Ciclos Biogeoquímicos: Intercambio de Elementos

Ciclos Biogeoquímicos

• Son ciclos de elementos químicos entre almacenamientos biológicos y geológicos.
• Todos los ciclos biogeoquímicos tienen fases orgánicas (elemento en organismo vivo) e inorgánicas (elemento fuera de organismos vivos).
• La eficiencia en fase orgánica determina la cantidad disponible para organismos vivos.
• La reserva principal de elementos químicos está en moléculas inorgánicas en rocas y suelo.
• El flujo en fase inorgánica tiende a ser más lento que en la fase orgánica.
• Los ciclos biogeoquímicos principales son el agua, carbono, nitrógeno, azufre y fósforo.
• El ciclo del carbono se estudiará en profundidad, pero todos siguen rutas similares.
• Las actividades humanas impactan la sostenibilidad de los ciclos biogeoquímicos.
• Los ciclos tienen reservas que permanecen en equilibrio con el ambiente, absorbiendo y liberando cantidades iguales.
• Los sumideros son zonas de acumulación neta de un elemento (ej: bosque como sumidero de carbono).
• Las fuentes son zonas de liberación neta de un elemento (ej: volcán activo como fuente de carbono).

Ciclo del Carbono

• Es la circulación del carbono a través de sistemas vivos y no vivos.
• El carbono se encuentra en el suelo, seres vivos (biomasa), océanos y la atmósfera.
• El carbono que no está en la atmósfera se almacena en sumideros de dióxido de carbono (suelo, biomasa y océanos).

Flujo del Carbono

• El carbono circula entre ciclos químicos vivos (bióticos) y no vivos (abióticos).
• En el ciclo biótico (rápido), el carbono entra a la fase orgánica mediante la fotosíntesis; las plantas lo almacenan como glucosa o moléculas grandes.
• El carbono se libera de nuevo a la atmósfera por la respiración, la combustión (combustibles fósiles y biomasa) y la descomposición.
• En estos tres procesos de salida, el carbono se oxida formando dióxido de carbono (CO2).
• El secuestro de carbono es la captura del CO2 gaseoso por la vegetación y transformado en biomasa.
• El flujo de carbono en el ciclo abiótico es lento.
• La cosecha de cultivos, tala de árboles y quema de combustibles fósiles por humanos aumentan el carbono en la atmósfera, alterando el equilibrio del ciclo.
• Sin intervención humana, el carbono permanecería almacenado por largos períodos (ej: madera de árboles o carbón/petróleo).
• El tiempo de residencia es el período promedio de un átomo almacenado.
• La intervención humana altera el equilibrio del ciclo global del carbono, aumentando la combustión, cambiando el uso de la tierra y deforestando.

Reservas de Carbono

• El carbono es esencial para formar las estructuras de los organismos vivos.
• En la fase inorgánica del ciclo, el carbono está en la atmósfera, océanos y rocas.
• Se diferencia entre carbono orgánico (moléculas complejas, ej: biomasa, combustibles fósiles) e inorgánico (moléculas simples, ej: rocas sedimentarias, carbonatos en océanos, en suelo y como CO2 en la atmósfera).
• La mayor parte del carbono está almacenada en rocas y sedimentos, el resto en océanos, atmósfera, suelo y seres vivientes.
• Todos los combustibles fósiles contienen carbono.

Flujos de Carbono

• Los flujos de carbono en los ecosistemas son impulsados por la fotosíntesis, respiración, alimentación, defecación, muerte y descomposición.
• En las reservas inorgánicas, los flujos de carbono dependen de la fosilización, combustión, y difusión/disolución.
• El ciclo del carbono se divide en ciclo rápido (biótico) y ciclo lento (abiótico).
• La duración del ciclo rápido está determinada por la duración de los organismos vivos.
• Las plantas fijan el CO2 introduciéndolo en el ciclo biótico.
• La respiración, descomposición y combustión liberan CO2 a la atmósfera.
• Si solo existieran depósitos inorgánicos, el carbono se desplazaría lentamente entre rocas, suelo, océanos y atmósfera.

Ciclo Lento del Carbono

• La lluvia disuelve las rocas liberando iones de calcio que fluyen al mar.
• Los iones de calcio se combinan con iones de bicarbonato formando rocas sedimentarias.
• Con el paso de miles de millones de años, y con los movimientos de las placas tectónicas, las rocas sedimentarias serán arrastradas al interior de la corteza terrestre, y eventualmente el carbono regresa a la atmósfera a través de erupciones volcánicas.

Presupuesto de Carbono

• La cantidad de carbono en la Tierra es finita.
• El ciclo rápido involucra a los seres vivos en los ecosistemas y muestra el movimiento del carbono entre la tierra, la atmósfera y los océanos
• Los números amarillos son flujos naturales
• Los números blancos indican carbono almacenado.
• Los rojos son contribuciones humanas. Todos están expresados en gigatoneladas de carbono por año (GtC/año).

Impacto Humano en el Ciclo del Carbono

• Sin intervención humana, el ciclo del carbono estaría en equilibrio a largo plazo.
• La quema de combustibles fósiles acelera el proceso, libera carbono acumulado por millones de años y traslada el carbono del ciclo lento al rápido.
• Los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera han aumentado desde los niveles preindustriales hasta la actualidad.
• Aproximadamente 9 GtC ingresan a la atmósfera cada año.
• De esta cantidad, alrededor de 5 GtC permanece en la atmósfera.
• Las plantas absorben alrededor de 3,4 GtC del total de 9 GtC
• Los océanos absorben 2,5 GtC
• Los bosques de nuevo crecimiento fijan 0,5 GtC
• Desde el período preindustrial, hemos añadido 200 GtC a la atmósfera.
• Casi la mitad del carbono que los humanos emitimos cada año a través de diversos procesos no se fija ni se secuestra.

Sistemas Agrícolas y Forestales

• Los bosques y cultivos agrícolas actúan como reservas, fuentes o sumideros de carbono.
• Los métodos agrícolas regenerativos promueven el papel del suelo y la vegetación como sumideros de carbono.
• El drenaje de humedales, el monocultivo y la labranza intensa promueven el papel del suelo y la vegetación como fuente de carbono.
• La producción de cultivos a largo plazo determina si un cultivo es reserva, sumidero o fuente.
• Los bosques moderan el cambio climático al absorber el 25% del carbono emitido.
• Un bosque es una fuente de carbono si libera más carbono del que absorbe.
• Un bosque es un sumidero de carbono si absorbe más carbono de la atmósfera del que libera.

Ciclo del Carbono en los Bosques

• Un proceso dinámico donde los árboles fijan el CO2 atmosférico mediante la fotosíntesis y lo convierten en biomasa.
• La biomasa leñosa es la mayor reserva de carbono a largo plazo.
• Parte de esta reserva caerá al suelo y formará carbono orgánico.
• Otra parte será liberada a la atmósfera mediante la respiración y la acción de los descomponedores.
• El almacenamiento de carbono en biomasa leñosa constituye una reserva estable a largo plazo
• Aun si un bosque ya no secuestra carbono adicional, el carbono previamente secuestrado se conserva durante mucho tiempo.
• La madera se descompone muy lentamente y las raíces evitan la erosión que liberaría el carbono.
• En los árboles jóvenes, la respiración y las pérdidas de carbono a la atmósfera son bajas, por lo tanto, la mayor parte del carbono fijado se convierte en biomasa y se secuestra.
• En los árboles envejecidos, la respiración aumenta.
• A medida que los árboles envejecen, se necesita energía para reemplazar los tejidos que mueren y una menor proporción de carbono fijado se convierte en biomasa y se secuestra.
• Finalmente, el árbol ya no secuestra carbono adicional, sino que mantiene una cantidad constante de carbono.

Océanos y Carbono

• Los océanos capturan el 25% del CO2 de la atmósfera.
• La mayor parte se encuentra en la capa superior del océano.
• La quema de combustibles fósiles libera carbono inorgánico a una velocidad mayor de la que los océanos pueden absorber.
• El aumento de dióxido de carbono acidifica los océanos.
• Las consecuencias pueden interferir con la deposición de carbonato de calcio en las conchas y esqueletos de coral.

Actividades Humanas y Ciclo del Carbono

• Se pueden reducir las emisiones al usar:
• Tecnología con bajas emisiones de carbono: como energías renovables (eólica, solar, biomasa, captura y almacenamiento de carbono, energía nuclear).
• La reducción de la quema de combustibles fósiles: es posible a través de tecnologías bajas en carbono y eficiencia energética (aislar casas, usar luces LED, termostatos inteligentes y vehículos eléctricos
• Captura de carbono: usar la capacidad de los bosques para capturar carbono.
• Las siguientes prácticas forestales ayudan a almacenar carbono: forestación, reforestación, y prácticas de gestión que no consisten en talar el bosque
• Captura artificial (o geológica) de carbono: capturar emisiones y almacenarlas en formaciones geológicas.
• Captura y almacenamiento de carbono (CCS) y bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS)
• Producción de grafeno: El grafeno requiere CO2 como materia prima.
• Moléculas diseñadas mediante ingeniería química: Los científicos pueden cambiar la forma de las moléculas para formar nuevos compuestos mediante la captura de carbono.