Entender cómo funciona la Tierra: a vueltas con el carbono

Emilio Pedrinaci

¿Qué vamos a hacer y cómo lo haremos?

• Trabajaremos sobre un problema complejo que requiere un enfoque holístico o, como mínimo, interdisciplinar.

• Intentaremos construir un modelo que nos ayude a entender y ubicar algunos problemas complejos.

• Lo haremos siguiendo un procedimiento constructivista.• Nos ejercitaremos en formular preguntas y plantear

problemas.• También en evaluar la consistencia de las respuestas.• Con todo ello trabajaremos no sólo la competencia científica

sino también la de aprender a aprender.

El ciclo del carbono, una cuestión de tiempo

Formula alguna pregunta que no pueda ser explicada por este ciclo del carbono y, sin embargo, consideres básica para entender el funcionamiento terrestre (o la historia de la Tierra y de la vida).

Algunas preguntas:- ¿Por qué la concentración de CO2 en atmósfera terrestre no llega al 0,04% mientras que en Venus o Marte supera el 95% ?- Si la Tierra tuvo alguna vez una concentración de CO2 similar, ¿adónde ha ido a parar?- ¿Cuál es el principal reservorio terrestre de C?

- ¿Ha habido grandes fluctuaciones en el % de CO2 atmosférico? - ¿Qué ha podido generarlas?, - ¿Qué influencia han tenido esas fluctuaciones en el clima?- ¿Han estado relacionadas con los períodos Ice-house y Greenhouse?- ¿Cómo se pasó de una atmósfera reductora a otra oxidante?- …

Qué necesitas saber para construir el ciclo del C (o cualquier otro)

• ¿Cuáles son los principales reservorios de C?• ¿Cuánto C almacenan y en forma de qué?• ¿Cuál es el balance de estos intercambios?, ¿Hay

algún reservorio que funcione (o pueda hacerlo sostenidamente) como fuente neta o sumidero neto?

• ¿En virtud de qué procesos fluye de un reservorio a otro?

• ¿El proceso funciona a ritmo constante a gran escala temporal?, ¿de qué depende?

• ¿Qué hechos pueden introducir perturbaciones importantes?

• ¿El sistema dispone de mecanismos homeostáticos?

¿ CUÁLES SON LOS PRINCIPALES RESERVORIOS DE CARBONO?

A T M Ó S F E R A(CO2, CH4)

BIOSFERAMateria orgánica

HIDROSFERA(HCO3

- , CO32- , CO2 , H2CO3)

SUELOMateria orgánica, CO2

ROCAS

CARBONATADAS(CALIZ

A, DOLOMÍA)

CARBON

O ORGÁNICO EN

ROCAS

(COMBUSTIBLES

FÓSILES)

GEOSFERA

SEDIMENTO

S OCEÁNICOS(CLATRATOS

DE METANO,

HIDROCARBUROS)

¿CÚANTO CARBONO TIENEN LOS RESERVORIOS?

A T M Ó S F E R A(750 Gt)

BIOSFERA(600 Gt) HIDROSFERA

(1.000 Gt en nivel superior)(38.000 Gt intermedio y

profundo)SUELO(1500 Gt)

ROCAS

CARBONATADAS(50.000.000 Gt)

CARBON

O ORGÁNICO EN

ROCAS (12.500 Gt)

GEOSFERA

SEDIMENTO

S OCEÁNICOS(3.000 Gt)

¿ QUÉ PROCESOS Y VOLUMEN DE FLUJO HAY ENTRE LOS RESERVORIOS?(Flujos estimados en Gt/año, sin actividad humana)

A T M Ó S F E R A(750 Gt)

BIOSFERA(600 Gt) HIDROSFERA

(1.000 Gt en nivel o. superior)(38.000 Gt intermedio y

profundo)SUELO(1500 Gt)

ROCAS

CARBONATADAS(50.000.000 Gt)

CARBON

O ORGÁNICO EN

ROCAS

(12.500 Gt)

GEOSFERA

SEDIMENTO

S OCEÁNICOS(3.000 Gt)

Fotosíntesis 120Gt

Respiración 60Gt

Respiración 59- 60Gt

Difusión 90-91Gt

Difusión 90Gt

Depósito 0,05-0,12 Gtdiagénesis 0,01- 0,03 Gt

Vulcanismo, metamorfismo 0,02- 0,1 Gt

Meteorización 0,05-0,1 Gt

Oxidación 0,0005Gt

diagénesis

Enterramiento anóxico

Enterramiento anóxico

¿ QUÉ ES IMPORTANTE EN EL CICLO LARGO DEL CARBONO?

ROCAS

CARBONATADAS(50.000.000 Gt)

CARBON

O ORGÁNICO EN

ROCAS (12.500 Gt)

GEOSFERA

SEDIMENTO

S OCEÁNICOS(3.000 Gt)

SISTEMA SUPERFICIAL(42.000 Gt)

ATMÓSFERA BIOSFERA

SUELO HIDROSFERA

Desgasificación:Vulcanismo, metamorfismo

20.000- 100.000 Gt /ma

“Fotosíntesis geológica” (enterramiento de C orgánico)

400- 2.000 Gt/ma

meteorización de silicatos y depósito

40.000- 100.000 Gt/ma

“Respiración geológica” (oxidación de C orgánico en

rocas) 100- 500 Gt/ma

(Flujos estimados en Gt/ millón de años. Los valores pierden resolución a medida que nos alejamos en el tiempo)

METEORIZACIÓN DE LAS ROCAS SUPERFICIALES

Fuente: Martín-Chivelet, 2010

- Meteorización de las R. carbonatadas- Meteorización de los silicatos

El vulcanismo es mucho más activo durante la ruptura de un supercontinente

Fuente: Tarbuck y Lutgens, 2001

Cómo explicar el fuerte incremento de CO2 al inicio del Cámbrico y al final del Pérmico

Fuente: Martín-Chivelet, 2010

Cómo explicar los fuertes descensos del Devónico al Carbonífero y del Cretácico al Cuaternario

Fuente: Berner, 2006

El sistema es complejo

Fuente: Martín-Chivelet, 2010

La tectónica de placas cambia el clima

• Cambia el vulcanismo• Modifica el albedo• Cambia la circulación oceánica general• Modifica climas regionales

Fuente: Scotese, 1998

CÓMO LO SABEMOS Y QUÉ GRADO DE CONSISTENCIA LE ATRIBUIMOS

Sobre % CO2- Datos directos:

- Registro instrumental- Aire fósil glaciar. Límite 800.000 años

- Indirectos:- Índice de estomas- Relación isotópica 13 C/ 12C - Modelos de ciclos de Carbono- Inserción en modelos paleoclimáticos- Volumen de rocas carbonatadas y c. fósiles- Correlación clima /CO2 con paleotermómetros:

18 O/ 16O - Correlación con paleoclimas conocidos (por

fósiles, rocas sedimentarias)- Correlación con la concentración de oxígeno en la

atmósfera- Actividad volcánica- Análisis de atmósferas de planetas cercanos

Anexo, el CO2 en el océano

Fuente: Uriarte, 2003

Bomba de solubilidad

Fuente: H. Grobe, 2006

(Formas de relación entre los conceptos )

Teoría (sistema de ideas)

Conceptos Modelo Relaciones

Fenómenos (objetos de percepción)

Relación entre teoría, modelo, fenómenos, (Gilbert, Taber y Watts, 2001)

(categorías) (representación simplificada)

¿EL SISTEMA DISPONE DE MECANISMOS HOMEOSTÁTICOS?

- Vegetación/ CO2 atmosférico - Meteorización de silicatos /CO2

atmosférico- Vegetación/meteorización silicatos