Ciclo del Carbono

Ciclo del Carbono
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El reciclaje de elementos entre los
componentes del sistema Tierra es
fundamental para la habitabilidad del planeta.
La atmósfera, el océano y las placas
transportan material entre las diferentes partes
del sistema donde son utilizados por procesos
biológicos y físicos.
Entre los elementos el C es el + importante:
–
La vida esta basada en C
–
Efecto invernadero
–
Acidez oceánica
–
La mantencion de O2 en la atmosfera depende
de la transferencia de C a rocas
sedimentarias
●
Para lograr esto el ciclo del carbono tiene una
jerarquia de sub-ciclos que ocurren en una
variedad de escalas de tiempo.
–
Millones de años para el reciclado de C a traves
de rocas sedimentarias y para el intercambio
de C con el interior de la Tierra.
–
Los volcanes emiten CO2 a la atmosfera pero a
una razon muy lenta que permitiria una
actividad biologica muy limitada si no
existieran mecanismos de reciclado de
nutrientes muy eficientes en la biosfera.
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Decadas para el reemplazo de CO2 en la
atmosfera.
El ciclo terrestre del carbono
Atm CO2 =>
Fotos: Carbono
Organ =>
Otoño: cae la
Hoja al suelo
Corto
(decadas)
largo
Bacteria y hongos
Descomponen
La hoja y
Transforman el
Erosion y transporte
CO2 en gas=>
por rios al oceano=> Entierra en fondo oceanico
=> subduccion de placa
Vuelve a la atm
(1) debido a gran presion y T se convierte en gas => vuelve a la atm
(2) forma parte de rocas sedimentarias/metam
=> permanece millones de años hasta que sale a la superf =>
Meteorizacion => vuelve a la atm
Fotosintesis: absorcion de CO2 de la atm. + luz + agua = azucares + O2
Respiración: azucares+ O2 = CO2 + agua
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Si en lugar de haber sido usado el CO2 en la
fotosintesis de plantas terrestres hubiera sido
usado por algas marinas el CO2 hubiera
seguido el ciclo de carbono organico marino.
Existen otros procesos donde no participa el
carbono organico que forman el ciclo
inorgánico del carbono.
Reservorios de carbono
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Reservorio: definido
por la cantidad de
material que contienen
en un cierto t. Cambia
de acuerdo al flujo
entrante y saliente.
–
1 Gt(C) – 109 toneladas
metricas; 1 tonelada
metrica = 1000 kg
Para la atmosfera
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Existe un ciclo estacional de contenido de CO2
debido a que durante el verano la fotosintesis
supera a la respiracion y en invierno viceversa.
Promedio en el tiempo
Medido por observatorio en Mauna Loa
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En escalas de tiempo suficientemente largas el
ciclo natural de CO2 está en estado
estacionario, a pesar del ciclo estacional
El hombre ha alterado este estado a traves de
la emision de CO2.
La biosfera tiende a contrarestar el aumento
antropogenico a traves de fertilizacion por
CO2.
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Tiempo de residencia = tamaño del reservorio
en estado estacionario / flujo entrante
–
Atmosfera: TdR = 760Gt(C) / 60Gt(C)/año =
12.7 años
–
Carbono es reemplazado cada 12.7 años
Tiempo de respuesta característica = tiempo
de respuesta del reservorio a una perturbacion
(cambios en flujo entrante/saliente)
–
Se define en caso de no estado estacionario
–
Si fotosintesis no ocurriera mas pero si
respiracion, la concentracion de CO2 en la
atmosfera se duplicaria en 12 años.
Ciclos rápidos de carbono
organico
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Terrestre
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Marino
Ciclo terrestre de carbono organico
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Incluye procesos en escalas
diarias/estacionales como la
fotosintesis y mas lentos
como la descomposicion.
Producción primaria es la
cantidad de materia
orgánica producida por
fotosintesis/A/t
carbohidratos
CO2 + H2O -> CH2O + O2
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Productores primarios:
(plantas) proveen energia
que otros pueden consumir.
Mayor parte de la biomasa
en las raices y troncos por
lo que el C tiene tiempos de
residencia de decadas.
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Biomasa de consumidores
es 1% de la biomasa de
productores.
50% de la materia organica
producida es respirada por
plantas y animales
CH2O+ O2 -> CO2 + H2O
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El otro 50% se descompone
en el suelo por procesos
aerobicos y anaerobicos
(bacterias y hongos).
–
La descomposicion
aerobica es
identica a la
respiracion.
●
La descomposición
anaeróbica en capas del
suelo que no tienen O2
ocurre por medio de la
metanogenesis.
–
2CH2O -> CO2 +
CH4
–
Tiene varios pasos
que incumbe dif.
tipos de bacteria
–
CO2 escapa a la
atmosfera y entra
de nuevo en el ciclo
–
CH4 se oxida
(combina con O2
para producir CO2.)
Ciclo marino de carbono organico
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Fitoplancton, tales como
diatomeas y cocolitóforos
son los productores
primarios.
La fotosintesis ocurre en la
zona fótica, o sea donde
existe luz para la
fotosintesis – 100m en el
oceano abierto.
Los gases (CO2 y O2)
usados estan disueltos en
el agua. Intercambio con la
atmosfera.
Diato
Coco
●
La mayor parte de la
materia organica en
superficie es
consumida por
zooplancton, p.ej.
foraminifera y
radiolaria
Radio
Fora
Bomba biologica (flujo de CO2 y
nutrientes de superf al fondo)
Solo el 1% del
detritus de
superficie llega al
fondo marino. El
resto es
descompuesto en
el camino por
animales y
microbios
liberandose CO2
y nutrientes.
● Del 1% solo el
0.1% es
preservado en los
sedimentos. El
resto es
descompuesto por
bacterias.
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La bomba bilogica es balanceada por el
afloramiento de aguas profundas que trae nutrientes
a la superficie.
Maximo de nutrientes
en 1 km de profundidad
y minimo de O2.
Concentracion de nutrientes
en profundidad esta
controlada por CTH.
Zonas de
minimos de
oxigeno en
300m .
Aguas recien formadas
tienen bajo contenido de
nutrientes. A medida que
viajan con la circulacion TH
su concentracion aumenta
por la descomposicion
de materia organica.
Lo opuesto vale para O2.
Concentración alta
Ciclo lento de carbono organico
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Dominado por
procesos geológicos
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Los flujos de CO2
son pequeños y los
tamaños de los
reservorios enormes.
Influencia el clima en
escalas de 1.000 a
millones de años.
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El carbono organico
asociado a los sedimentos
que provienen de los
continentes y de los oceanos
se va depositando en el
fondo marino y pasa a formar
parte de la litosfera en las
rocas sedimentarias.
Cuando la materia organica
vuelve a entrar en contacto
con O2 (meteorizacion)
libera el carbono en forma de
CO2 a la atmosfera. Misma
ecuac. quimica que para
respiración.
Ciclo completo de carbono orgánico
Ciclo del carbono inorganico
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CO2 se disuelve en
agua de lluvia y en el
oceano, reacciona
quimicamente y
forma otros iones de
carbono inorganico.
Este carbono oxidado
pasa a formar parte
de procesos quimicos
donde no interviene
el carbono organico.
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Reservorios:
atmosfera, oceano,
sedimentos y rocas
sedimentarias
(calizas; carbonato de
calcio CaCO3).
Atmosfera
Océano
Litósfera
Existe un flujo continuo de CO2 entre la atmosfera y el oceano y la distribucion
de fuentes y sumideros depende de la circulacion oceanica y la productividad.
Flujo de CO2 hacia la atmosfera ocurre en las regiones de afloramiento
Flujo de CO2 hacia el oceano ocurre en regiones de formacion de aguas profundas
o donde la concentracion oceanica de CO2 es menor que en la atmosfera.
Sumidero
de CO2
atmosferico
Fuente
De CO2
En el agua de mar el CO2
disuelto sufre las siguientes
reacciones
Formacion de acido carbonico
CO2 + H2O <-> H2CO3
(1)
Acido carbonico, a su vez, se
disocia en iones:
Ion bicarbonato
H2CO3 <-> H+ + HCO3- (2)
Ion carbonato
HCO3- <-> H+ + CO3(2-) (3)
PH= - log (H+)
Cuantos mas cationes H+ mas
acídica es el agua y el pH es
menor.
●
La liberacion de CO2 a la atmosfera por
acciones humanas ha convertido a los océanos
en un sumidero. A su vez cambia el pH de los
oceanos a traves de la accion combinada de
las tres ecuaciones anteriores (1), (2) (-3):
CO2 + CO3(2-) + H2O <-> 2HCO3(-)
●
Existe un limite a la cantidad de CO2 que
puede absorber el oceano que es menor a la
cantidad de combustible fosil (y esta dado por
la concentracion de CO3(-2) en el oceano).
Una quimica similar ocurre cuando el
CO2 se disuelve en gotas de lluvia. La
lluvia se vuelve mas acida y “ataca” las
rocas (meteorizacion quimica) a traves
de las siguientes reacciones
CaCO3 + H2CO3 -> Ca(+2) + 2HCO3(-)
CaSiO3 + 2H2CO3 -> Ca(+2) + 2HCO3(-)+
SiO2 + H2O
Ambas reacciones producen iones de calcio
y bicarbonato. La meteorizacion de silicatos
produce silice.
Notar que la meteorizacion de silicatos
consume el doble de CO2 disuelto que
el caso de carbonatos.
Silicatos de
Calcio
Carbonatos
De calcio
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●
Los oceanos
eventualmente reciben el
material disuelto
producto de la
meteorizacion el cual se
mezcla con el agua de
mar.
Diatomeas usan el Si
para formar sus
esqueletos
Foraminiferas,
cocolitóforos, corales
usan calcio para sus
conchas y esqueletos
●
Los organismos que
producen CaCO3 remueven
el Ca del agua:
Ca(+2) + 2HCO3(-) ->
CaCO3 + H2CO3
En esta reaccion se produce
H2CO3 y por lo tanto CO2
disuelto
●
Los cocolitóforos son
fitoplancton por lo que esta
reaccion se opone a la
fotosintesis. En gral la
produccion biologica en
superficie tiende a disminuir
CO2 pues pocos fitoplancton
producen esqueletos con Ca.
●
●
Cuando los organismos mueren los esqueletos se hunden y
llegan al fondo casi sin descomponer. Quedan enterrados y
pasan a formar parte del reservorio de piedra caliza. Cuando
ocurre el levantamiento tectonico la piedra caliza queda
expuesta y comienza el ciclo nuevamente.
Lo anterior ocurre para profundidades < 4km. El agua se vuelve
corrosiva para z > 4 km y el carbonato no se acumula en el
fondo.
Efecto neto de remocion
de CO2 de la atmosfera
y el oceano
●
El efecto neto de
meteorizacion de
carbonatos en la tierra +
precipitacion en el
oceano es nulo pues los
dos procesos se
balancean.
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El efecto neto de la
meteorizacion de
silicatos en la tierra +
precipitacion de
carbonatos en el oceano
es
CaSiO3 + CO2 -> CaCO3
+SiO2
lo cual representa un
sumidero al CO2 de la
atmosfera. Esto haria
desaparecer el CO2 atm
en 1 millon de años ->
vulcanismo devuelve el
CO2 a la atm
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En margenes de placas convergentes parte de los sedimentos del
fondo marino participa en la subduccion. La presion y altas
temperaturas en profundidad convierten los sedimentos en rocas
metamorficas y una de las reacciones es:
CaCO3 + SiO2 -> CaSiO3 + CO2
●
Si las T son suficientemente altas se genera magma que luego
puede erupcionar en volcanes y emitir el CO2
●
En la vida de nuestro
planeta ha existido un
balance entre la
emision de CO2 por
los volcanes y el
consumo de a traves
de la meteorizacion
de silicatos.
=> debe existir una
retroalimentacion
negativa que lo
mantenga.
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La meteorizacion
depende del clima
(aumenta con la
temperatura y la
lluvia)
Las erupciones
volcanicas dependen
del flujo de calor del
interior de la Tierra
Retroalimentacion que opera en escalas de millones
de años y ayuda en la mantención de las condiciones de habitabilidad
terrestre.
Paradoja del joven sol debil
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El origen de la vida
se remonta a 3.5
billones de años.
●
¿Como es posible
que hubiera agua
liquida con tan debil
radiacion solar?
Para que haya vida
es necesaria la
S
existencia de agua
 T = 1−A
4
liquida
A=0.3 ; S =1366 W / m2⇒ T =255K
4
e
e
●
En esa epoca el sol
brillaba un 30%
menos que hoy.
y T s=288 K
Si S =0.7∗1366 ⇒ T s=266K=−7 C
3 posibles soluciones
●
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El albedo era menor:
deberia haber sido
A=0, lo cual es
imposible debido a
que siempre hay
nubes.
Energía geotérmica
era mayor pero
solamente 3 veces
mas que hoy =
0.3W/m2 lo cual es
muy chico.
●
El efecto
invernadero era
mayor pues la
concentracion de
CO2 era mayor. Si
solamente habia CO2
y H2O se necesitaba
tener 1000 veces
mas CO2 que el
actual.
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Si la T decrece debido a
menor luminosidad la razon
de meteorizacion de silicatos
disminuye, disminuyendo la
perdida de CO2. El CO2
emitido por los volcanes se
acumula en la atmosfera
aumentando el efecto
invernadero.
Si la Tierra se hubiera
congelado completamente
no habria sumidero de CO2 y
el CO2 emitido por los
volcanes se concentra hasta
que el ef. Invernadero es
suficientemente fuerte como
para el descongelamiento.
Registro de temperatura terrestre
Snowball Earth
6 periodos de glaciación
Retroalimentacion hielo-albedo actua para congelar y luego para descongelar
Necesita unos
millones de años
para elevar el CO2
tal que pueda iniciar
descongelamiento
Como los continentes estaban en los tropicos, mientras se
congelaban las altas latitudes la meteorizacion de silicatos
seguia actuando de sumidero de CO2.