Para lograr esto el ciclo del carbono tiene una jerarquia de sub-ciclos que ocurren en una variedad de escalas de tiempo.

Transcripción

1 Ciclo del Carbono

2 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

3 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. Decadas para el reemplazo de CO2 en la atmosfera.

4 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

5 Fotosintesis: absorcion de CO2 de la atm. + luz + agua = azucares + O2 Respiración: azucares+ O2 = CO2 + agua

6 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.

7 Reservorios de carbono 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

8 Para la atmosfera 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

9 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.

10 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.

11 Ciclos rápidos de carbono organico Terrestre Marino

12 Ciclo terrestre de carbono organico 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 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.

13 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 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.)

14 Ciclo marino de carbono organico 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

15 La mayor parte de la materia organica en superficie es consumida por zooplancton, p.ej. foraminifera y radiolaria Radio Fora

16 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. La bomba bilogica es balanceada por el afloramiento de aguas profundas que trae nutrientes a la superficie.

17 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.

18 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

19 Ciclo lento de carbono organico Dominado por procesos geológicos Los flujos de CO2 son pequeños y los tamaños de los reservorios enormes. Influencia el clima en escalas de a millones de años. 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.

20 Ciclo completo de carbono orgánico

21 Ciclo del carbono inorganico 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. Reservorios: atmosfera, oceano, sedimentos y rocas sedimentarias (calizas; carbonato de calcio CaCO3).

22 Atmosfera Océano Litósfera

23 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

24 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.

25 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).

26 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

27 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.

28 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.

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30 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. 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

31 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

32 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. 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

33 Retroalimentacion que opera en escalas de millones de años y ayuda en la mantención de las condiciones de habitabilidad terrestre.

34 Paradoja del joven sol debil 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 = T s=266k= 7 C

35 3 posibles soluciones 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.

36 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.

37 Registro de temperatura terrestre Snowball Earth 6 periodos de glaciación

38 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.