1-4: Composición Atmosférica; Dióxido de Carbono

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Eugene S. Takle
© 1996

Una de las primeras evidencias de que los seres humanos han alterado la composición de la atmósfera global se observa en las medidas del dióxido de carbono atmosférico. La figura anexa muestra que de 1973 a 1985 la concentración de dióxido de carbono (expresada en partes por millón por volumen) en la atmósfera terrestre ha aumentado de 320 a 350. Medidas más recientes muestran valores que sobrepasan las 350 partes por millón. El diagrama muestra también que la tendencia ascendente es independiente de la localización y que ocurre tanto en el hemisferio norte como en el sur. Las diferencia principal entre las curvas se encuentra en la diferente amplitud del ciclo anual. Un examen mas cuidadoso muestra que concentración alcanza un máximo en abril o mayo en el hemisferio norte y uno mínimo en julio, correspondiente a la absorción de las plantas durante la estación de crecimiento y a la emisión neta de este gas de nuevo a la atmósfera durante el decaimiento de la vegetación fuera de la estación de crecimiento. La observación de los mapas de vegetación para los meses de enero y julio nos permite explicar las diferentes amplitudes en diferentes localidades de la Tierra. Sin embargo, sin importar la localización, la evidencia sostiene que la tendencia en las concentraciones es ascendente.

Concentraciones atmosféricas CO2 en Borrow, Ak, Mauna Loa, Hi, Samoa americana, y en el Polo Sur.
(1990: American Scientist, 78, 325. Permiso concedido por Sigma XI, The Scientific Research Society.)

Si examinamos datos proxy, podemos tener buenas estimaciones de los niveles del dióxido de carbono en períodos de tiempo más largos. En tiempos de la revolución industrial, a finales de los anos 1700s, la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra era cerca de 270 partes por millón. El récord muestra que las concentraciones crecieron lentamente hasta el siglo veinte, pero que han aumentado muy rápidamente desde entonces, particularmente en los últimos 50 años.

Co2 atmosférico desde el inicio de la revolución industrial.
(EPA.)

Ahora podemos mirar un registro aun más largo examinando los núcleos de hielo tomados en una perforación de 2 kilómetros de profundidad en la Antártida. Un equipo de científicos de Francia y de la antigua Unión Soviética analizo las burbujas minúsculas de aire atrapadas en estos núcleos a diferentes niveles por debajo de la actual superficie del hielo. Las capas más profundas corresponden a épocas del pasado más distante. En estas burbujas se puede analizar la abundancia relativa de dióxido de carbono y así estimar los niveles atmosféricos de dióxido de carbono presente hasta hace 160.000 años atrás.
También en estas burbujas se miden las concentraciones de los isótopos de oxígeno atrapados y su tasa de transformación, como esta es dependiente de la temperatura, obtenemos una estimación de la temperatura superficial en el continente antártico cuando el hielo fue formado. El gráfico anexo muestra que las concentraciones de dióxido de carbono han variado de cerca de 180 partes por millón hasta 300 durante los 160.000 años pasados. Usted puede ver en el diagrama anterior que las actuales concentraciones exceden las 350 partes por millón, mayores que en los 160.000 años anteriores.

Cambios en CO2 atmosférico global y en la temperatura superficial global durante los últimos 160.000.
(U.S. Global Change Research Program.)

Nuestra discusión de las magnitudes de las emisiones de dióxido de carbono requiere un sistema de unidades que no estamos tan acostumbrados a usar. La siguiente tabla define los prefijos, tales como kilo_ y mega_, que se utilizan normalmente, y otros términos no tan frecuentes. Puede ser útil regresar a la tabla para recordar el significado de tera -, o peta -, o exa -. Se incluyen algunas conversiones para ayudar a conceptualizar estas magnitudes. Un gigaton es equivalente a un petagramo, y un gigaton de agua es el equivalente de cerca de un kilómetro cúbico.

Definiciones para Discutir Cantidades Globales.

Las concentraciones de gases traza están dadas en partes por millón por volumen (ppmv), partes por mil millones por volumen (ppbv), o partes por trillón por volumen (pptv). Un ppmv significa una molécula en un millón. De vez en cuando, las concentraciones son reportadas en partes por millón por masa, pero tal uso será evitado en este curso para conservar uniformidad.

Sabemos el porque la tasa de dióxido de carbono está aumentando en la atmósfera de la Tierra. La deforestación es una de estas causas, aunque no la causa principal. La gráfica anexa muestra las emisiones anuales, en teragramos de carbón, que actualmente emiten a la atmósfera diferentes países debido a la tala de árboles. Brasil es el mayor contribuyente, seguido por Indonesia, Colombia, y otros países, sobre todo los tropicales. Es importante reconocer que los países desarrollados, como EUA y los europeos no aparecen en la gráfica de deforestación. Estos países, de hecho, han reducido su área del bosque, pero lo hicieron durante los últimos cientos de años.

Emisiones netas del carbono por deforestación tropical.
(1989: EPA, Policy Options for Stabilizing Global Climate.)

Otra fuente de bióxido de carbono en la atmósfera es la emisión de las fabricas de cemento. El material que contiene carbono usado para hacer el cemento libera cantidades significativas de dióxido de carbono para crear el producto final. Esta fuente del dióxido de carbono será discutida otra vez en el curso cuando se trate el tema de desarrollo sostenible, ya que el cemento empleado para los caminos, los puentes, los edificios, industrias electicas y fabricas es un ingrediente determinante para el desarrollo económico. De interés especial son países como China e India que tienen un potencial enorme para el desarrollo.

Emisiones del bióxido de carbono por producción de cemento.
(1989: EPA, Policy Options for Stabilizing Global Climate.)

La quema de combustibles fósiles es, con mucho, la principal causa del aumento en las concentraciones del dióxido de carbono en la atmósfera. La grafica anexa muestra las emisiones de combustible fósil en gigatones por año en función de tiempo. Las emisiones antes de los 1860s estuvieron muy por debajo de 1 gigaton por año y crecieron bastante lentamente hasta mediados del siglo actual. Desde los años 40s y los comienzos de los años 50s, esta curva ha crecido dramáticamente a los niveles de emisión actuales, cercanos a los 6 gigatones por año.

Emisiones de combustibles fósiles.
(1990: American Scientist, 78, 310. Permiso concedido por Sigma XI, The Scientific Research Society.)

Un análisis del tipo de combustibles fósiles que contribuyen al crecimiento descrito anteriormente muestra que el uso del carbón ha aumentado de manera constante en los últimos 100 años y sigue incrementándose de manera significativa en la actualidad. El uso del petróleo para calefacción, en las manufacturas y en los automóviles se desarrollo después pero también está aumentando rápidamente. El uso de todo tipo de combustibles fósiles se está incrementando y esta tendencia muy probablemente persistirá en el futuro. Emisiones de CO2 debido al consumo de combustibles fósiles. (EPA.)

Para entender el impacto humano en el aumento del dióxido de carbono atmosférico, debemos considerar primero los depósitos y los flujos naturales de carbono en el sistema tierra/atmósfera/océano. Debemos incluir los inventarios de carbono almacenado en las plantas y animales terrestres, el carbono en los océanos, en la atmósfera y las reservas de carbono fósil que representan el carbono terrestre sustraído de la biosfera en tiempos remotos.
Cada uno de estos depósitos secuestra y libera carbono a diferentes tasas que deben ser estimadas para poner en perspectiva las emisiones antropogenicas.

El diagrama anexo esquematiza estos depósitos, con las cantidades de carbono dadas en pentagramos y los flujos en unidades de pentagramos de carbono por ano. Así, por ejemplo, la atmósfera contiene cerca de 740 unidades de carbono. Las formas de vida terrestre, que incluyen todas las plantas, desde el fitoplancton hasta los arboles gigantes como las secuoyas, y todos los animales desde los ratones hasta los elefantes, contribuyen con alrededor de 550 unidades. Aun con esta burda contabilidad podemos hacer una evaluación simple. Por ejemplo, si los seres humanos llevaran la tala de árboles hasta sus ultimas consecuencias, esto es, si incineráramos toda la biosfera terrestre y pusiéramos este carbono en la atmósfera, la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre aproximadamente se duplicaría.

Diagrama esquemático del ciclo del carbono. (NASA.)

El suelo contiene carbono molecular, el carbono de los organismos que viven en el suelo y el detritus (las partes rotas de las plantas muertas, los tallos del maíz, las hojas de los árboles, etc.), todo lo anterior sumaria alrededor de 1200 unidades. Esto sugiere que el suelo contiene cerca del doble de carbono que las formas de vida terrestre. Los océanos constituyen un problema más complicado en la evaluación de los depósitos y flujos del carbono. El océano profundo aporta aproximadamente 34.000 unidades. La superficie oceánica, en lo que se denomina océano caliente, contribuye con alrededor de 600 unidades mientras que el océano frío daría casi 300 unidades.

Se debe observar que en el océano profundo, si bien hay un gran deposito de carbono, este carbono esta esencialmente almacenado ahí casi permanentemente, ya que el tiempo que dilata el ciclo del carbono en el océano es del orden de cientos a miles de anos.

Cerca de la superficie del océano, el movimiento turbulento provoca la sustracción de dióxido de carbono atmosférico por el océano atrevas de la formación de ácido carbónico débil. Aproximadamente 22 unidades por año pasan del océano frío a la atmósfera, y cerca de 35 unidades regresan a el, haciendo al océano frío un sumidero neto de dióxido de carbono de la atmósfera terrestre. En contraste, el océano caliente, es una fuente neta debido a que esta emitiendo 80 unidades y sustrae solamente 70, dando un flujo neto hacia afuera de alrededor de 10 unidades.

La vida terrestre (del suelo) consume cerca de 110 unidades por año, sobre todo para sustentar el crecimiento de las plantas terrestres. Aproximadamente 50 unidades de ellas regresan nuevamente a la atmósfera por procesos de descomposición, y cerca de 60 unidades pasan al suelo. Por su parte, el suelo libera alrededor de 60 unidades de regreso a la atmósfera, dando así un equilibrio entre los flujos de entrada y de salida del sistema natural biológico terrestre.

Si ahora consideramos los efectos de los cambios antropogenicos a este ciclo natural, debemos centrarnos en las dos contribuciones mayores, esto es, en la quema de combustibles fósiles y en la deforestación. Los combustibles fósiles representan el carbono terrestre que se ha extraído de la parte mas rápida del ciclo del carbono y almacenado más o menos permanentemente bajo la superficie de la tierra, en donde los procesos naturales no pueden liberarlo nuevamente a la atmósfera. Los combustibles fósiles contribuirían con cerca de 5 a 6 unidades de la emisión hacia la atmósfera, y la quema del carbono en pie, en la forma de bosques tropicales maduros contribuiría con alrededor de 1 a 2 unidades.

El ciclo del carbono incluye, además del bióxido de carbono, otros compuestos que contienen carbono. Por ejemplo, las moléculas del metano, que tienen un átomo del carbono y 4 átomos del hidrógeno, puede producirse en lugar del dióxido de carbono en el proceso del descomposición, particularmente en los suelos húmedos, los pantanos, y la tundra boreal. El metano también es producido por los animales rumiantes, como el ganado y las ovejas. Estos animales comen grandes cantidades de granos o forraje, que entran al primero de 4 estómagos y que se conoce como rumen. El proceso digestivo produce cantidades significativas de metano que es liberado a la atmósfera. El monoxido de carbono también es liberado a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles y por la descomposición de la materia vegetal. Los volcanes son fuentes naturales tanto de dióxido de carbono como de monoxido de carbono.

Como se senalo previamente, los océanos son tanto la mayor fuente como el mayor sumidero de carbono en la atmósfera. El carbono inorgánico en la forma de dióxido de carbono disuelto y los carbonatos aportan alrededor de 37,000 gigatones. El carbono orgánico disuelto contribuye con otros 1,000 gigatones adicionales. El carbono en partículas provenientes de organismos vivos o de plantas y animales muertos o en fragmentos agregan otras 30 unidades. Se debe recordar que existen grandes incertidumbres en estas estimaciones porque hay grandes variaciones en los océanos del planeta.

Los océanos regulan el carbono en 3 formas diferentes: por procesos físicos, por procesos químicos, y por procesos biológicos. Los procesos físicos incluyen el movimiento del carbono de un lugar a otro por circulación oceánica. Los meteorólogos y los oceanógrafos llaman a este proceso adveccion. Las diferencias en la temperatura y en el contenido de sales (salinidad), además de las fuerzas de transporte del viento y de la rotación de la tierra, dan un transporte neto de carbono dentro y entre las mayores cuencas oceánicas. Otro proceso físico es la mezcla por difusión vertical en el agua de un nivel a otro. El dióxido de carbono disuelto en la superficie del agua está en equilibrio con el CO2 atmosférico debido al mezclado eficiente en la superficie oceánica.

Los procesos químicos transforman el carbono entre sus diferentes formas moleculares. Los procesos biológicos incluyen la producción y la descomposición de la materia orgánica, que esta confinada a la capa superior del océano en donde la fotosíntesis puede llevarse acabo. Si este material biológico permanece cerca de la superficie, continuará su ciclo con la atmósfera. Parte del carbono, como el que se encuentra en la forma de fitoplancton que prospera en la superficie oceánica, es ingerido por los peces pequeños y eventualmente por los peces o animales más grandes que en ultima instancia mueren, hundiéndose sus esqueletos o caparazones carbonatados hacia el suelo marino. Este proceso, algunas veces designado como "bombeo biológico ", lleva al carbono de la parte mas rápida del ciclo que se lleva acabo cerca de la superficie del océano al océano profundo, donde se puede almacenar por millares de años. El océano profundo es más rico en carbono inorgánico disuelto, mientras que en su superficie predomina el carbono orgánico.

El aumento de la radiación ultravioleta, que discutiremos en relación con la disminución del ozono estratosferico, también tiene implicaciones para la vida en el océano. Muchos de los organismos simples en la superficie del océano son muy vulnerables a la radiación ultravioleta. Los incrementos en esta radiación por el agotamiento de la capa de ozono pueden afectar de manera significativa a los organismos simples que se encuentran al inicio de la cadena alimenticia y que se desarrollan fundamentalmente en las aguas superficiales del océano. Esto acopla al problema de la disminución del ozono estratosferico con el de la acumulación de CO2 atmosférico: una disminución del ozono estratosferico puede contribuir al incremento de la luz ultravioleta que llega a superficie, esto disminuye la vida vegetal del océano, lo que a su vez disminuye el consumo del CO2 por parte del océano, lo que finalmente permite un incremento en las tasas de acumulación del CO2 en la atmósfera.

La luz solar que incide en la superficie del océano va disminuyendo en la medida que penetra hacia abajo, creando lo que se llama la zona eufónica que es en donde la luz solar es lo suficientemente intensa como para permitir la fotosíntesis. En la región por debajo de la zona eufotica, la tasa fotosintética neta es negativa debido a la carencia de la energía solar, dando por resultado que por debajo de un cierto nivel exista una baja actividad biológica. Además de la luz solar, los ingredientes necesarios para la producción biológica son los nutrieres, particularmente el nitrógeno y los fosfatos. El diagrama anexo muestra el consumo realizado por los microorganismos. Las capas profundas, en donde la fotosíntesis es deficiente por la falta de luz, tienden a tener niveles elevados de nutrientes. Si existiera un mecanismo para traer el agua profunda, rica en nutrientes, a la zona eufotica, el fitoplancton y las algas prosperarían, al igual que la vida marina que depende de estos organismos minúsculos. Los patrones de circulación de gran escala en ciertas regiones geográficas y los movimientos verticales en el océano cerca de los continentes permiten la circulación del agua rica en nutrientes de tal manera que proveen el alimento necesario para la zona eufotica.

Zonas eufotica y afotica.

Nutrientes esenciales para las plantas oceánicas.

Las fotografías de satélite anexas muestran la actividad biológica del océano en la vecindad de la Antártica durante la primavera del Hemisferio Sur. La escala de colores indica el nivel de la actividad biológica, variando del magenta, que representa esencialmente nula actividad biológica, al azul, al amarillo, al verde, y a finalmente al rojo, que representa la mayor concentración observada de fitoplancton. La llegada de la luz solar a la región ártica en la primavera y al inicio del verano conduce a un rápido " florecimiento" del fitoplancton en esta región. Observar que las regiones de mayor actividad biológica se encuentran a lo largo de las líneas costeras continentales y alrededor del continente antártico. Por otra parte, las áreas ecuatoriales del océano lejanas de los continentes son, en comparación, virtualmente desiertos biológicos. Ciertamente la luz solar no falta en estas áreas, así que debemos concluir que es la carencia de nutrientes en estas regiones lo que evita que sean biológicamente productivas. La surgencia cerca de los continentes crea regiones biológicamente ricas, pero un examen más cuidadoso revela que no todas las áreas costeras son igualmente productivas. Una vez más, podemos concluir que las diferencias en el ascenso del agua rica en nutrientes debe ser la causa de estas diferencias en la biología del océano.

Actividad biológica en los océanos del Hemisferio Sur.
(July/Aug 1990: American Scientist, Permiso concedido por Sigma XI, The Scientific Research Society.)

La siguiente fotografía del Hemisferio Norte, centrada en el Polo Norte, muestra que todo el Océano Atlántico del Norte es una región biológicamente muy productiva. En el Océano Pacífico del Norte, las regiones costeras entre Alaska y Rusia también muestran altos niveles de fitoplancton. Considerando que estos pequeños organismos cubren un área tan grande y consumen CO2 , debemos concluir que los océanos polares son enormes sumideros (mecanismos de remoción) del dióxido de carbono atmosférico. En contraste con las latitudes bajas, en donde la carencia de nutrientes limita la actividad biológica (excepción hecha de las costas), en las regiones polares el suministro de nutrientes es persistente, pero la falta de luz solar durante los periodos inviérnales cancela la producción de fitoplancton al inicio del otoño. Sin embargo, el largo periodo de florecimiento durante el verano significa que una enorme cantidad de dióxido de carbono es utilizada estacionalmente por estos organismos. Una observación cuidadosa a las costas de California en la siguiente figura nos muestra que el norte de California experimenta un rico florecimiento de fitoplancton, y que es menos pronunciado en el océano del sur de California.

Las corrientes oceánicas (que se discutirán mas adelante en el curso) producen preferentemente surgencias en la parte norte del Estado, situación que también provoca que las temperaturas de San Francisco sean mucho menores que las de Los Ángeles.

Actividad biológica en los océanos del Hemisferio Norte.
(July/Aug 1990: American Scientist, Permiso concedido por Sigma XI, The Scientific Research Society.)

Las concentraciones medias de pigmento de fitoplancton cercanas a la superficie en las costas de California. (NASA.)

Un factor limitante para el crecimiento del fitoplancton y de las algas alrededor del Antártida, aun durante el florecimiento de la primavera, es la insuficiente cantidad de hierro. Se hecho la propuesta de fertilizar al océano Antártico con hierro, a fin de que el aumento de las plantas marinas secuestren una mayor cantidad de dióxido de carbono de la atmósfera y contrarresten los aumentos antropogenicos. Más información sobre esta " solución del hierro" se proporciona en el diálogo electrónico, donde se le invita a expresar su opinión sobre la bondad de tales " aproximaciones de ingeniería " para resolver problemas ambientales.

Las plantas terrestres consumen dióxido de carbono durante el día y respiran de regreso a la atmósfera algo de este CO2 durante noche. El esquema anexo muestra los niveles típicos de CO2 en diferentes horas del día y de la noche en una cubierta vegetal (dosel) que crece vigorosamente. Durante la noche, las plantas tienden a respirar o liberar dióxido de carbono, aumentando su nivel ambiental por encima de la media global (que era cerca de 330 ppm cuando este esquema fue impreso). Sin embargo, durante el día si las plantas no tuvieran la limitación de la falta de agua o de los nutrientes, la fotosíntesis podría bajar la cantidad de CO2 a aproximadamente 300 partes por millón. El carbono tomado por las plantas se convierte en carbono de estas, permaneciendo en ellas hasta que el proceso de descomposición comience. Para las plantas agrícolas típicas, la biomasa es descompuesta durante el período latente y se convierte en carbono del suelo y en dióxido de carbono atmosférico a tasas que dependen de las condiciones de temperatura y de humedad. La distribución vertical del dióxido de carbono en el aire alrededor de un bosque varía con la hora del día.
J. D. Butler, Air Pollution Chemistry, 1979.

Las plantas leñosas desempeñan un papel especial en la captura (secuestro) del carbono de la atmósfera. Los árboles pierden cada año sus hojas (caducifolias) y algunas o todas de sus aciculas (hojas de las coníferas) y regresan una parte de la captura del carbono estacional de nuevo a la atmósfera. Sin embargo, las partes lenosas del árbol pueden persistir como carbono de la planta por varias décadas, hasta que el árbol muere y el descomposición comienza. Los árboles, por lo tanto, como plantas anuales, participan en la parte rápida del ciclo del carbono reciclando el CO2 de nuevo a atmósfera en 1 a 3 años, pero también almacenan algo de carbono que no es reciclado a la atmósfera por 50 a 100 años. Los bosques tropicales lluviosos tienen grandes cantidades de carbono secuestradas en los troncos de árboles como parte de este ciclo más largo. La tala de árboles interrumpe este ciclo natural de largo plazo y pone el material leñoso de nuevo dentro de la atmósfera antes de que el proceso natural de descomposición lo recicle en CO2 .

El "índice verde" del planeta para los meses de julio y agosto, que se muestra en la figura anexa, muestra la muy rica actividad biológica terrestre en las áreas continentales del Hemisferio Norte, particularmente en los bosques boreales del norte de Rusia y Canadá. En esta época del año, el Hemisferio Sur, por supuesto, experimenta un período invernal biológicamente latente. Las regiones desérticas mayores, localizadas aproximadamente a los 30o Norte y Sur del ecuador, muestran la carencia de la vegetación en ambos hemisferios (tanto en el verano como en el invierno). Durante el invierno del Hemisferio Norte, mostrado en la figura siguiente, las regiones del bosque boreal se ven como si hubieran clausurado su producción biológica. En el Hemisferio Sur, la menor cantidad de área continental no revela la dramática variación estacional que se observa en el Hemisferio Norte. Esto sugiere que los ciclos estacionales globales del dióxido de carbono atmosférico están dominados por el ciclo estacional del Hemisferio Norte.

Actividad biológica vegetal global para julio-agosto, según lo determinado por el Indice Vegetativo Global. American Scientist, Permiso concedido por Sigma XI, The Scientific Research Society.

Actividad biológica vegetal global para enero-febrero, según lo determinado por el Indice Vegetativo Global. American Scientist, 78, 322 (1990). Permiso concedido por Sigma XI, The Scientific Research Society.

La figura anexa muestra la producción biológica potencial para el planeta entero, incluyendo tanto las superficies oceánicas como las terrestres. Una conclusión importante que se puede extraer de esta figura es que las regiones relativamente grandes del planeta, que incluyen los océanos tropicales, los grandes desiertos en tierra y la Antártica, tienen un potencial muy bajo para la producción biológica. Esencialmente, toda la productividad biológica en tierra que no esta ni en los bosques ni en uso urbano se encuentra bajo el manejo agrícola humano, y la mayoría de las áreas productivas del océano son severamente explotadas por las flotas pesqueras de muchos países. El aumento en la producción de comida para alimentar a la creciente población del planeta requerirá una productividad más alta en la tierra utilizada actualmente para uso agrícola y más conversión de tierras boscosas a tierras agrícolas; ambas situaciones presentan grandes problemas y desafíos. Esta figura nos recuerda el aspecto finito de nuestro planeta y la necesidad de preservar y administrar los recursos que son la base de su producción alimentaria.

Potencial productivo de la biomasa vegetal de la Tierra.
(NASA)

Transcripción de Theresa M. Nichols

Traducido por Cecilia Conde.