Carbono y el ciclo global del carbono

• El elemento carbón es un elemento omnipresente en la Tierra. La mayor parte del carbón en la Tierra se encuentra almacenado en las rocas y es esencialmente inerte en escalas de tiempo de cientos y miles de años. Éstas son las escalas de tiempo que le interesan a la humanidad.
• El resto del carbono se almacena como: CO2 (dióxido de carbono) en la atmósfera (2%), biomasa en plantas terrestres y suelo (5%), combustibles fósiles en reservas geológicas (8%) y como un grupo de iones en los océanos (85%). Éstas son las reservas activas de carbono de las que se trata en este sitio.

¿Cómo están conectados el ciclo global de carbono y el cambio climático?

• La Tierra se calienta gracias a la energía que recibe del Sol. La Tierra regresa dicho calor a la atmósfera en forma de radiación. Muchos gases presentes en la atmósfera, incluido el CO2, absorben el calor que sale de la Tierra y lo emiten en forma de radiación en todas direcciones. De toda esta energía emitida por la atmósfera, la parte que se emite hacia abajo calienta la superficie terrestre y la parte baja de la atmósfera. Es debido a la capacidad de estos gases de calentar la superficie terrestre por lo que se les conoce como gases invernadero.
• El agregar más CO2 a la atmósfera implica que la atmósfera calienta más la superficie terrestre al poder capturar mayor radiación terrestre.
• Este sitio sólo trata al dióxido de carbono, sabiendo que hay otros gases invernadero muy importantes, como el metano, CH4, que también contribuyen al cambio climático.

La humanidad agrega CO2 a la atmósfera, la naturaleza elimina cerca de la mitad

• De 2013 a 2022, la humanidad agregó a la atmósfera en promedio 10.9 petagram de carbono (1 petagram carbon = 1 PgC = 10^15) cada año, debido, principalmente, al consumo de combustibles fósiles (9.6 PgC/yr) y all cambio en el uso del suelo (1.3 PgC/yr). Los oceanos absorbieron el 26% de este carbono, y los sistemas terrestres el 30%. Un 4% de las emisiones representan sumideros que no han sido identificados (Friedlingstein et al. 2023). En la atmósfera tan sólo quedó el 45% de las emisiones humanas. Este 48% es el que contribuye al cambio climático.
• El calentamiento global futuro dependerá de las fuentes de CO2 por las emisiones humanas, así como de los sumideros naturales de carbono en ococeanos y la biosfera terrestre (Crisp et al. 2022).

Lo Básico

El carbono se transfiere entre el CO2 y los organismos vivos y muertos mediante el proceso básico de fotosíntesis / respiración (mostrado aquí en forma simplificada).

Cuando la reacción es de izquierda a derecha, las plantas y algas fijan al carbono en la materia orgánica mediante la fotosíntesis; cuando la reacción es de derecha a izquierda, la respiración o la combustión son los procesos que liberan al carbono de la materia orgánica. Los combustibles fósiles son remanentes de organismos que vivieron hace millones de años y que almacenaron grandes cantidades de carbón.

El ciclo global del carbono

El ciclo del carbono es un sistema complejo que involucra procesos geológicos, químicos y físicos. Aquí se muestra un esquema del reporte 2022 Global Carbon Budget (Friedlingstein et al. 2022). El esquema muestra los reservorios de carbono en las unidades de giga toneladas, GtC (1 GtC = 1 PgC: Petagramos de carbón) y los mayores flujos en GtC/yr. Los números que se muestran representan las mejores estimaciones para la década de 2012-2021.

Las estimaciones de estos flujos son actualizadas anualmente por el proyecto Global Carbon Project (Friedlingstein et al. 2023), mientras que la ciencia sobre el ciclo del carbono es revisada en cada reporte del IPCC (Canadell, Monteiro et. al 2021).

El ciclo global del carbón para 2013-2022, en el que se muestran los principales flujos anuales en GtC/yr (Friedlingstein et al. 2023).

References

En 1958, Charles D. Keeling empezó a tomar mediciones atmosféricas de CO2 en Mauna Loa, Hawaii. En la figura se pueden apreciar el ciclo estacional, dominado por el ciclo anual de fotosíntesis y respiración en la biosfera terrestre en el Hemisferio Norte, así como una tendencia al alza. Aprende mas sobre este tema aqui.

Estos datos forman parte ahora de una red global de monitoreo de CO2 atmosférico. Todos estos registros muestran la misma tendencia al alza de la concentración de dióxido de carbono. Usted puede encontrar estos registros de datos y más información en: NOAA Ver aqui un video de los datos de NOAA y la historia de CO2 de un millón de ano.

Como se explica aquí, el CO2 se acumula en la atmósfera debido a ciertas actividades humanas, principalmente el uso de combustibles fósiles y la quema de bosques para crear zonas de cultivo. También presentamos información sobre los procesos naturales que ocurren en el mar y la tierra que modulan de forma significativa el aumento del CO2 en la atmósfera.

References

The Basics

La quema de combustibles fósiles arroja carbono a la atmósfera. Otras fuentes menores incluyen procesos industriales tales como la manufactura de cemento y la quema de gas natural en las industria petrolera y petroquímica. La mayor parte de las emisiones de carbono a la atmósfera proviene de la energía usada en el transporte humano, producción eléctrica, calefacción y el enfriamiento de edificios, y la la actividad industrial. El petróleo solía ser el combustible fósil de mayor uso, pero en las ultimas decadas, el carbón mineral es el combustible dominante, mientras que el uso de gas natural ha ido aumentando.

En los años noventa, el uso de combustibles fósiles emitió 6.4 Petagramos de carbono (PgC) al año, mientras que en los años entre 2013 y 2023, aumentó a 9.6 PgC/año. Entre los años 2000-2009, la emisión aumentó un 2.8% cada año, un porcentaje sustancialmente más alto que el crecimiento del 1.0% al año de los años noventa. Este cambio dramático se debe principalmente al aumento en el uso de combustibles fósiles por parte de países en desarrollo. La taza del crecimiento de las emisiones de carbono disminuyó a 0.5% entre el 2013 y 2022. Esta reducción en la taza de crecimiento de las emisiones es positiva en lo que al cambio climático se refiera, pero no es suficiente, ya que las emisiones de carbono siguen aumentando año con año. Alcanzar las metas internacionales de limitar el calentamiento global a menos de dos grados C require que revertamos la tendencia constante del aumento continuo de emisiones. Para salvaguardar al clima, las emisiones se deben de reducir cada año en lugar de aumentar.

Desde el año 2000, las emisiones han aumentado rapidamente en los paises en desarrollo, particularmente China. Este aumento se debe en gran medida al incremento en el consumo energético interno, pero también contribuye de forma significative la producción de bienes de consume que se han exportado hacia paises desarrollados. Las emisiones internas de todos los paises y las que se dan por los flujos de producción y consumo son estimanadas anualmente por Global Carbon Project .

El futuro de los combustibles fósiles

El futuro del uso antropogénico de los combustibles fósiles dependerá de las decisiones humanas que se tomen a niveles local y global sobre el uso de la energía. Las emisiones seguirán creciendo si nos aferramos al patron histórico de nuestra dependencia en los combustibles fósiles. Pero éste no es nuestra única opción – ya contamos con el conocimeinto y la tecnología necesaria para cambiar este patron, y reducir rápidamente las emisiones. Esto implica transformer los sitsemas de energía en los que dominen las fuentes renobables de energía, cambiar los sistemas alimenticios para que sean menos intensivos en carbono y reducir el desperdicio de agua, y modificar los sistemas e infraestructura de transporte para reducir el uso de energía. Si hicieramos todo esto, como conescuencia de reuducir las emisiones, se limitaría el daño y el sufrimiento que experimentarían nuestros niños debido al cambio climático. El reformar nuestras economías basadas en el uso de combustibles fósiles implica decisions difíciles de tomar en los ámbitos politico y sociales a escalas local y global. Este es un sueño alcanzable mientras todos contribuyamos a un futuro de bajo uso del carbono fósil. ¡Gracias por hacer todo lo que puedes!

La reducción del CO2 y otros gases invernadero son el foco de las actividades de la Convención sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas ( UNFCC por sus siglas en inglés) con resultados significativos como el Acuerdo de París del 2015. Las actividades actuales se enfocan en la implementación de este plan.

References

Lo básico

El CO2 se disuelve en el océano y reacciona con el agua para formar varios iones (átomos o moléculas con carga eléctrica). Esta disociación permite al océano almacenar grandes cantidades de carbono – 85% del reservorio activo en la Tierra. El agua fría puede diluir más CO2 que el agua caliente, así que las aguas que se están enfriando (i.e. aguas que se mueven hacia los polos en las corrientes de frontera oeste) tienden a tomar carbono atmosférico, mientras que las aguas que surgen hacia la superficie desde zonas profundas, y las que se están calentando (i.e. zonas costeras y tropicales) tienden a liberar carbono.

El flujo de carbono del oceano al atmosfera 2010-2019 desde datos (McKinley et al. 2023). Positivo al atmosfera.

El océano alberga una enorme comunidad de organismos que realizan la fotosíntesis ante la presencia de energía solar y de nutrientes, transformando el CO2 en materia orgánica. Aún cuando gran parte del CO2 removido biológicamente del agua marina es reconvertido en CO2 rápidamente por la cadena trófica en la superficie, una pequeña porción (< 1%) del material de deshecho se hunde a grandes profundidades enriqueciendo el abismo con carbono (panel izquirda inferior). Este proceso mueve el carbono de la superficie hacia grandes profundidades y almacena el carbono lejos de la atmósfera.

El ciclo carbono del oceano. Figura de Galen McKinley and Natalie Renier (WHOI) con apoyo del OCB program.

El flujo de carbono hacia el mar se incrementa conforme las actividades humanas aumentan la concentración de carbono en la atmósfera (panel derecha arriba). El processos fiscos que gobierna este flujo es La ley de Henry . Debido a que los océanos tardan cerca de 1000 años en mezclarse, la mayor parte del carbono absorbido por el océano se encuentra cerca de la superficie, dentro el primer kilómetro del océano.

Si no fuera por los océanos, la concentración atmosférica de CO2 sería 90ppm más elevada que la concentración actual (179 PgC). Los océanos han absorbido el 37% de todo el carbono que se ha emitido a la atmósfer debido al consumo de combustibles fósiles (483 PgC) (Friedlingstein et al. 2023).

Acumulativo presupuesto global de carbono, 1850-2022 (Friedlingstein et al. 2023). Animacion de Marit Jentoft-Nilsen, NASA.

El futuro de la absorción oceánica del carbono

Los científicos pronostican que los océanos eventualmente absorberán cerca del 85% del CO2 antropogénico (emitido por actividades humanas), pero como le toma al océano alrededor de 1000 años para mezclarse completamente, este proceso de asimilación del CO2 le tomará entre cientos y miles de años.

En este siglo, tabsroción del carbono por parte del mar va aumentar en proportion a los emisions de CO2 porque CO2 en el atmosfera es la primara causa del tabsroción. Necesitamos mas investigaciones y datos para entender major como el tabsroción va cambiar debido al cambio climatico.

En los Estados Unidos, el programa Ocean Carbon and Biogeochemistry (OCB) coordina los esfuerzos de investigación sobre la toma de carbono por los océanos. Puedes ver un vídeo corto que resume el trabajo de esta organización en la thema de carbono. El proyecto International Ocean Carbon Coordinating Project (IOCCP) es le encargado de coordinar esfuerzos a nivel internacional.

El “otro problema con el CO2 ” = Acidificación marina

Hay consecuencias adicionales debidas a la toma oceánica de carbono. El CO2 disuelto en el agua marina forma ácido carbónico, por lo que el océano se hace más ácido conforme añadimos más CO2 al mar. Desde los tiempos preindustriales hasta ahora el pH (unidad de medición de la acidez) se ha reducido en 0.1 pH, de 8.21 a 8.10. Es probable que disminuya otro 0.3 a 0.4 pH para el año 2100 suponiendo que el p CO2 es cercano al 800 ppmv para esas fechas. La acidificación dañará los arrecifes de coral, y probablemente afectará a especies importantes en la cadena trófica del océano, particularmente en el Mar de Sur. Los científicos están trabajando para entender mejor lo impactos en organismos y los efectos integrales en los ecosistemas marinos. Aquí hay un video del National Resources Defense Council sobre la acidificación marina.

Aquí hay mas sobre la acidificación marina de NOAA, Woods Hole Oceanographic Institution, y Natural Resources Defense Council.

References

Lo básico

Las tierras nuevas de cultivo típicamente se obtienen clareando los bosques. Carbono es emitido a la atmósfera cuando los árboles se talan y se queman, o se abandonan a la descomposición. En el presente, la deforestación y la resultante emisión de carbono a la atmósfera está ocurriendo en las zonas tropicales. Sin embargo, en los últimos 200 años, la formación de zonas agrícolas mediante tala de bosques que ocurrió en las latitudes medias del Hemisferio Norte fue una fuente importante de carbono en la atmósfera. Desde mediados de los años noventa, gran parte de las tierras poco productivas de Estados Unidos y Europa se han reconvertido en bosques, compensando en parte las emisiones al tomar el carbono de las atmósfera y acumularlo en la madera y el suelo.

Agricultura y uso del suelo hizo 13% de los emisiones de CO2 en 2007-2016 (IPCC 2022), y 12% en 2013-2022 (Friedlingstein et al. 2023). Agricultura y uso del suelo hizo tambien es fuente importante de otros invernadero (CH4, N20). La incertidumbre en las estimaciones del uso de suelo se debe en gran parte a que las estimaciones de la deforestación son, a su vez, inciertas, y también a que la cantidad de carbono almacenado en los bosques no está bien cuantificado (Crisp et al. 2022).

El futuro del Uso de la Tierra

El futuro de uso de suelo depende de mucho factores. Decisiones de la gente a escala local a global va cambiar los bosques, el suelo, tierra de cultivo, tierra salvaje y centros urbanos. Un 2022 special IPCC report da mas informacion sobre estes factores.

¿Cuál es la diferencia entre el Uso de la Tierra y Toma terrestre de Carbono?

Se utilizan estos dos términos para clarificar el impacto humano en la tala y clareado de tierras, y el crecimiento subsecuente de bosques (Uso de tierra), y la respuesta de la naturaleza a las emisiones antropológicas de carbono (Toma Terrestre de Carbono). Sin embargo, cuesta trabajo distinguir estos dos términos en muchos de los estudios, por lo que algunos de los términos que corresponden al Uso de tierra (como la reforestación en latitudes medias) se confunden con los que corresponden a la Toma Terrestre de Carbono.

References

Lo Básico

La biosfera terrestre toma y libera enormes cantidades de carbono cada año durante los periodos de crecimiento y de hibernación. El crecimiento conduce una acumulación del carbono en las hojas y tallos, las partes de madera, las raíces y en el suelo. El decaimiento de la materia muerta, principalmente sobre la tierra y dentro del suelo, regresa el carbono a la atmósfera. Este ciclo se puede apreciar en el registros de las observaciones de CO2 en la atmósfera en la sección “Atmósfera”.

Existe una gran variabilidad de un año a otro en la magnitud de la toma de carbono por parte de la biosfera terrestre ya que la temporada de crecimiento de las plantas es muy variable. El crecimiento de las planta es variable porque éstas son muy sensibles a cambios climáticos de periodo corto, así como a incendios, sequías e inundaciones. Esto se puede ver en el registro histórico que se muestra en verde en applet.

El futuro de la Absorción Terrestre del Carbono

En el applet, se puede observar que el rango del IPCC para la Absorción Terrestre del Carbono es muy grande. Que el rango sea grande se debe a que no comprendemos bien los procesos de Absorción Terrestre del Carbono, por lo que no es posible hacer predicciones buenas para el futuro.

Ha sido demostrado que el “efecto de fertilización con CO2“, en el que el aumento en la concentración de CO2 produce en incremento en el crecimiento plantas, es un efecto temporal que se satura después de unos años. Gran parte del rango en el applet se debe a ciertas suposiciones sobre este proceso. Se cuenta con menos información sobre la fertilización con nitrógeno y su posible rol en el futuro, y menos aún sobre las posibles sinergias entre los mecanismos.

Además, la tierra puede convertirse en una fuente natural de carbono. Las sequías persistentes pueden ocasionar incendios forestales dramáticos y grandes pérdidas “naturales” de bosques tropicales. También hay gran cantidad de carbono orgánico almacenado en los suelos y en el permafrost (Capa de la corteza de la tierra que permanece bajo 0 °C todo el año) en latitudes altas. El calentamiento puede acelerar la actividad macrobiótica en el suelo así como derretir el permafrost, lo que generaría una liberación grande de CO2 al descomponerse la materia orgánica. El tamaño de estos reservorios y su sensibilidad al calentamiento son preguntas muy importantes que aún no tienen respuesta. En el applet, la Absorción Terrestre del Carbono cruza por los valores reales debido a estos efectos. (Denning 2022)

Es muy importante que logremos entender estos mecanismos de Absorción Terrestre del Carbono. El programa North American Carbon Program en los Estados Unidos tiene como objetivo principal el mejorar nuestro entendimiento de estos procesos.

References