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/calentamiento global?

• 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 2007 a 2016, la humanidad agregó a la atmósfera en promedio 9.4×1015 gramos de carbono (1015 gramos de carbono = 1 PgC) cada año, debido, principalmente, al consumo de combustibles fósiles (9.4 PgC/yr) y all cambio en el uso del suelo (1.3 PgC/yr). Los oceanos absorbieron el 22% de este carbono, y los sistemas terrestres el 28%. Un 6% de las emisiones representan sumideros que no han sido identificados (LeQuere et al. 2017). En la atmósfera tan sólo quedó el 50% de las emisiones humanas. Este 50% es el que contribuye al cambio climático.
• Existen procesos naturales que reducen el ritmo de acumulación de carbono en la atmósfera.
• 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.

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 IPCC AR4. 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 los años 1990’s.

Las estimaciones de estos flujos son actualizadas anualmente por el proyecto Global Carbon Project (LeQuere et al. 2017), mientras que la ciencia sobre el ciclo del carbono es revisada en cada reporte del IPCC (Ciais et. al 2013).

IPCC AR4 (2007) Fig 7.3. El ciclo global del carbón para los años 1990s, en el que se muestran los principales flujos anuales en GtC yr –1 : los flujos ‘naturales’ preindustriales se muestran en negro y los flujos ‘antropogénicos’ en rojo (modificados de Sarmiento y Gruber, 2002, con cambios en el tamaño de pool a partir de Sabine et al., 2004a). La pérdida neta terrestre de –39 GtC se infiere al sustraer las acumulaciones en la atmósfera y los océanos de la acumulación de emisiones de combustibles fósiles. La pérdida de -140 GtC de la componente ‘vegetation, soil and detritus’ representa emission acumulada por el cambio de uso de suelo (Houghton, 2003), y requiere un sumidero de la biosfera de 101 GtC (en Sabine et al., dados como rangos entre -140 a -80 GtC y 61 a 141 GtC, respectivamente; otras incertidumbres se dan en la tabla 1). La columna 5 ‘AR4’ de la tabla 7.1 muestra los cambios antropológicos netos con la atmósfera. Los flujos brutos generalmente tienen una incertidumbre de más de ±20%, pero se han manejado cantidades fragmentadas para lograr un balance al incluir estimaciones en fracciones de GtC yr–1 por transporte en ríos, intemperización, enterramiento en océano profundo, etc. ‘GPP’ significa producción primaria anual bruta (terrestre). El contenido de carbono en la atmósfera y todos los flujos acumulativos desde 1750 son hasta finales de 1994.

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.

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 actualmente en 2016, el carbón mineral es el combustible dominante (40% el carbón mineral y 34% el petróleo), mientras que el uso de gas natural ha ido aumentando (19% en el 2016).

En los años noventa, el uso de combustibles fósiles emitió 6.4 Petagramos de carbono (PgC) al año, y en el periodo entre 2007-2016, aumentó a 9.4 PgC/año. Entre los años 2000-2009, la emisión aumentó un 3.3% cada año, sustancialmente más rápido 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 razón de crecimiento de las emisiones de carbono disminuyó sustancialmente entre el 2012 y 2016. Sin embargo, las dichas emisiones volvieron a crecer entre 2007 y 2016 hasta ajustarse a las proyecciones de reportadas en el IPCC AR5 (RCP8.5).

Las evidencias indican que el rápido aumento en las emisiones por parte de países en desarrollo, como China, se debe al crecimiento en el comercio internacional, así como al cambio en los países desarrollados hacia una economía de servicios. La producción de exportaciones en los países desarrollados también contribuye al aumento de emisiones.

Puedes encontrar información sobre las emisiones de carbono por parte de los diferentes países en los datos que el Global Carbon Project (GCP) aporta cada año. Puedes visitar las visualizaciones disponibles en el Atlas del GCP’s Global Carbon.

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 e internacional sobre el uso de la energía. Si decidimos en forma colectiva depender más en los combustibles fósiles, nuestras emisiones aumentarán. Si por el contrario, decidimos enfocarnos en la eficiencia del uso energético y en las fuentes renovables de energía, nuestras emisiones no aumentarán tan rápidamente e incluso podrían estabilizarse o reducirse. Estas son decisiones difíciles de tomar con posibles implicaciones dramáticas para la economía, la política, el medio ambiente y la sociedad en general desde escalas locales a escalas globales. Estas implicaciones son el foco de actividades de la Convención sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas (UNFCC por sus siglas en inglés)</a>, 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. Esta es la razón básica del patrón global de los flujos entre el mar y la atmósfera de CO2 estimados por Takahashi et al. [2009] en la figura.

Annual mean air-sea CO2 flux, estimated by Takahashi et al. 2009. Positive is from ocean to atmosphere, negative from atmosphere to ocean.

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. Este proceso mueve el carbono de la superficie hacia grandes profundidades y almacena el carbono lejos de la atmósfera.

El flujo de carbono hacia el mar se incrementa conforme las actividades humanas aumentan la concentración de carbono en la atmósfera. Si no fuera por los océanos, la concentración atmosférica de CO2 sería 80ppm más elevada que la concentración actual (155 PgC, Ciais et al. 2013, Khatiwala et al. 2009, 2013). Los océanos han absorbido el 41% de todo el carbono que se ha emitido a la atmósfer debido al consumo de combustibles fósiles (375PgC) (McKinley, et al. 2017). 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. Puede encotrar animaciones sobre del sumidero oceánico de carbono en la página del Ocean Carbon and Biogeochemistry Program.

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. Se espera que hasta el 2100 aumente la tabsroción del carbono por parte del mar porque el aumento de CO2 en la atmósfera acelerará el proceso de disolución del carbono en el mar. Sin embargo, debido a los procesos químicos tan especiales del carbono en agua marina, la habilidad del océano para absorber el carbono disminuye conforme aumenta la concentración del carbono. Procesos antropogénicos pueden llegar a frenar la circulación a gran escala del océano, lo que reduciría la eficiencia de la toma de carbono por parte del océano. Los modelos predictivos sugieren cambios significativos en escala regional en la remoción biológica de carbono hacia las profundidades del océano, pero un efecto neto pequeño en la toma de carbono a escala global.

Resulta claro que el sumidero de carbono oceánico presenta gran variabilidad tanto en espacio como en tiempo. Por ejemplo, muchas líneas de evidencia muestran que el sumidero de carbono oceánico a escala global se debilitó en la década de los 90, y se fortaleció en la década del 2000. [Fay y McKinley, 2013; DeVries et al. 2017; Landschutzer et al. 2015; Ritter et al. 2017]. Aún cuando es claro que la circulación oceánica es la principal responsable de este cambio, la comprensión detallada de estos procesos se ve limitada por la escasez de observaciones oceánicas [Peters et al, 2017].

En los Estados Unidos, el programa Ocean Carbon and Biogeochemistry ( OCB ) coordina los esfuerzos de investigación y educación sobre la toma de carbono por los océanos. Puedes ver un vídeo corto que resume el trabajo de esta organización. El proyecto International 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 National 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.

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.

El futuro del Uso de la Tierra

Se utilizaron una gran variedad de modelos numéricos para predecir las emisiones de carbono a la atmósfera por el uso de suelo en el reporte IPCC AR4 ( Reporte Especial de los Escenarios de Emisiones del IPCC, Chapter 6, Figure 6-6b). Estos modelos sugieren que la deforestación llegará a su cumbre en el 2025 para declinar gradualmente con el tiempo. Esta tendencia será determinada por las tasas de crecimiento poblacional y las mejoras en la productividad agrícola. Diferentes escenarios muestran que, eventualmente, el Uso de la Tierra, que actualmente es una fuente importante de CO2 de la atmósfera, se transformará en un sumidero debido al crecimiento de los bosques.

¿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 naranja en applet.

¿Por qué la biosfera terrestre absorbe CO2 atmosférico?

La toma neta de carbono por la biosfera terrestre se debe principalmente a la respuesta fisiológica o metabólica de las plantas al aumento en la concentración de CO2 en la atmósfera, o al calentamiento global. Las plantas son más eficientes en su crecimiento bajo estas nuevas circunstancias debido a: (1) El calentamiento puede estimular el crecimiento, lo que permite el crecimiento de árboles a mayores latitudes y alturas de lo que antes era posible. (2) En condiciones normales las plantas pierden agua por sus estomas cuando éstas se abren para tomar el CO2del aire. Cuando aumenta la concentración de CO2, las plantas abren menos sus estomas, lo que les permite ahorrar agua. (3) La actividad humana también está cambiando sustancialmente el ciclo global del nitrógeno, al aumentar la cantidad de nitrógeno disponible para la plantas. Lo más probable es que esto estimule un mayor crecimiento. (4) Pueden darse importantes sinergias entre el carbono, nitrógeno, y el calentamiento global en las plantas.

Aún así, existe una gran incertidumbre en la toma de carbono de forma natural por parte de la biosfera terrestre. Hay varias razones para esta incertidumbre: los estudios que utilizan metodología y datos independientes para cuantificar la toma de CO2 por las plantas no logran ponerse de acuerdo; resulta difícil extrapolar de estudios en pequeña escala porque se han observado heterogeneidades en bosques, estepas y zonas agrícolas; las cuantificaciones del transporte horizontal en los lagos y ríos hacia las zonas costeras son muy pobres [Raymond et al. 2013, Benway et al. 2016, Golub et al. 2017], y tampoco se tienen buenos resultados mediante esfuerzos globales de medición ya que no hay suficientes datos y existe mucha incertidumbre en el transporte atmosférico que conecta y mezcla los flujos terrestres en su camino a las estaciones de medición [Gurney et al. 2013].

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 (Schuur et al. 2015). En el applet, la Absorción Terrestre del Carbono cruza por los valores reales debido a estos efectos.

Es muy importante que logremos entender estos mecanismos de Absorción Terrestre del Carbono. Las predicciones se volverán más útiles a medida que mejore nuestro entendimiento de estos procesos. El programa North American Carbon Program en los Estados Unidos tiene como objetivo principal el mejorar nuestro entendimiento de estos procesos.

References