Thread by @scnycc

El aumento del dióxido de carbono (el CO2) es el principal causante del #cambioclimático. En este hilo vamos a explicar el ciclo del carbono, su evolución histórica y cómo el ser humano ha impactado en este. Además del impacto en océanos, en series vivos y en tierra.

Empezaré el hilo con un pequeño repaso del efecto invernadero. Luego veremos las principales fuentes y sumideros del CO2 a diversas escalas temporales con ejemplos de la historia de la Tierra, además del importante papel de los océanos. Acabaremos hablando del metano.

Podríamos trocear la radiación electromagnética del Sol que llega al planeta en función de su frecuencia o longitud de onda. La que nos llega se concentra sobre todo en la parte visible y el infrarrojo cercano del planeta (mirad imagen derecha)

Al calentar el planeta, este emite energía térmica, sobre todo en la parte del infrarrojo. Si toda esa energía escapara al espacio la temperatura de la Tierra sería de unos -23ºC, pero la atmósfera impide que escape tanta energía gracias al efecto invernadero.

¿En qué consiste esto último? Hay ciertos gases en la atmósfera que absorben la energía que emite la superficie de la Tierra o la del Sol. Cuando absorben esta energía se excitan y pasan a un nivel de energía + alto, por lo que en algún momento tendrán que volver a emitir energía

El ozono por ejemplo, recibe radiación ultravioleta y emite energía térmica. Nos protege de esa radiación a cambio de calentar la estratosfera. El CO2, vapor de agua y metano (CH4) reciben energía en el IR y vuelven a reemitirla hacia la superficie, calentando el planeta.

Si considerásemos este efecto invernadero como una capa, la temperatura del planeta sería de 30ºC. Los gases que más contribuyen son el agua, el CO2, el NO2, el metano y el ozono, que no son ni el 1% de ltotal de gases de la atmósfera.

https://twitter.com/scnycc/status/1464596979292463104

Fijaos el aumento que produce de temperatura tan poca cantidad de gases, Si añadiéramos los procesos de absorción y emisión que faltan tendríamos el balance energetico terrestre, que expliqué en este hilo y la temperatura descendería a la media global

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Estos gases de efecto invernadero siguen un complejo ciclo a diferentes escalas temporales. El que vamos a comentar en este hilo son los relacionados con el carbono: el CO2 y el CH4, que son los que están siendo enormemente alterado por la humanidad.

En esta imagen resume el IPCC el ciclo del CO2 con sus fuentes y sumideros . En rojo tenéis las alteraciones que está realizando el ser humano promediada entre 2000 y 2009 y lo acumulado desde 1750 en depósitos researchgate.net/figure/Simplif…

Este ciclo se da a diferentes escalas temporales: millones de años para las emisiones volcánicas, cientos de años para los océanos, decenas de años para ciertos ciclos biológicos y hasta estacionales por la muerte y crecimiento de plantas. Vamos a comentar cada uno.

Esta imagen resumiría la escala temporal más larga. La aportación volcánica del CO2 es casi nula a escalas temporales cortas pero si hay un aumento a escalas de miles de años puede ser significativa y aumentar la temperatura del planeta.

El agua de lluvia reacciona con el CO2 y forma ácido carbónico, que luego erosiona rocas como silicatos y carbonatos. De alguna manera, las rocas acabarán en la superficie del océano (arrastradas por ríos por ejemplo). La superficie se elimina por subsidencia de la corteza.

Acordaos de la tectónica de placas. Estas rocas luego pueden acabar fundidas en el interior de la Tierra, recuperando el CO2 inicial y volviendo a expulsarse en futuras erupciones volcánicas. Por lo que si aumenta la lluvia, aumenta la erosión, -CO2

Pasemos a escalas de cientos de años y hablar de un gran sumidero de CO2, el océano. El CO2 es absorbido en los océanos más fríos y expulsados en los cálidos y es controlado por las corrientes oceánicas y los ciclos biológicos

1º el CO2 gaseoso reacciona con el agua (H2O) para formar ácido carbónico (H2CO3). También llamado CO2 disuelto.
2º Este CO2 disuelto se ioniza en el agua, formando el ion H+ y el ion bicarbonato (HCO3-)
3º El bicarbonato se disocia de nuevo para formar el ion carbontao (CO3-)

El ion carbonato se combina con otras especies para formar materia orgánica de la que están compuestas organismos marinos, como el carbonato cálcico de organismos marinos (CaCO3).
Aquí tenéis un resumen de todas estas reacciones

Los animales que forman este carbonato cálcico, por ejemplo el de las conchas de las almejas, son un sumidero de CO2. Además cuando mueren entierran este carbono.
A la suma de bicarbonato, carbonato y CO2 disuelto se le llama DIC (Carbono inorgánico disuelto en inglés)

También hay que tener en cuenta la presencia de los organismos fotosintéticos como el fitoplacton, que convierten el CO2 en carbono orgánico disuelto (DOC). Esta materia orgánica acaba en las profundidades de los océanos. Esto se conoce como bomba biológica.

En las profundidades del océano el carbonato cálcico se vuelve a disolver y junto al DOC es transportado por las corrientes oceánicas a la superficie. Como completar este circuito de corrientes lleva unos 1000 años, el océano es un buen sumidero de CO2.

El problema surge cuando se calientan los océanos. Los océanos más cálidos, como los tropicales, emiten CO2 y las reacciones suelen ocurrir de 3 a 1. Cuanto -pH, +acidez tiene el océano, lo que impide que la reacción 2 tenga lugar. En océanos más básicos (+ph) sucede lo contrario

Porque hay menos cantidad de H+. No solo eso, en océanos más ácidos, al haber -iones, el carbonato cálcico se disuelve con más facilidad. Como consecuencia, mueren más organismos calcáreos y les cuesta más crear las conchas.

Cuanta temperatura, más ácidos serán los océanos. Por lo que el calentamiento global hará que aumente la expulsión de CO2 de los océanos al volverse más ácidos, es una retroalimentación positiva.

Fijaos como en los oceános más fríos, es donde más está disminuyendo el pH por el calentamiento global, lo que los vuelve más ácido. en.wikipedia.org/wiki/Ocean_aci…
A la derecha tenéis el pH actual, los tropicales tienen - y los cercanos a los polos +pH.

En resumen: -temperatura, se absorbe CO2, que es disuelto y puede ser convertido a carbonato cálcico.+T, emite CO2, el carbonato cálcico se disuelve. A esto hay que añadir la bomba biológica, que aumenta si hay más nutrientes.

La última parte del ciclo es para la biológica terrestre y la que sabemos desde pequeño. Las plantas usan la luz solar y el CO2 para producir oxigeno durante el día. Otros seres vivos y las plantas por la noche usan el oxígeno para la respiración y sus necesidades vitales.

A esto hay que añadir otros procesos biológicos como la descomposición. Muchos organismos microscópicos convierten el carbono orgánico de los series vivos que mueren en CO2 que expulsan a la atmósfera.

Aún así, parte de la materia orgánica queda enterrada y preservada, siendo uno de los principales sumideros de CO2. Otra fuente natural de CO2 son los incendios

La materia orgánica que se preservó desde hace millones de años en forma de petróleo y carbono es la que los seres humanos están usando para distintos fines industriales y automovilísticos se está emitiendo ahora en forma de CO2. Luego veremos el origen de gran parte de ella.

A esto hay que añadirle los cambios en el ciclo por la alteración de suelos debido a la agricultura y otros fines. Podéis comparar de nuevo los procesos geológicos con los actuales, por ejemplo.

Ahora vamos a pasar a comentar cómo ha cambiado el CO2 a lo largo de la historia de la Tierra, para ver cómo se ha ido alterando este ciclo. Después de la formación de la Tierra, la cantidad de CO2 era muy grande, debido a la mayor actividad volcánica.

La desgasificación y el aumento del oxígeno desde hace 2.7 Ga (miles de millones de años) hicieron que disminuyeran de forma dramática. Aún así, a una menor escala (millones de años) se fueron dando cambios en la concentración por volcanes y erosión.

Un ejemplo fue la formación de una glaciación tipo bola de nieve por el aumento de lluvias. Este tipo de glaciaciones acaban cuando el CO2 aumentaba por la mayor actividad volcánica y se expulsaba también el acumulado en los océanos.

https://twitter.com/scnycc/status/1158842042270781442

Desde la era Paleozoica (desde hace 500 Ma), ya el CO2 tiene una concentración mucho más pequeña que pudo llegar a las 2000 partes por millón (ppm). Es decir que si dividiéramos la atmósfera en un millon de partes, 2000 hubieran sido de CO2. earth.org/data_visualiza…

Actualmente hay unas 400 ppm. De esta era hay que destacar un gran episodio de enterramiento de materia orgánica por un gran aumento de plantas terrestres. Al morir no fueron descompuestas y acabaron fosilizadas como carbón

https://twitter.com/scnycc/status/1165950356817424384

Esto fue debido a la poca presencia de organismos que pudieran descomponer tanta cantidad de planta y se tradujo en una disminución de CO2 y favoreció las glaciaciones posteriores.

Durante el Mesozoico (hace 250 Ma) la concentración de CO2 también fue alta y sucedieron episodios de enterramiento de materia orgánica por episodios de anoxia (mares con poco oxígeno,como lo que sucede a veces en Mar Menor) que formaron el petróleo actual

https://twitter.com/scnycc/status/1168887211808436225

A destacar varios momentos puntuales de aumento de CO2 como la Gran Extinción hace unos 65 Ma debido posiblemente a la caída de un asteroide, que volatilizó gran cantidad de carbonato cálcico. Esto produjo un aumento de CO2 y un posterior calentamiento.

Otro fue el Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno, un evento en el que en unos pocos miles de años se liberó gran cantidad de CO2 a la atmósfera y tiene gran interés por su parecido con el cambio climático actual twitter.com/i/events/11692…

En este episodio se han recogido distintas evidencias de acidificación de los océanos, por el cambio de color en los sedimentos, ya que al disminuir los organismos calcáreos los sedimentos tendrán menos carbonato de calcio.

https://twitter.com/scnycc/status/1163775752317415426?s=20&t=NCngTicD20GEfGa0f1Hv_w

En los ciclos de glaciaciones del último millón de años se producían aumentos en el CO2 en periodos interglaciares y descensos en glaciaciones, debido a que la bomba biológica aumentaba su fuerza en glaciaciones, enviando el DIC a las profundidades

https://twitter.com/scnycc/status/1175810467970867201

Esto fue debido a que aumentaba el número de nutrientes (como los fosfatos) en las aguas por una mayor aridez en tierra y los vientos, lo que hacía aumentar el nº de organismos. Por el contrario, en periodos interglaciares aumentaba la mezcla de aguas profundas con superficiales

Desde la Revolución Industrial el CO2 se ha incrementado de forma significativa (mirad el gráfico de hace 2 tuits) en comparación con las eras glaciares. Si nos centramos en este último siglo hemos aumentado casi en 100 ppm en 60 años, cuando antes tomaba miles de años.

La estructura dentada de la gráfica se debe al ciclo estacional de plantas, cuando crecen en primavera y aumenta la absorción de CO2. Cómo evolucione en el futuro ya depende de nosotros

Y antes de acabar no hay que olvidarse del metano. Aquí podéis ver su evolución. La cantidad en la atmósfera es mucho menor, por eso se mide en partes por mil millón (ppb), pero una molécula de metano emite más radiación en el IR que el CO2

El metano tiene también otro ciclo que estamos alterando. A escalas largas de tiempo es emitido también por volcanes y puede quedar enterrado o en el permafrost, la capa de hielo permanente que dura todo el año.
ipcc.ch/report/ar5/wg1…

A escalas de tiempo más cortas se puede producir por metanogénesis, que es la creación de metano al consumir materia orgánica en lagos o humedales. La digestión de animales como vacas y ovejas también producen cantidades importantes de metano. Los campos de arroz son otro emisor.

El metano se puede crear en la troposfera y estratosfera gracias al ozono y los hidróxidos. Puede ser eliminado para formar CO2. Los seres humanos emiten metano en procesos industriales, como en la creación de gas natural y por las actividades agrícolas y ganaderas.

2/3 del metano producido actualmente serían producidos por actividades antropogénicas. Su reducción es importante porque es 20 veces más potente que el CO2, como mencioné antes.

Otro gas importante es el monóxido de carbono, que se crea en procesos de combustión, pero es eliminado en la atmósfera. Aunque causa problemas respiratorios. Otros compuestos carbonatados son más problemáticos por su impacto en la calidad del aire.

Referencias:
-Physics of the Atmosphere and Climate, Salby cap 17 para lo del océano.
-Fuentes y sumideros de carbono physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.…
-Atmosphere, Weather and Climate. Cap 2. Barrey and Charley para el metano.
-Gráficas del A5del IPCC

-Fuentes y sumideros de carbono physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.…
-Para la evolución del CO2, libros de paleoclimatología como Paleoclimate, de Michael Bender
Agradecimientos a @MartinOlalla_JM porque mucha de estas cosas me la enseñó en su asignatura de Meteorología en el grado en Física

Extra 1, las fuentes (izquierda) y sumideros (derecha) de CO2 a corto plazo. Observad lo que se queda los océanos. De ahí su importancia en la absorción de CO2.

Aclaración 1: aunque veáis el CO2 muy alto en periodos del Paleozoico, había glaciaciones porque influían otras variables, por ejemplo el menor brillo del Sol.

Fe de erratas 1: la temperatura de la Tierra sin efecto invernadero sería -18ºC y lo de que el CH4 es más potente que el CO2 es más complicado de lo que pensaba

https://twitter.com/ecosdelfuturo/status/1141072634001731589?s=20&t=Esp7a-LQRpwHj35q7ABTUw

Para los que busquéis más cifras del ciclo del carbono ipcc.ch/site/assets/up…

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