Ciclo biogeoquimico del Carbono

CarbonoEl carbono (C) es el cuarto elemento más

abundante en el Universo, después del hidrógeno, el helio y el oxígeno (O).

Forman parte de compuestos como: la glucosa, carbohidratos importantes para la realización de procesos como: la respiración; también interviene en la fotosíntesis bajo la forma de CO2 (dióxido de carbono) tal como se encuentra en la atmósfera.

Existen básicamente dos formas de carbono: orgánica (presente en los organismos vivos y muertos, y en los descompuestos) y otra inorgánica, presente en las rocas.

FUENTES DEL CARBONO

InorgánicasLa atmósfera

(CO2)El suelo

(carbonatos, petróleo e hidrocarburos).

OrganicasLas plantas

(almidón, azúcar, grasas, ácidos orgánicos, proteínas)

Los animales (azúcar, almidón, lípidos, proteínas).

Ciclo de CarbonoEl ciclo del carbono es un ciclo biogeoquímico

por el cual el carbono se intercambia entre la biosfera, la litosfera, la hidrosfera y la atmósfera de la Tierra. Los conocimientos sobre esta circulación de carbono posibilitan apreciar la intervención humana en el clima y sus efectos sobre el cambio climático.

En el planeta Tierra, el carbono circula a través de los océanos, de la atmósfera y de la superficie y el interior terrestre, en un gran ciclo biogeoquímico. Este ciclo puede ser dividido en dos: el ciclo lento o geológico y el ciclo rápido o biológico.

Reservorios de carbono

Suele considerarse que este ciclo está constituido por cuatro reservorios principales de carbono interconectados por rutas de intercambio. Los reservorios son la atmósfera, la biosfera terrestre (que, por lo general, incluye sistemas de agua dulce y material orgánico no vivo, como el carbono del suelo), los océanos (que incluyen el carbono inorgánico disuelto, los organismos marítimos y la materia no viva), y los sedimentos (que incluyen los combustibles fósiles). Los movimientos anuales de carbono entre reservorios ocurren debido a varios procesos químicos, físicos, geológicos y biológicos. El océano contiene el fondo activo más grande de carbono cerca de la superficie de la Tierra, pero la parte del océano profundo no se intercambia rápidamente con la atmósfera.

Ciclo geológico del carbonoEl ciclo geológico del carbono, que opera a una

escala de millones de años, está integrado en la propia estructura del planeta y se puso en marcha hace aproximadamente 4,55 miles de millones de años, cuando se formó el Sistema Solar y la Tierra. Su origen fueron los planetesimales (pequeños cuerpos que se habían formado a partir de la nebulosa solar) y los meteoritos portadores de carbono que chocaron con la Tierra.

Más del 99% del carbono terrestre está contenido en la litosfera, siendo la mayoría carbono inorgánico, almacenado en rocas sedimentarias como las rocas calizas. El carbono orgánico contenido en la litosfera está almacenado en depósitos de combustibles fósiles.

En una escala geológica, existe un ciclo entre la corteza terrestre (litosfera), los océanos (hidrosfera) y la atmósfera. El dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera, combinado con el agua, forma el ácido carbónico, el cual reacciona lentamente con el calcio y con el magnesio de la corteza terrestre, formando carbonatos. A través de los procesos de erosión (lluvia, viento), estos carbonatos son arrastrados a los océanos, donde se acumulan en su lecho en capas, o son asimilados por organismos marinos que, eventualmente, después de muertos, también se depositan en el fondo del mar. Estos sedimentos se van acumulando a lo largo de miles de años, formando rocas calizas.

El ciclo continúa cuando las rocas sedimentarias del lecho marino son arrastradas hacia el manto de la Tierra por un proceso de subducción (proceso por el cuál una placa tectónica desciende por debajo de otra). Así, las rocas sedimentarias están sometidas a grandes presiones y temperaturas debajo de la superficie de la Tierra, derritiéndose y reaccionando con otros minerales, liberando CO2.

El CO2 es devuelto a la atmósfera a través de las erupciones volcánicas y otro tipo de actividades volcánicas, completándose así el ciclo.

Los balances entre los diversos procesos del ciclo del carbono geológico han controlado la concentración de CO2 presente en la atmósfera a lo largo de millones de años. Los más antiguos sedimentos geológicos, datados en épocas anteriores al desarrollo de la vida en la Tierra, apuntan concentraciones de CO2 atmosférico cien veces superiores a las actuales, proporcionando un fuerte efecto invernadero.

Por otro lado, las mediciones de los núcleos de hielo retirados de la Antártida y Groenlandia, permiten estimar que durante la última era glaciar las concentraciones de CO2 eran aproximadamente la mitad que en la actualidad (en 2005 de 379,1 ppmv de CO2).

Carbono en los océanos Los océanos contienen alrededor de 36000 gigatoneladas

de carbono, sobre todo en forma de ion bicarbonato. Esto corresponde al 0.05% del carbono total de la Tierra. El carbono inorgánico, sin enlaces carbono-carbono ni carbono-hidrógeno, es importante en sus reacciones dentro del agua. Este intercambio de carbono resulta de importancia para el control del pH en el océano y también puede actuar como fuente, o bien hundirse. El carbono se intercambia fácilmente entre la atmósfera y el océano. En regiones de flujo ascendente oceánico, el carbono se libera a la atmósfera. Y a la inversa, las regiones de flujo descendente transfieren el carbono (CO2) de la atmósfera al océano. Cuando el CO2 entra en el océano, se forma ácido carbónico:

CO2 + H2O ⇌ H2CO3 Esta reacción puede ser en ambos sentidos, es decir, logra

un equilibrio químico.

Otra reacción importante en el control de los niveles de pH oceánicos es la liberación de iones hidrógeno y bicarbonato. Esta reacción controla los grandes cambios de pH:

H2CO3 ⇌ H+ + HCO3−

En los océanos, el bicarbonato puede combinarse con el calcio para formar piedra caliza (carbonato de calcio, CaCO3, con sílice), que precipita al suelo del océano. La piedra caliza es el reservorio más grande de carbono en el ciclo del carbono. El calcio viene de la erosión de rocas de silicato cálcico, que hace que el silicio de las rocas se combine con el oxígeno para formar arena o cuarzo (dióxido de silicio), dejando iones de calcio disponibles para formar piedra caliza.

Carbono en la atmósfera El carbono existe en la atmósfera de la Tierra principalmente en

forma de gas dióxido de carbono (CO2). En la atmósfera hay 750 gigatoneladas de carbono. La concentración de CO2 es de 381 ml/m³, que corresponde a una cantidad de aproximadamente 800 gigatoneladas de carbono. Es aproximadamente el 0,001% del carbono total global. Por tanto, la atmósfera es el almacén de carbono más pequeño, y reacciona de forma más sensible a los cambios. Por el contrario, la atmósfera tiene el mayor porcentaje de circulación de carbono a causa de procesos bioquímicos.

Aunque es una parte muy pequeña de la atmósfera (aproximadamente el 0.04% en una base molar, pero está elevándose), desempeña un papel importante en el sustento de la vida. Otros gases que contienen carbono en la atmósfera son el metano y los clorofluorocarbonos (completamente antropogénicos). La concentración atmosférica total de estos gases de invernadero ha estado aumentando en décadas recientes, contribuyendo al calentamiento global.

El carbono es tomado de la atmosfera de varios modos:

Con la energía solar las plantas realizan la fotosíntesis para convertir dióxido de carbono en carbohidratos, liberando oxígeno en el proceso.

En la superficie de los océanos, cerca de los polos, el agua del mar actúa como refrigerador y se forma más ácido carbónico cuando el CO2 se hace más soluble. Esto está conectado con la circulación termohalina del océano, que transporta el agua superficial densa al interior del océano.

En áreas superiores del océano con alta productividad biológica, los organismos convierten el carbono reducido en tejidos, y los carbonatos en partes del cuerpo duras como conchas y caparazones. Éstos compuestos son, respectivamente, oxidados (bomba de tejidos) y disueltos de nuevo (bomba de carbonato) en niveles medios del océano inferiores a donde se formaron, causando un flujo hacia abajo del carbono.

La erosión de roca de silicato. El ácido carbónico reacciona con la roca erosionada para producir iones de bicarbonato. Los iones de bicarbonato producidos son transportados al océano, donde se usan para hacer carbonatos marinos. A diferencia del CO2 disuelto en equilibrio o en los tejidos muertos, la erosión no mueve el carbono a un reservorio del cual pueda volver fácilmente a la atmósfera.

El carbono puede ser liberado a la atmósfera por diferentes modos : Por la respiración realizada por plantas y animales. Esta es una

reacción exotérmica e implica la ruptura de glucosa (u otras moléculas orgánicas) en dióxido de carbono y agua.

Por tejidos muertos de animales y vegetales. Los hongos y las bacterias dividen los compuestos de carbono de los animales muertos y las plantas, y convierten el carbono a dióxido de carbono si hay oxígeno presente, o bien a metano si no lo hay.

Por la combustión de material orgánico, que oxida el carbono que contiene, produciendo dióxido de carbono (y otros productos, como vapor de agua). Quemando combustibles fósiles como carbón, productos del petróleo y gas natural, se libera el carbono que ha sido almacenado en la geosfera durante millones de años.

Producción de cemento. El dióxido de carbono se libera cuando la piedra caliza (carbonato de calcio) se calienta para producir la cal (óxido de calcio), un componente del cemento.

Las erupciones volcánicas y el metamorfismo liberan gases en la atmósfera. Los gases volcánicos son, principalmente, vapor de agua, dióxido de carbono y dióxido de azufre. El dióxido de carbono liberado es aproximadamente igual a la cantidad de silicato eliminada por erosión; ambos procesos, que son el reverso químico uno de otro, suman casi cero, y no afectan al nivel de dióxido de carbono atmosférico en escalas de tiempo menores de unos 100.000 años.

Más excepcionalmente, el carbono puede provenir del impacto de un meteorito importante sobre la Tierra. Según la violencia de este acontecimiento, la cantidad de materia expulsada y las consecuencias pueden variar considerablemente. Mientras que la actividad volcánica normal hace aumentar la tasa atmosférica de los gases de efecto de invernadero, la caída de un cuerpo pesado o una erupción excepcionalmente poderosa propagan en la alta atmósfera grandes cantidades de polvo que reducen el flujo del brillo solar, lo que provoca una disminución de la temperatura que puede ir hasta varias decenas de grados en unas semanas. Un cataclismo de este tipo es tal vez la causa de la desaparición de los dinosaurios.

Ciclo biológico del Carbono

Los autótrofos son organismos que producen sus propios compuestos orgánicos usando el dióxido de carbono del aire o el agua en la cual viven. Para hacer esto necesitan una fuente externa de energía. Casi todos los autótrofos usan la radiación solar como fuente energía, y su proceso de producción se llama fotosíntesis. Un pequeño número de autótrofos explota fuentes de energía químicas en un proceso llamado quimiosíntesis. Los autótrofos más importantes para el ciclo del carbono son los árboles de los bosques y el fitoplacton de los océanos. La fotosíntesis sigue la reacción: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

El carbono se transfiere dentro de la biosfera cuando los heterótrofos se alimentan de otros organismos o de sus partes (por ejemplo, frutas). Esto incluye el consumo de material orgánico muerto (detritos) por hongos y bacterias para su fermentación o putrefacción.

La mayor parte del carbono deja la biosfera mediante la respiración. Cuando el oxígeno está presente, se produce la respiración aeróbica, que libera el dióxido de carbono en el aire circundante o el agua, siguiendo la reacción: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O.

Por otra parte, en ausencia de oxígeno, la respiración anaerobia libera metano en el ambiente circundante, que finalmente sigue su camino hacia la atmósfera o la hidrosfera (por ejemplo, el gas de los pantanos)

La combustión de biomasa (como fuegos forestales, madera usada para la calefacción y cualquier otra materia orgánica) también puede transferir cantidades sustanciales de carbono a la atmósfera.

Influencia humana en el ciclo del carbono

No todo el CO2 emitido antropogenicamente queda retenido en la atmósfera. La tasa anual de emisiones antropogénicas durante la década de los 90 se situó, en promedio, en 6,3 Gt. Sin embargo, en el mismo periodo, la concentración de CO2 atmosférico aumentó, en promedio, 3,2 Gt por año. Esto se debe, en parte, al aumento de la difusión de CO2 en los océanos, que habían pasado a absorber cerca de 1,7 Gt por año de las 6,3 Gt emitidas. Las restantes 1,4 Gt por año se estiman que están relacionadas con procesos en la superficie de la tierra.

Esta última parcela tiene dos componentes: la alteración de la utilización de los suelos, sobre todo la deforestación, que reduce la tasa de absorción de CO2 en el suelo; y otra, todavía en estudio, que puede tener diferentes orígenes, entre las cuales se encuentra el aumento de la tasa de absorción de las plantas correspondiente a un aumento de la concentración atmosférica de CO2.

Según el Panel Intergubernamental para las Alteraciones Climáticas de Naciones Unidas (IPCC), existen diversos escenarios de aumento de la temperatura del aire de la superficie terrestre

Otra conclusión significativa que puede ser obtenida del análisis del ciclo global del carbono es el elevado potencial de algunos bosques para capturar el carbono atmosférico, tanto en el manto vegetal como en la materia orgánica del suelo, lo que aumenta la importancia de la manutención de ecosistemas con grandes cantidades de biomasa y suelos estables, con el objetivo de que ciertos bosques se vuelvan sumideros de carbono a mediano/largo plazo y otros no se vuelvan "fuentes" de carbono.

Curva de Keeling

El Sobreflujo del Río Amazonas Alimenta el “Sumidero” de Carbón del Océano Atlántico

Una gran cuerpo de agua rico en alimentos fluye desde el río Amazonas hacia el océano. Ajit Subramaniam, un oceanógrafo biológico, y Doug Capone, científico marino, han encontrado que los microorganismos que vivían en la desembocadura del río Amazonas arrastran consigo una cantidad significativa de dióxido de carbono de la atmósfera hacia el océano tropical. Estos hallazgos revelan el gran papel que juegan los grandes océanos tropicales y ríos importantes en la absorción total de carbón de los océanos.

Los científicos sabían que el Océano Atlántico Norte tropical emitía carbón de la respiración de la vida del océano. El nuevo estudio determina que la respiración es compensada por un grupo de organismos llamados diazótrofos, que son fitoplacton. Los diazótrofo toman nitrógeno y carbón del aire y los utilizan para hacer sólidos orgánicos que descienden al suelo marino. Los diazotrophos "fijan" nitrógeno a fin de poder prosperar en aguas del océano profundo con poco alimento. Estos procesos son parte del ciclo del carbón.