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La atmósfera cambiante: una perspectiva sistémica

Clase 3: Interacciones entre la biósfera y la atmósfera

GF 777Otoño 2002

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Contenidos de hoy• ¿?• Modelación de ciclos biogeoquímicos...algunos elementos y

herramientas• Procesos de intercambio entre biósfera y atmósfera:

– emisión– deposición

• Biósfera terrestre y atmósfera– Quema de biomasa – Nitrógeno y suelos

• Biósfera marina y atmósfera– DMS et al– COS et al– N2O– Fe– N

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Ejemplo: Ciclo hidrológico

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Recipiente de masa M

Fuentes (Q) Sumideros (S)

Tiempo de Recambio

S

M= SQ=

dt

dM

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Tiempo de recambio y variabilidad

Charlson, 1992

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Procesos de remoción

Deposición Húmeda

Deposición Seca

U-

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Deposición Húmeda

Remoción de gases y aerosoles por hidrometeoros

•Gotas de nubes•Gotas de neblina•Lluvia•Nieve

H2 O en estado condensado Arra

stre/S

caven

ging

Transformaciones de fase y reacciones químicas

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Deposición Húmeda

“In cloud scavenging”•Difusión•Ley de Henry

“Sub-cloud scavenging”•Inercia•Colisiones

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Análogo de Ley de Ohm

Resistencia Aerodinámica a los flujos turbulentos

Resistencia Aerodinámica a los flujos viscosos/laminares

Resistencia Fisiológica/Química

Fdep=C/R=C vdep

Por convención a 10 m

Deposición

I=V/R

V R

I

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Emisiones

Naturales

Antrópicas

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Quema de biomasa

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Factores que influyen sobre el tipo y cantidad de las emisiones...• Tipo de vegetación (combustible)

• Contenido de agua de la vegetación y el suelo

• Temperatura ambiente

• Humedad ambiente

• Vientos

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Composición típica de biomasa terrestre/plantas

• 40% carbón• 7% hidrógeno•53% oxígeno•0.3-4% nitrógeno•0.1-0.9% azufre•otros (Mg, Rb, .....)

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bosques: 1 hr vs 1 díasabanas: unos minutos vs unas horas

http://asd-www.larc.nasa.gov/biomass_burn/biomass.html

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Roses, trees, etc...they all smell..(Compuestos OrgánicosVolátiles).

+H2O, aerosoles

CO2, H2O

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Efectos...

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http://dionysos.mpch-mainz.mpg.de/~bibex/

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Interacciones entre atmósfera y biósfera/Ciclo del nitrógeno

Formas del nitrógeno•Ácido nítrico HNO3

•Dióxido de nitrógeno NO2

•Óxido de nitrógeno NO•Óxido nitroso N2O•Nitrógeno molecular N2

•Amoniáco NH3

•Amonio NH4

•Aminas R-NH2

•Amidas NH2-CO-NH2

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Nitrógeno en la atmósfera

N2

>99.9%

3.9x109 TgN

N2O

>99.6%

0.4%

1.3x103 TgN 47%gaseosoinorgánico

37% particulado inorgánico

16%orgánico

5.2 TgN

<0.01%Comp.

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Nitrógeno en los sistemas terrestres

93.5%orgá-nico

3.4x105 TgN

6.5% inor-gánico

96%mat.org.

muerta4%biomasa

3.2x105 TgN 94%plantas

4%micro-organismos

2% animales

1.3x104 TgN

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Transformación biológica de compuestos de nitrógeno

NH3/NH4+ NO2

-/NO3-

N2/N2O

N orgánico

1

5

3

42

6

1: fijación; 2: asimilación de amoniáco; 3:nitrificación;4:reducción asimilatoria de nitrato; amonioficación;6:denitrificación

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Fijación de nitrógeno

Requiere de:•Organismos con avanzadas propiedades catalíticas capaces de romper el enlace triple del nitrógeno molecular•Condiciones anaeróbicas

Organismos diazotróficos:RHIZOBIUM en sistemas terrestresCIANOBACTERIAS en sistemas acuáticos

NH3/NH4+

N2/N2O1

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Flujos turbulentos

Flujos turbulentos

Flujos viscosos

Flujos viscosos

Atmósfera

Océano

20-200 m

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Atmósfera

Océano

Ra

Raq

Ca

Caq

F

F

C

Ca_i

Caq_i

R

C F

V R

I

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CR

C F

K

Henrydecte.K

CK-CC

H

aqHa

k

K

kH

a

1RRR aqa

aqiaqiaa CCkCC __ak F

K, ka,k: velocidades de transferencia: reactividad química (=1 para gases inertes)

Ra >Raq gases poco solubles (O2,N2,CO2, CH4, etc)Ra<Raq gases solubles (H2O, SO2, NH3, etc.)

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Factores que afectan la transferencia de gases entre el océano y la atmósfera

• Olas y vientos...a mayores olas más transferencia

• Estructura fisicoqúímica de la superficie

• Intesidad de la mezcla turbulenta

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DMS (Dimethyl Sulfide) is an organic sulfur compound present above its flavor threshold in most beers. Because of its low flavor threshold, 10 - 150 ppb, it is a primary flavor and aroma compound that makes a significant contribution to beer character, especially in lager beers. It has a characteristic taste and aroma of cooked or creamed corn.

http://www.abtonline.com/dms.html

CH3-S-S-CH3

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•16 TgS/a de un total de 101 TgS•Juega un importante rol como precursor de núcleos de condensación en la atmósfera marina remota

Azufre Atmosférico

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Algo más que el viento...

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http://me-www.jrc.it/dms/

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Promedio anual de DMS en aguas superficiales

Kettle et al., 1999

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Veranos 1998-2001/DMS en aguas superficiales

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Inviernos 1998-2001/DMS en aguas superficiales

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Carbonil sulfuro O=C=S;monóxido de carbono y COVs son fotoproducidos en el mar

Materia orgánica disuelta y de color (Chromic Dissolved Organic Matter)

h

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Óxido nitroso (N2O) o gas hilarante

ca. 1850

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Óxido nitroso (N2O)

• Ha aumentado desde la era preindustrial desde 275ppbv a 312 ppbv y sigue aumentando (0.8 ppbv/año)

• Es un gas de efecto invernadero responsable de un forzamiento de ca. 0.14W/m2 desde la era preindustrial (el forzamiento total se estima en ca. 2.5 W/m2).

• Su sumidero más importante es la fotólisis en la baja estratósfera ( =120 años).

• En la estratósfera constituye una fuente importante de NO y participa en procesos catalíticos que afectan el balance de O3

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Promedio anual de N2O en aguas superficiales

Nevison et al., 1995

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Fertilización (Fe,N,P, etc.) ...¿productividad marina?

Duce et al., 1991

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En la mitad del océano, el nutriente limitante es el N

Galloway, 1994; Watson, 1997