas) de carbono se mueven a través del lento ciclo del carbono cada año.

En comparación, las emisiones humanas de carbono a la atmósfera son del orden de 1015 gramos, mientras que el ciclo rápido del carbono mueve de 1016 a 1017 gramos de carbono por año.

El movimiento del carbono de la atmósfera a la litósfera (rocas) comienza con la lluvia. El carbono atmosférico se combina con el agua para formar un ácido débil, el ácido carbónico, que cae a la superficie con la lluvia.

El ácido disuelve las rocas, un proceso llamado clima químico, y libera iones de calcio, magnesio, potasio o sodio. Los ríos llevan los iones al océano.

Los ríos transportan iones de calcio –el resultado de la erosión química de las rocas– al océano, donde reaccionan con el carbonato disuelto en el agua. El producto de esa reacción, el carbonato de calcio, se deposita en el fondo del océano, donde se convierte en piedra caliza.

En el océano, los iones de calcio se combinan con iones de bicarbonato para formar carbonato de calcio, el ingrediente activo de los antiácidos y la sustancia de color blanco calizo que se seca en su grifo si vive en un área con agua dura.

¿Por cuanto tiempo se puede almacenar el carbono?

El carbono encerrado en la piedra caliza puede almacenarse durante millones -o incluso cientos de millones- de años.

Sólo el 80 por ciento de la roca que contiene carbono se fabrica actualmente de esta manera. El 20 por ciento restante contiene carbono de seres vivos (carbono orgánico) que ha sido incrustado en capas de lodo.

El carbón y otros combustibles fósiles son una fuente de energía conveniente, pero cuando se queman, el carbono almacenado se libera a la atmósfera. Esto altera el equilibrio del ciclo del carbono y está cambiando el clima de la Tierra.

El ciclo lento devuelve el carbono a la atmósfera a través de los volcanes. Las superficies terrestres y oceánicas de la Tierra se asientan sobre varias placas de la corteza terrestre en movimiento.

Cuando las placas chocan, una se hunde debajo de la otra, y la roca que lleva se derrite bajo el calor y la presión extremos. La roca calentada se recombina en minerales de silicato, liberando dióxido de carbono.

Cuando los volcanes hacen erupción, ventilan el gas a la atmósfera y cubren la tierra con roca de silicato fresca para comenzar el ciclo de nuevo. En la actualidad, los volcanes emiten entre 130 y 380 millones de toneladas métricas de dióxido de carbono al año.

¿Cuánto tiempo es necesario para restablecer el Ciclo del Carbono?

La química regula esta danza entre el océano, la tierra y la atmósfera. Si el dióxido de carbono se eleva en la atmósfera debido a un aumento de la actividad volcánica, por ejemplo, las temperaturas aumentan, lo que provoca más lluvia, que disuelve más roca, creando más iones que eventualmente depositarán más carbono en el fondo del océano.

Se necesitan unos pocos cientos de miles de años para reequilibrar el lento ciclo del carbono a través de la erosión química.

Sin embargo, el lento ciclo del carbono también contiene un componente ligeramente más rápido: el océano. En la superficie, donde el aire se encuentra con el agua, el gas de dióxido de carbono se disuelve y se ventila fuera del océano en un intercambio constante con la atmósfera.

Una vez en el océano, el dióxido de carbono reacciona con las moléculas de agua para liberar hidrógeno, haciendo que el océano sea más ácido. El hidrógeno reacciona con el carbonato de la erosión de las rocas para producir iones de bicarbonato.

El Ciclo Rápido del Carbono

El tiempo que tarda el carbono en moverse a través del rápido ciclo del carbono se mide en una vida útil. El ciclo rápido del carbono es en gran medida el movimiento del carbono a través de las formas de vida en la Tierra, o la biosfera.

Entre 1015 y 1017 gramos (1.000 a 100.000 millones de toneladas métricas) de carbono se mueven a través del rápido ciclo del carbono cada año.

El carbono desempeña un papel esencial en la biología debido a su capacidad de formar muchos enlaces -hasta cuatro por átomo- en una variedad aparentemente infinita de moléculas orgánicas complejas.

Muchas moléculas orgánicas contienen átomos de carbono que han formado fuertes enlaces con otros átomos de carbono, combinándose en largas cadenas y anillos. Tales cadenas y anillos de carbono son la base de las células vivas. Por ejemplo, el ADN está formado por dos moléculas entrelazadas.

Los enlaces en las largas cadenas de carbono contienen mucha energía. Cuando las cadenas se rompen, la energía almacenada se libera. Esta energía hace de las moléculas de carbono una excelente fuente de combustible para todos los seres vivos.

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