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La atmósfera cambiante: una perspectiva sistémica
Clase 3: Interacciones entre la biósfera y la atmósfera
GF 777Otoño 2002
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Contenidos de hoy• ¿?• Modelación de ciclos biogeoquímicos...algunos elementos y
herramientas• Procesos de intercambio entre biósfera y atmósfera:
– emisión– deposición
• Biósfera terrestre y atmósfera– Quema de biomasa – Nitrógeno y suelos
• Biósfera marina y atmósfera– DMS et al– COS et al– N2O– Fe– N
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Ejemplo: Ciclo hidrológico
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Recipiente de masa M
Fuentes (Q) Sumideros (S)
Tiempo de Recambio
S
M= SQ=
dt
dM
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Tiempo de recambio y variabilidad
Charlson, 1992
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Procesos de remoción
Deposición Húmeda
Deposición Seca
U-
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Deposición Húmeda
Remoción de gases y aerosoles por hidrometeoros
•Gotas de nubes•Gotas de neblina•Lluvia•Nieve
H2 O en estado condensado Arra
stre/S
caven
ging
Transformaciones de fase y reacciones químicas
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Deposición Húmeda
“In cloud scavenging”•Difusión•Ley de Henry
“Sub-cloud scavenging”•Inercia•Colisiones
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Análogo de Ley de Ohm
Resistencia Aerodinámica a los flujos turbulentos
Resistencia Aerodinámica a los flujos viscosos/laminares
Resistencia Fisiológica/Química
Fdep=C/R=C vdep
Por convención a 10 m
Deposición
I=V/R
V R
I
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Emisiones
Naturales
Antrópicas
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Quema de biomasa
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Factores que influyen sobre el tipo y cantidad de las emisiones...• Tipo de vegetación (combustible)
• Contenido de agua de la vegetación y el suelo
• Temperatura ambiente
• Humedad ambiente
• Vientos
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Composición típica de biomasa terrestre/plantas
• 40% carbón• 7% hidrógeno•53% oxígeno•0.3-4% nitrógeno•0.1-0.9% azufre•otros (Mg, Rb, .....)
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bosques: 1 hr vs 1 díasabanas: unos minutos vs unas horas
http://asd-www.larc.nasa.gov/biomass_burn/biomass.html
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Roses, trees, etc...they all smell..(Compuestos OrgánicosVolátiles).
+H2O, aerosoles
CO2, H2O
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Efectos...
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http://dionysos.mpch-mainz.mpg.de/~bibex/
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Interacciones entre atmósfera y biósfera/Ciclo del nitrógeno
Formas del nitrógeno•Ácido nítrico HNO3
•Dióxido de nitrógeno NO2
•Óxido de nitrógeno NO•Óxido nitroso N2O•Nitrógeno molecular N2
•Amoniáco NH3
•Amonio NH4
•Aminas R-NH2
•Amidas NH2-CO-NH2
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Nitrógeno en la atmósfera
N2
>99.9%
3.9x109 TgN
N2O
>99.6%
0.4%
1.3x103 TgN 47%gaseosoinorgánico
37% particulado inorgánico
16%orgánico
5.2 TgN
<0.01%Comp.
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Nitrógeno en los sistemas terrestres
93.5%orgá-nico
3.4x105 TgN
6.5% inor-gánico
96%mat.org.
muerta4%biomasa
3.2x105 TgN 94%plantas
4%micro-organismos
2% animales
1.3x104 TgN
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Transformación biológica de compuestos de nitrógeno
NH3/NH4+ NO2
-/NO3-
N2/N2O
N orgánico
1
5
3
42
6
1: fijación; 2: asimilación de amoniáco; 3:nitrificación;4:reducción asimilatoria de nitrato; amonioficación;6:denitrificación
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Fijación de nitrógeno
Requiere de:•Organismos con avanzadas propiedades catalíticas capaces de romper el enlace triple del nitrógeno molecular•Condiciones anaeróbicas
Organismos diazotróficos:RHIZOBIUM en sistemas terrestresCIANOBACTERIAS en sistemas acuáticos
NH3/NH4+
N2/N2O1
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Flujos turbulentos
Flujos turbulentos
Flujos viscosos
Flujos viscosos
Atmósfera
Océano
20-200 m
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Atmósfera
Océano
Ra
Raq
Ca
Caq
F
F
C
Ca_i
Caq_i
R
C F
V R
I
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CR
C F
K
Henrydecte.K
CK-CC
H
aqHa
k
K
kH
a
1RRR aqa
aqiaqiaa CCkCC __ak F
K, ka,k: velocidades de transferencia: reactividad química (=1 para gases inertes)
Ra >Raq gases poco solubles (O2,N2,CO2, CH4, etc)Ra<Raq gases solubles (H2O, SO2, NH3, etc.)
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Factores que afectan la transferencia de gases entre el océano y la atmósfera
• Olas y vientos...a mayores olas más transferencia
• Estructura fisicoqúímica de la superficie
• Intesidad de la mezcla turbulenta
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DMS (Dimethyl Sulfide) is an organic sulfur compound present above its flavor threshold in most beers. Because of its low flavor threshold, 10 - 150 ppb, it is a primary flavor and aroma compound that makes a significant contribution to beer character, especially in lager beers. It has a characteristic taste and aroma of cooked or creamed corn.
http://www.abtonline.com/dms.html
CH3-S-S-CH3
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•16 TgS/a de un total de 101 TgS•Juega un importante rol como precursor de núcleos de condensación en la atmósfera marina remota
Azufre Atmosférico
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Algo más que el viento...
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http://me-www.jrc.it/dms/
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Promedio anual de DMS en aguas superficiales
Kettle et al., 1999
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Veranos 1998-2001/DMS en aguas superficiales
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Inviernos 1998-2001/DMS en aguas superficiales
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Carbonil sulfuro O=C=S;monóxido de carbono y COVs son fotoproducidos en el mar
Materia orgánica disuelta y de color (Chromic Dissolved Organic Matter)
h
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Óxido nitroso (N2O) o gas hilarante
ca. 1850
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Óxido nitroso (N2O)
• Ha aumentado desde la era preindustrial desde 275ppbv a 312 ppbv y sigue aumentando (0.8 ppbv/año)
• Es un gas de efecto invernadero responsable de un forzamiento de ca. 0.14W/m2 desde la era preindustrial (el forzamiento total se estima en ca. 2.5 W/m2).
• Su sumidero más importante es la fotólisis en la baja estratósfera ( =120 años).
• En la estratósfera constituye una fuente importante de NO y participa en procesos catalíticos que afectan el balance de O3
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Promedio anual de N2O en aguas superficiales
Nevison et al., 1995
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Fertilización (Fe,N,P, etc.) ...¿productividad marina?
Duce et al., 1991
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En la mitad del océano, el nutriente limitante es el N
Galloway, 1994; Watson, 1997