Valeria Fárez Román-Felipe H

umbser Lucero

CUENCA - ECUADOR

TEMA: EL CICLO DEL CARBONO.

INTRODUCCIÓN:

El ciclo del carbono es un ciclo biogeoquímico por el cual el carbono se intercambia entre la biosfera, la litosfera, la hidrosfera y la atmósfera de la Tierra. Los conocimientos sobre esta circulación de carbono son muy importantes ya que posibilitan apreciar la intervención humana en el clima y sus efectos sobre el cambio climático. 

El carbono es el cuarto elemento más abundante en el Universo. Es el pilar de la vida que conocemos. Existen básicamente dos formas de carbono: orgánica, presente en los organismos vivos, muertos y en los descompuestos y otra inorgánica, presente en las rocas.

En el planeta Tierra, el carbono circula a través de los océanos, de la atmósfera y de la superficie y el interior terrestre, en un gran ciclo biogeoquímico. Este ciclo puede ser dividido en dos: el ciclo lento o geológico y el ciclo rápido o biológico.

En nuestra simulación nos remitiremos al ciclo biológico, pues se realiza en una escala de años, al contrario de la escala geológica que se da en siglos.

Suele considerarse que este ciclo está constituido por cuatro reservorios principales de carbono interconectados por rutas de intercambio. Los reservorios son la atmósfera, la biosfera terrestre, los océanos y los sedimentos. Los movimientos anuales de carbono entre reservorios ocurren debido a varios procesos químicos, físicos, geológicos y biológicos. El océano contiene el fondo activo más grande de carbono cerca de la superficie de la Tierra, pero la parte del océano profundo no se intercambia rápidamente con la atmósfera.

El balance global es el equilibrio entre intercambios (ingresos y pérdidas) de carbono entre los reservorios o entre una ruta del ciclo específica. Un examen del balance de carbono de un fondo o reservorio puede proporcionar información sobre si funcionan como una fuente o un almacén para el dióxido de carbono.

CICLO BIOLÓGICO DEL CARBONO

El ciclo biológico del carbono es relativamente rápido: se estima que la renovación del carbono atmosférico ocurre cada 20 años. En ausencia de la influencia antropogénica, en el ciclo biológico existen tres depósitos o “stocks”: terrestre (20000 Gt), atmósfera (750 Gt) y océanos (40000 Gt). Este ciclo desempeña un papel importante en los flujos de carbono entre los diversos depósitos, a través de los procesos de fotosíntesis y respiración.

1

Gráfico 1: Concentraciones de CO2 en la

atmósfera. (ppmv)

Mediante la fotosíntesis, las plantas absorben la energía solar y el CO2 de la atmósfera, produciendo oxígeno e hidratos de carbono, que sirven de base para el crecimiento de las plantas. Los animales y las plantas utilizan los hidratos de carbono en el proceso de respiración, usando la energía contenida en los hidratos de carbono y emitiendo CO2. Junto con la descomposición orgánica, la respiración devuelve el carbono, biológicamente fijado en los reservorios terrestres (los tejidos de biota, el permafrost del suelo y la turba), a la atmósfera.

Las ecuaciones químicas que rigen estos dos procesos son:

Fotosíntesis: 6CO2 + 6H2O + energía (luz solar) -> C6H12O6 + 6O2Respiración: C6H12O6 (materia orgánica) + 6O2 -> 6CO2 + 6 H2O + energía

El mayor cambio entre el depósito terrestre y el atmosférico resulta de los procesos de fotosíntesis y respiración. Los días de primavera y verano, las plantas absorben luz solar y CO2 de la atmósfera y, paralelamente, los animales, plantas y microbios, a través de la respiración, devuelven el CO2. Cuando la temperatura o la humedad es mucho más baja, por ejemplo en invierno o en los desiertos, la fotosíntesis y la respiración se reduce o cesa, así como el flujo de carbono entre la superficie terrestre y la atmósfera.

Debido a la declinación de la Tierra y a la desigual distribución de la vegetación en los hemisferios, existe una fluctuación a lo largo del año que es visible en los diversos gráficos de variación de concentración anual del CO2, como por ejemplo en la curva de Keeling. En 1958, el científico Charles David Keeling (oceanógrafo del Scripps Institute of Oceanography), puso en marcha una serie de experiencias en el monte Mauna Loa, Hawaii, que le permitieron medir, con bastante precisión, la concentración de CO2 en la atmósfera.

1 www.ciclodelcarbono.com

A pesar de que el reservorio atmosférico de carbono es el menor de los tres (con cerca de 750 Gt de carbono), este depósito determina la concentración de CO2 en la atmósfera, cuya concentración puede influenciar el clima terrestre. Además, los flujos anuales entre la reserva atmosférica y las otras dos reservas (océanos y terrestre) son muy sensibles a los cambios.

Los océanos representan el mayor depósito de los tres, cincuenta veces mayor que la reversa atmosférica. Existen traspasos entre estos dos depósitos a través de procesos químicos que establecen un equilibrio entre las capas superficiales de los océanos y las concentraciones en el aire superficial. La cantidad de CO2 que el océano absorbe depende de la temperatura y de la concentración ya presente. Temperaturas bajas de la superficie del océano potencian una mayor absorción del CO2 atmosférico, mientras que temperaturas más cálidas pueden causar la emisión de CO2.

Los flujos, sin interferencias antropogénicas, son aproximadamente equivalentes, con una lenta variación a escala geológica. La vida en los océanos consume grandes cantidades de CO2, pero el ciclo entre la fotosíntesis y la respiración se desarrolla mucho más rápidamente. El fitoplancton es consumido por el zooplancton en sólo algunos días, y sólo pequeñas cantidades de carbono son acumuladas en el fondo del mar, cuando las conchas del zooplancton, compuestas de carbonato de calcio, se depositan en el fondo tras su muerte. Después de un largo periodo de tiempo, este efecto representa una significativa remoción de carbono de la atmósfera.

Otro proceso intermedio del ciclo biológico que provoca remoción de carbono de la atmósfera, ocurre cuando la fotosíntesis excede la respiración y, lentamente, la materia orgánica forma depósitos de sedimentos que, en ausencia de oxígeno y a lo largo de millones de años, se transforman en combustibles fósiles. Los incendios (naturales) son otro elemento del ciclo rápido que añaden CO2 a la atmósfera al consumir la biomasa y materia orgánica, y al provocar la muerte de plantas que acaban por descomponerse y formar también CO2.

INFLUENCIA HUMANA EN EL CICLO DEL CARBONO

El almacenamiento de carbono en depósitos fósiles supone, en la práctica, una disminución de los niveles atmosféricos de dióxido de carbono. Estos depósitos se estiman entre 4000 y 10000 Gt, y no figuran en el ciclo rápido del carbono. Sin embargo, las actividades antropogénicas, sobre todo la quema de combustibles fósiles y la deforestación, están incorporando nuevos flujos de carbono en el ciclo biológico, con una influencia significativa en el ciclo global del carbono.

2

Gráfico 2. Temperaturas Globales

Estas actividades humanas transfieren más CO2 a la atmósfera del que es posible remover naturalmente a través de la sedimentación del carbono, causando así un aumento de las concentraciones atmosféricas de CO2 en un corto periodo de tiempo (cientos de años). Esta influencia humana, iniciada sobre todo hace 200 años, cuando la concentración de CO2 atmosférico se situaba en los 280 ppmv (0,028% de la composición global de la atmósfera), provocó un aumento significativo de la concentración de CO2, habiendo actualmente sobrepasado los 380 ppmv (más de un 30% en sólo 200 años). Estos valores sitúan la concentración actual como la más elevada de los últimos 650000 años y quizás superior a la registrada hace 20 millones de años atrás.

No todo el CO2 emitido antropogenicamente queda retenido en la atmósfera. La tasa anual de emisiones antropogénicas durante la década de los 90 se situó, en promedio, en 6,3 Gt. Sin embargo, en el mismo periodo, la concentración de CO2 atmosférico aumentó, en promedio, 3,2 Gt por año. Esto se debe, en parte, al aumento de la difusión de CO2 en los océanos, que habían pasado a absorber cerca de 1,7 Gt por año de las 6,3 Gt emitidas. Las restantes 1,4 Gt por año se estiman que están relacionadas con procesos en la superficie de la tierra. Esta última parcela tiene dos componentes: la alteración de la utilización de los suelos, sobre todo la deforestación, que reduce la tasa de absorción de CO2 en el suelo; y otra, todavía en estudio, que puede tener diferentes orígenes, entre las cuales se encuentra el aumento de la tasa de absorción de las plantas correspondiente a un aumento de la concentración atmosférica de CO2. 

2 www.ciclodelcarbono.com

3

Imagen 1: Deforestación en el Amazonas

Otro escenario posible es el recrecimiento de los bosques en el Hemisferio Norte (en especial del bosque Boreal), que sufrió deforestación en el siglo pasado. Sin embargo, todavía está por determinar su influencia, siendo necesaria mayor investigación científica para obtener nuevos datos que expliquen mejor el fenómeno.

Las consecuencias de la quema de combustibles fósiles fueron objeto de un convenio aprobado en Nueva York el 9 de mayo de 1992, y suscrito en Rio de Janeiro (Brasil), por diversos países, el 11 de Junio de 1992, durante la Conferencia de Naciones Unidas para el Medio Ambiente y el Desarrollo) que culminó en el Protocolo de Kyoto.

ESQUEMA:

4

3 www.tudiscovery.com/descubreelverde/Deforestación y calentamiento global

Gráfico 3: Flujos en el ciclo del carbono

OBJETIVOS:

Objetivo general:

Simular todos los flujos de carbono que se dan entre cada uno de los reservorios, conociendo así el ciclo de este elemento.

Objetivos específicos:

Realizar el balance global de carbono entre todos los reservorios. Conocer la tendencia de concentración del carbono en la atmósfera

para los próximos 10 años. Desarrollar la dinámica de flujos de carbono en el océano.

DEFINICIONES:

Storage: Almacenamiento o reserva de Carbono en un nivel.

Biota: f. biol. Conjunto de seres vivos de una región. Todos los organismos vivos en una región o un ecosistema (flora y fauna juntas)

Sedimentos: geol. Depósito o acumulación de materiales arrastrados mecánicamente por las aguas o el viento.

DESCRIPCIÓN DE LA SIMULACION:

Para la realización del modelo en Vensim, se tomaron datos sobre la distribución global del carbono y los flujos que existen en giga-toneladas por año. Basándonos en el ciclo rápido o biológico, ya que este se da en una escala perceptible de tiempo para el ser humano. Al contrario del geológico que se da en siglos.

Se subdividió el total del carbono en los 2 reservorios principales que son: 4 Fuente: EPA. 2009

Atmósfera Océano.

El océano a su vez constituye un subsistema integrado por los siguientes niveles:

Superficie Océano Profundo Carbono Orgánico Disuelto Biota Marina

El reservorio oceánico presenta una dinámica muy compleja, por lo cual se desarrollaron varias relaciones dentro del mismo.

DIAGRAMA DE LA SIMULACIÓN:

DIAGRAMA CAUSAL:

Atmósfera

Entradas

C que entra a la atmosfera desde los oceanos

Emisiones Antropogenicas

Suelos

Total de C que entra de los procesos tierra

Salidas

C que cae en la lluvia

Fotosíntesis

Total de C que sale a los oceanos

GRÁFICA DE LA SIMULACIÓN:

Atmósfera

800

775

750

725

700

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020Time (Year)

GT

on

Atmósfera : Final5

Gráfico 4: Giga-toneladas de Carbono/año en la atmósfera.

5 Elaboración: Fuente propia.

CONCLUSIONES:

Aunque el ciclo del carbono tiene una dinámica muy compleja se puede diferenciar con claridad que las actividades humanas influencian el ciclo global del carbono. Al retirar carbono almacenado en los depósitos de combustibles fósiles a una tasa muy superior a la de la absorción del carbono por el ciclo, las actividades humanas están potenciando el aumento de las concentraciones de CO2 en la atmósfera lo que afecta, de una manera poco conocida, al sistema climático global.

Otra conclusión significativa que puede ser obtenida del análisis del ciclo global del carbono es el gran potencial de los bosques para capturar el carbono atmosférico, tanto en el manto vegetal como en la materia orgánica del suelo, lo que aumenta la importancia de la conservación de ecosistemas con grandes cantidades de biomasa y suelos estables, con el objetivo de que ciertos bosques se vuelvan reservorios de carbono y otros no se vuelvan fuentes de carbono.

En el océano existe una dinámica de intercambio de carbono muy compleja. Todos los reservorios están interrelacionados de tal manera que las pérdidas en este subsistema son mínimas.

En el fondo del océano existe una pérdida de carbono por la acumulación de sedimentos, la cual en la escala biológica es muy pequeña, pero a nivel geológico representa una gran acumulación del mencionado elemento.

Los reservorios entre los que se presenta el mayor intercambio de carbono son el atmosférico y el oceánico.

RECOMENDACIONES:

Como todos conocemos para evitar que se produzca esta alteración en el flujo natural de carbono y que se eleven sus concentraciones en la atmósfera, se debe dejar de emitir CO2, generado principalmente en la quema de combustibles fósiles.

La tala indiscriminada y la quema de materia orgánica también libera grandes cantidades de carbono, pues además de la descomposición, al quedar descubierto el suelo se libera el carbono atrapado en él. Por esto es necesario parar el cambio de uso de suelo, responsable de la mayor generación de gases de efecto invernadero en nuestro país.

BIBLIOGRAFIA:

Biotecnología Ambiental, RODRIGUEZ CASTILLO FRANCISCO, Madrid 2005, Editorial TEBAR.

www.ciclodelcarbono.com http://www.epa.gov/climatechange/emissions/co2_human.html http://www2.ine.gob.mx/publicaciones/libros/437/jaramillo.html

ANEXOS:

Ecuaciones de la simulación:

(01) Atmosfera= INTEG (INTEGER( Entradas-Salidas),750)

Units: GTon

(02) Biota= INTEG (INTEGER( Entrada B-Salida B),

3)Units: GTon

(03) C organico disuelto= INTEG (INTEGER( Entradas C-Salidas C),

700)Units: GTon

(04) C q va a la biota desde C organico=C organico disuelto*Tasa de C organico q va de la biota al organico

Units: GTon

(05) C q va de la biota a la superficie=Superficie*Tasa de la biota q va a la superficie

Units: GTon

(06) C q va desde la biota al Oceano P=Oceano Profundo*Tasa de C q va desde la biota al Oceano P

Units: GTon

(07) C que cae en la lluvia=Atmosfera*Tasa de c que cae en la lluvia

Units: GTon(08) C que entra a la atmosfera desde los oceanos=

Oceano*Tasa de C que entra desde los oceanosUnits: GTon

(09) Emisiones Antropogenicas=Storage emisiones*Tasa de C que ingresa

Units: GTon

(10) Entrada B=Superficie*Tasa de la superficie q va a la biota

Units: **undefined**

(11) Entradas=Emisiones Antropogenicas+Suelos+Total de C que entra de los procesos tierra

+C que entra a la atmosfera desde los oceanosUnits: GTon

(12) Entradas C=Biota*Tasa de la biota q va al C organico disuelto

Units: GTon

(13) Entradas O=(Biota*Tasa de C q va desde la biota al oceano profundo)+(C organico disuelto

*Tasa de C organico disuelto q va al oceano profundo)+(Superficie*Tasa de C q va de la superficie al oceano prfundo

)Units: GTon

(14) Entradas S=INTEGER( (Oceano Profundo*Tasa de C q va del oceano prfundo a la superficie

)+(Biota*Tasa de C q va de la biota a la superficie))Units: GTon

(15) FINAL TIME = 2020Units: YearThe final time for the simulation.

(16) Fotosíntesis=Atmosfera*Tasa de C absorbido por fotosintesis

Units: GTon

(17) INITIAL TIME = 2010Units: YearThe initial time for the simulation.

(18) Oceano=Biota+C organico disuelto+Oceano Profundo+Superficie

Units: GTon

(19) Oceano Profundo= INTEG (INTEGER( Entradas O-Salidas O),

38100)Units: GTon

(20) Procesos biologicos tierra=RANDOM UNIFORM( 610, 610.1, 10)

Units: GTon

(21) Salida B=C q va a la biota desde C organico+C q va de la biota a la superficie+C q va

desde la biota al Oceano PUnits: **undefined**

(22) Salidas=C que cae en la lluvia+Fotosíntesis+Total de C que sale a los oceanos

Units: GTon(23) Salidas C=

Oceano Profundo*Tasa de c q va del c organico disuelto al oceano prfundoUnits: **undefined**

(24) Salidas O=(Superficie*Tasa de C q va desde el oceano profundo a la superficie)+

(Sedimentos*Tasa de C q va del oceano profundo a los sedimentos)Units: GTon

(25) Salidas S=(Biota*Tasa de C va de la superficie a la biota)+(Oceano Profundo*Tasa de C q

va de la superficie al oceano profundo)Units: GTon

(26) SAVEPER = TIME STEPUnits: Year [0,?]The frequency with which output is stored.

(27) Sedimentos=150

Units: **undefined**

(28) Storage emisiones=RANDOM UNIFORM( 4000, 4000.5, 10)

Units: GTon

(29) Suelos=

Suelos total*Tasa de C a la atmosferaUnits: GTon

(30) Suelos total=RANDOM UNIFORM( 1580, 1580.2, 10)

Units: GTon

(31) Superficie= INTEG (INTEGER( Entradas S-Salidas S),

1020)Units: GTon

(32) Tasa de C a la atmosfera=RANDOM UNIFORM( 0.0379, 0.03795, 10)

Units: Dmnl

(33) Tasa de C absorbido por fotosintesis=RANDOM UNIFORM( 0.16173, 0.161732, 10)

Units: Dmnl

(34) Tasa de C organico disuelto q va al oceano profundo=RANDOM UNIFORM( 0.008571, 0.0085712, 10)

Units: Dmnl

(35) Tasa de C organico q va de la biota al organico=RANDOM UNIFORM( 0.008571, 0.0085712, 10)

Units: Dmnl

(36) Tasa de C q va de la biota a la superficie=RANDOM UNIFORM( 13.3333, 13.3333, 10)

Units: Dmnl

(37) Tasa de C q va de la superficie al oceano prfundo=RANDOM UNIFORM( 0.089, 0.0892, 10)

Units: Dmnl(38) Tasa de C q va de la superficie al oceano profundo=

RANDOM UNIFORM( 0.00235, 0.002352, 10)Units: Dmnl

(39) Tasa de c q va del c organico disuelto al oceano prfundo=RANDOM UNIFORM( 0.000157, 0.0001572, 10)

Units: Dmnl

(40) Tasa de C q va del oceano prfundo a la superficie=RANDOM UNIFORM( 0.0026246, 0.00262462, 10)

Units: Dmnl

(41) Tasa de C q va del oceano profundo a los sedimentos=0.001333

Units: **undefined**

(42) Tasa de C q va desde el oceano profundo a la superficie=RANDOM UNIFORM( 0.098, 0.0982, 10)

Units: Dmnl

(43) Tasa de C q va desde la biota al Oceano P=RANDOM UNIFORM( 0.0001049, 0.00010492, 10)

Units: Dmnl

(44) Tasa de C q va desde la biota al oceano profundo=RANDOM UNIFORM( 1.3333, 1.33332, 10)

Units: Dmnl

(45) Tasa de c que cae en la lluvia=RANDOM UNIFORM( 0.000666, 0.000667, 10)

Units: Dmnl(46) Tasa de C que entra desde los oceanos=

RANDOM UNIFORM( 0.00226, 0.002263, 10)Units: Dmnl

(47) Tasa de C que entra por combustión=RANDOM UNIFORM( 0.00262, 0.002623, 10)

Units: Dmnl

(48) Tasa de C que ingresa=RANDOM UNIFORM( 0.001375, 0.0013756, 10)

Units: Dmnl

(49) Tasa de C que sale hacia los oceanos=RANDOM UNIFORM( 0.00231, 0.002311, 10)

Units: Dmnl

(50) Tasa de C va de la superficie a la biota=RANDOM UNIFORM( 16.6666, 16.6667, 10)

Units: Dmnl

(51) Tasa de la biota q va a la superficie=RANDOM UNIFORM( 0.0392, 0.03921, 10)

Units: Dmnl

(52) Tasa de la biota q va al C organico disuelto=2

Units: **undefined**

(53) Tasa de la superficie q va a la biota=RANDOM UNIFORM( 0.04901, 0.049012, 10)

Units: Dmnl(54) Tase de C que entra por respiración=

RANDOM UNIFORM( 0.0983, 0.09832, 10)Units: Dmnl

(55) TIME STEP = 1Units: Year [0,?]The time step for the simulation.

(56) Total de C que entra de los procesos tierra=(Procesos biologicos tierra*Tasa de C que entra por combustión)+(Procesos

biologicos tierra*Tase de C que entra por respiración)Units: GTon

(57) Total de C que sale a los oceanos=Oceano*Tasa de C que sale hacia los oceanos

Units: GTon