Ciclo del CarbonoCiclo del Carbono

● 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.

● Decadas para el reemplazo de CO2 en la atmosfera.

El ciclo terrestre del carbono

Atm CO2 =>

Fotos: Carbono Organ =>

Otoño: cae laHoja al suelo

Bacteria y hongosDescomponenLa hoja y Transforman elCO2 en gas=>

Vuelve a la atm

Erosion y transporte por rios al oceano=> Entierra en fondo oceanico => subduccion de placa

(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

Corto(decadas) largo

Fotosintesis: absorcion de CO2 de la atm. + luz + agua = azucares + O2Respiración: azucares+ O2 = CO2 + agua

● 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

● 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● Existe un ciclo estacional de contenido de CO2

debido a que durante el verano la fotosintesis supera a la respiracion y en invierno viceversa.

Medido por observatorio en Mauna Loa

Promedio en el tiempo

● 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.

● 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

● Terrestre● Marino

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

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.

carbohidratos

● 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.)

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

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

Fora

Radio

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 microbiosliberandose 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.

Zonas de minimos de oxigeno en300m .

Maximo de nutrientesen 1 km de profundidady minimo de O2.

Concentracion de nutrientesen profundidad esta controlada por CTH.

Aguas recien formadastienen bajo contenido denutrientes. A medida que viajan con la circulacion THsu concentracion aumentapor la descomposicionde materia organica.Lo opuesto vale para O2.

Concentración alta

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 1.000 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.

Cic

lo c

ompl

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arbo

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rgán

ico

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).

Atmosfera

Océano

Litósfera

Existe un flujo continuo de CO2 entre la atmosfera y el oceano y la distribucionde 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 profundaso donde la concentracion oceanica de CO2 es menor que en la atmosfera.

Sumiderode 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 bicarbonatoH2CO3 <-> H+ + HCO3- (2)

Ion carbonatoHCO3- <-> 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 travesde las siguientes reacciones

CaCO3 + H2CO3 -> Ca(+2) + 2HCO3(-)

CaSiO3 + 2H2CO3 -> Ca(+2) + 2HCO3(-)+SiO2 + H2O

Ambas reacciones producen iones de calcioy bicarbonato. La meteorizacion de silicatosproduce silice.

Notar que la meteorizacion de silicatosconsume el doble de CO2 disuelto que el caso de carbonatos.

Silicatos de Calcio

CarbonatosDe calcio

● 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.

● 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

Efecto neto de remocion de CO2 de la atmosfera y el oceano

● 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.

● 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 millonesde años y ayuda en la mantención de las condiciones de habitabilidad

terrestre.

Paradoja del joven sol debil

● El origen de la vida se remonta a 3.5 billones de años.

● Para que haya vida es necesaria la existencia de agua liquida

● En esa epoca el sol brillaba un 30% menos que hoy.

● ¿Como es posible que hubiera agua liquida con tan debil radiacion solar?

T e4=S41−A

A=0.3 ; S=1366W /m2⇒T e=255K y T s=288K

Si S=0.7∗1366⇒T s=266K=−7C

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.

● 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

6 periodos de glaciación

Snowball Earth

Como los continentes estaban en los tropicos, mientras se congelaban las altas latitudes la meteorizacion de silicatos seguia actuando de sumidero de CO2.

Retroalimentacion hielo-albedo actua para congelar y luego para descongelar

Necesita unosmillones de añospara elevar el CO2tal que pueda iniciardescongelamiento