Dióxido de carbono en la atmósfera terrestre -Carbon dioxide in Earth's atmosphere

Concentraciones atmosféricas de CO 2 medidas en el Observatorio de Mauna Loa desde 1958 hasta 2022 (también llamada Curva de Keeling ). Las concentraciones de dióxido de carbono han variado ampliamente durante los 4540 millones de años de historia de la Tierra. Sin embargo, en 2013, la concentración media diaria de CO 2 en la atmósfera superó las 400 partes por millón ( ppmv ); este nivel nunca se había alcanzado desde mediados del Plioceno , hace 2 a 4 millones de años.

El dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra es un gas traza que juega un papel integral en el efecto invernadero , el ciclo del carbono , la fotosíntesis y el ciclo del carbono oceánico . Es uno de varios gases de efecto invernadero en la atmósfera de la Tierra que están contribuyendo al cambio climático debido al aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero de las actividades humanas. La concentración media mundial actual de CO 2 en la atmósfera es de 421 ppm a partir de mayo de 2022. Este es un aumento del 50 % desde el comienzo de la Revolución Industrial , frente a las 280 ppm durante los 10 000 años anteriores a mediados del siglo XVIII. El aumento se debe a la actividad humana . La quema de combustibles fósiles es la principal causa de este aumento de las concentraciones de CO 2 y también la principal causa del cambio climático. Otras grandes fuentes antropogénicas incluyen la producción de cemento, la deforestación y la quema de biomasa.

Si bien es transparente a la luz visible , el dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero que absorbe y emite radiación infrarroja en sus dos frecuencias vibratorias infrarrojas activas. El CO2 absorbe y emite radiación infrarroja a longitudes de onda de 4,26 μm (2347 cm -1 ) ( modo vibracional de estiramiento asimétrico ) y 14,99 μm (667 cm -1 ) (modo vibracional de flexión). Desempeña un papel importante en la influencia de la temperatura de la superficie de la Tierra a través del efecto invernadero. La emisión de luz desde la superficie de la Tierra es más intensa en la región infrarroja entre 200 y 2500 cm -1 , a diferencia de la emisión de luz del Sol mucho más caliente, que es más intensa en la región visible. La absorción de luz infrarroja a las frecuencias vibratorias del CO 2 atmosférico atrapa energía cerca de la superficie, calentando la superficie y la atmósfera inferior. Menos energía llega a la atmósfera superior, que por lo tanto es más fría debido a esta absorción.

Los aumentos en las concentraciones atmosféricas de CO 2 y otros gases de efecto invernadero de larga duración como el metano , el óxido nitroso y el ozono aumentan la absorción y emisión de radiación infrarroja por parte de la atmósfera, lo que provoca el aumento observado en la temperatura global promedio y la acidificación de los océanos . Otro efecto directo es el efecto de fertilización con CO2 . Estos cambios provocan una serie de efectos indirectos del cambio climático en el entorno físico, los ecosistemas y las sociedades humanas. El dióxido de carbono ejerce una mayor influencia en el calentamiento general que todos los demás gases de efecto invernadero combinados. Tiene un tiempo de vida atmosférico que aumenta con la cantidad acumulada de carbono fósil extraído y quemado, debido al desequilibrio que esta actividad ha impuesto en el ciclo rápido del carbono de la Tierra . Esto significa que una fracción (un 20-35 % proyectado) del carbono fósil transferido hasta ahora persistirá en la atmósfera como niveles elevados de CO 2 durante muchos miles de años después de que estas actividades de transferencia de carbono comiencen a disminuir. El ciclo del carbono es un ciclo biogeoquímico en el que se intercambia carbono entre los océanos , el suelo, las rocas y la biosfera de la Tierra . Las plantas y otros fotoautótrofos utilizan la energía solar para producir carbohidratos a partir del dióxido de carbono atmosférico y el agua mediante la fotosíntesis . Casi todos los demás organismos dependen de los carbohidratos derivados de la fotosíntesis como fuente principal de energía y compuestos de carbono.

La concentración atmosférica actual de CO 2 es la más alta en 14 millones de años. Las concentraciones de CO 2 en la atmósfera llegaron a 4.000 ppm durante el período Cámbrico hace unos 500 millones de años, cuando la concentración era 20 veces mayor que la actual, y tan bajas como 180 ppm durante la glaciación cuaternaria de los últimos dos millones de años. Los registros de temperatura reconstruidos de los últimos 420 millones de años indican que las concentraciones atmosféricas de CO 2 alcanzaron un máximo de ~2000 ppm durante el período Devónico (~400 Ma), y nuevamente en el período Triásico (220–200 Ma) y fue cuatro veces los niveles actuales durante el período Período Jurásico (201–145 Ma).

Concentración actual y tendencias futuras

Entre 1850 y 2019, el Proyecto Global de Carbono estima que alrededor de 2/3 del exceso de emisiones de dióxido de carbono se debieron a la quema de combustibles fósiles, y un poco menos de la mitad permaneció en la atmósfera.

Situación actual

Desde el inicio de la Revolución Industrial , la concentración de CO 2 atmosférico ha ido en aumento, provocando el calentamiento global y la acidificación de los océanos . En mayo de 2022, el nivel promedio mensual de CO 2 en la atmósfera de la Tierra alcanzó las 421 partes por millón por volumen (ppm). " Partes por millón " se refiere al número de moléculas de dióxido de carbono por millón de moléculas de aire seco. Anteriormente, el valor era de 280 ppm durante los 10.000 años hasta mediados del siglo XVIII.

Cada parte por millón de CO 2 en la atmósfera representa aproximadamente 2,13 gigatoneladas de carbono, o 7,82 gigatoneladas de CO 2 .

Se señaló en 2021 que "las tasas actuales de aumento de la concentración de los principales gases de efecto invernadero (dióxido de carbono, metano y óxido nitroso) no tienen precedentes en al menos los últimos 800.000 años".

Fluctuaciones anuales y regionales

Las concentraciones atmosféricas de CO 2 fluctúan levemente con las estaciones, disminuyendo durante la primavera y el verano del hemisferio norte cuando las plantas consumen el gas y aumentando durante el otoño e invierno del norte cuando las plantas quedan inactivas o mueren y se descomponen. El nivel desciende unas 6 o 7 ppm (alrededor de 50 Gt) de mayo a septiembre durante la temporada de crecimiento del hemisferio norte, y luego sube unas 8 o 9 ppm. El Hemisferio Norte domina el ciclo anual de concentración de CO 2 porque tiene una superficie terrestre y una biomasa vegetal mucho mayores que el Hemisferio Sur . Las concentraciones alcanzan su punto máximo en mayo, cuando comienza el reverdecimiento primaveral del hemisferio norte, y disminuyen a un mínimo en octubre, cerca del final de la temporada de crecimiento.

Las concentraciones también varían según la región, más fuertemente cerca del suelo con variaciones mucho menores en altura. En áreas urbanas, las concentraciones son generalmente más altas y en interiores pueden alcanzar 10 veces los niveles de fondo.

Mediciones y predicciones realizadas en el pasado reciente

  • Las estimaciones de 2001 encontraron que la concentración actual de dióxido de carbono en la atmósfera puede ser la más alta en los últimos 20 millones de años. Esta cifra se ha corregido a la baja desde entonces, por lo que la última estimación es ahora de 14 millones de años (estimación de 2013).
  • Los datos de 2009 encontraron que la concentración media global de CO 2 estaba aumentando a una tasa de aproximadamente 2 ppm/año y acelerándose.
  • La concentración media diaria de CO 2 atmosférico en el Observatorio de Mauna Loa superó por primera vez las 400 ppm el 10 de mayo de 2013, aunque esta concentración ya se había alcanzado en el Ártico en junio de 2012. Los datos de 2013 mostraron que la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera es así de alta "por primera vez en 55 años de medición, y probablemente más de 3 millones de años de historia de la Tierra".
  • A partir de 2018, las concentraciones de CO 2 se midieron en 410 ppm.

Técnicas de medición

Observaciones de dióxido de carbono de 2005 a 2014 que muestran las variaciones estacionales y la diferencia entre los hemisferios norte y sur

Las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera se expresan en partes por millón por volumen (abreviado como ppmv o simplemente ppm). Para convertir las unidades ppmv habituales a ppm en masa, multiplique por la relación del peso molar del CO 2 al del aire, es decir, por 1,52 (44,01 dividido por 28,96).

Las primeras mediciones precisas y reproducibles del CO 2 atmosférico se tomaron de muestras de matraces realizadas por Dave Keeling en Caltech en la década de 1950. Las mediciones en Mauna Loa han estado en curso desde 1958. Además, también se realizan mediciones en muchos otros sitios alrededor del mundo. Muchos sitios de medición son parte de redes globales más grandes. Los datos de la red global a menudo se ponen a disposición del público.

Redes de datos

Hay varias redes de medición de superficie (incluyendo matraces y continuas in situ) que incluyen NOAA / ERSL , WDCGG y RAMCES. Los datos de la Red de Observatorios de Línea de Base NOAA/ESRL y de la Red de Oceanografía del Instituto Scripps están alojados en el CDIAC en ORNL . El Centro Mundial de Datos para Gases de Efecto Invernadero (WDCGG), parte de la VAG , los datos están alojados en la JMA . La base de datos Reseau Atmospherique de Mesure des Composes an Effet de Serre (RAMCES) es parte de IPSL .

A partir de estas mediciones se elaboran otros productos que integran datos de las distintas fuentes. Estos productos también abordan problemas como la discontinuidad y la escasez de datos. GLOBALVIEW-CO 2 es uno de estos productos.

Las mediciones continuas de columnas totales en tierra comenzaron más recientemente. Las mediciones de columna normalmente se refieren a una cantidad de columna promediada denominada X CO 2 , en lugar de una medición de superficie solamente. Estas mediciones son realizadas por el TCCON . Estos datos también están alojados en el CDIAC y se ponen a disposición del público de acuerdo con la política de uso de datos.

Mediciones satelitales

Las mediciones de dióxido de carbono basadas en el espacio también son una adición reciente a las mediciones atmosféricas de X CO 2 . SCIAMACHY, a bordo del ENVISAT de la ESA, realizó mediciones globales de columna X CO 2 de 2002 a 2012. AIRS , a bordo del satélite Aqua de la NASA, realiza mediciones globales de X CO 2 y se lanzó poco después de ENVISAT en 2012. Los satélites más recientes han mejorado significativamente la densidad de datos y la precisión de las mediciones globales. . Las misiones más nuevas tienen resoluciones espectrales y espaciales más altas. El GOSAT de JAXA fue el primer satélite de monitoreo de GEI dedicado en alcanzar con éxito la órbita en 2009. El OCO-2 de la NASA , lanzado en 2014, fue el segundo. Se planean varias otras misiones de satélites para medir el X CO 2 atmosférico.

Métodos analíticos para investigar fuentes de CO 2

  • La quema de combustibles fósiles enterrados durante mucho tiempo libera CO2 que contiene carbono en proporciones isotópicas diferentes a las de las plantas vivas, lo que permite distinguir entre las contribuciones naturales y las humanas a la concentración de CO2 .
  • Hay concentraciones más altas de CO 2 en la atmósfera en el hemisferio norte, donde vive la mayor parte de la población mundial (y donde se originan las emisiones), en comparación con el hemisferio sur. Esta diferencia ha aumentado a medida que han aumentado las emisiones antropogénicas.
  • Los niveles atmosféricos de O 2 están disminuyendo en la atmósfera de la Tierra a medida que reacciona con el carbono de los combustibles fósiles para formar CO 2 .

Causas del aumento actual

Emisiones antropogénicas de CO 2

Estados Unidos, China y Rusia han aportado acumulativamente las mayores cantidades de CO 2 desde 1850.

Si bien la absorción y liberación de CO 2 siempre ocurre como resultado de procesos naturales, se sabe que el aumento reciente de los niveles de CO 2 en la atmósfera se debe principalmente a la actividad humana (antropogénica). Las emisiones antropogénicas de carbono superan la cantidad que pueden absorber o equilibrar los sumideros naturales. Así, el dióxido de carbono se ha acumulado gradualmente en la atmósfera y, a partir de mayo de 2022, su concentración es un 50 % superior a los niveles preindustriales.

La extracción y quema de combustibles fósiles, que liberan carbono que ha estado bajo tierra durante muchos millones de años, ha aumentado la concentración atmosférica de CO 2 . A partir del año 2019, la extracción y quema de carbono fósil geológico por parte de los humanos libera más de 30 gigatoneladas de CO 2 (9 mil millones de toneladas de carbono) cada año. Esta mayor alteración del equilibrio natural es responsable del reciente aumento de la concentración de CO 2 atmosférico . Actualmente, aproximadamente la mitad del dióxido de carbono liberado por la quema de combustibles fósiles no es absorbido por la vegetación y los océanos y permanece en la atmósfera .

La quema de combustibles fósiles como el carbón , el petróleo y el gas natural es la causa principal del aumento del CO2 antropogénico ; la deforestación es la segunda causa principal. En 2010, se liberaron 9,14 gigatoneladas de carbono (GtC, equivalente a 33,5 gigatoneladas de CO 2 o aproximadamente 4,3 ppm en la atmósfera terrestre) a partir de los combustibles fósiles y la producción de cemento en todo el mundo, en comparación con 6,15 GtC en 1990. Además, el cambio de uso del suelo contribuyó con 0,87 GtC en 2010, en comparación con 1,45 GtC en 1990. En el período de 1751 a 1900, se emitieron alrededor de 12 GtC a la atmósfera como CO 2 por la quema de combustibles fósiles, mientras que entre 1901 y 2013 la cifra fue de alrededor de 380 GtC.

La Agencia Internacional de Energía estima que el 1 % de los principales emisores a nivel mundial tuvo cada uno una huella de carbono de más de 50 toneladas de CO2 en 2021, más de 1000 veces mayor que la del 1 % de los emisores inferiores. La huella de carbono media mundial relacionada con la energía es de alrededor de 4,7 toneladas de CO2 por persona.


Papeles en varios procesos naturales en la Tierra

Efecto invernadero

Los gases de efecto invernadero permiten que la luz del sol atraviese la atmósfera, calentando el planeta, pero luego absorben y vuelven a irradiar la radiación infrarroja (calor) que emite el planeta.

El efecto invernadero natural de la Tierra hace posible la vida tal como la conocemos y el dióxido de carbono juega un papel importante en la provisión de la temperatura relativamente alta en la Tierra. El efecto invernadero es un proceso por el cual la radiación térmica de una atmósfera planetaria calienta la superficie del planeta más allá de la temperatura que tendría en ausencia de su atmósfera. Sin el efecto invernadero, la temperatura superficial promedio de la Tierra sería de aproximadamente -18 °C (-0,4 °F) en comparación con la temperatura superficial promedio real de la Tierra de aproximadamente 14 °C (57,2 °F).

Impulsores de forzamiento radiativo del cambio climático en el año 2011, en relación con la era preindustrial (1750).

El agua es responsable de la mayor parte (entre el 36% y el 70%) del efecto invernadero total, y el papel del vapor de agua como gas de efecto invernadero depende de la temperatura. En la Tierra, el dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero influenciado directamente por la antropología más relevante. El dióxido de carbono se menciona a menudo en el contexto de su mayor influencia como gas de efecto invernadero desde la era preindustrial (1750). En 2013, se estimó que el aumento de CO 2 era responsable de 1,82 W m -2 de los 2,63 W m -2 de cambio en el forzamiento radiativo en la Tierra (alrededor del 70 %).

El concepto de aumento de la temperatura del suelo por el CO 2 atmosférico fue publicado por primera vez por Svante Arrhenius en 1896. El mayor forzamiento radiativo debido al aumento del CO 2 en la atmósfera terrestre se basa en las propiedades físicas del CO 2 y las ventanas de absorción no saturadas donde el CO 2 absorbe la energía saliente de onda larga. El mayor forzamiento impulsa cambios adicionales en el equilibrio energético de la Tierra y, a largo plazo, en el clima de la Tierra.

Ciclo del carbono

Este diagrama del ciclo rápido del carbono muestra el movimiento del carbono entre la tierra, la atmósfera y los océanos en miles de millones de toneladas métricas de carbono por año. Los números amarillos son flujos naturales, los rojos son contribuciones humanas, los blancos son carbono almacenado.

El dióxido de carbono atmosférico juega un papel integral en el ciclo del carbono de la Tierra, por lo que el CO 2 se elimina de la atmósfera mediante algunos procesos naturales, como la fotosíntesis y la deposición de carbonatos, para formar calizas, por ejemplo, y se vuelve a añadir a la atmósfera mediante otros procesos naturales, como la la respiración y la disolución ácida de los depósitos de carbonato. Hay dos amplios ciclos de carbono en la Tierra: el ciclo de carbono rápido y el ciclo de carbono lento. El ciclo de carbono rápido se refiere a los movimientos de carbono entre el medio ambiente y los seres vivos en la biosfera, mientras que el ciclo de carbono lento implica el movimiento de carbono entre la atmósfera, los océanos, el suelo, las rocas y el vulcanismo. Ambos ciclos están intrínsecamente interconectados y el CO 2 atmosférico facilita el enlace.

Las fuentes naturales de CO2 atmosférico incluyen la liberación de gases volcánicos , la combustión de materia orgánica , los incendios forestales y los procesos de respiración de los organismos aeróbicos vivos . Las fuentes artificiales de CO 2 incluyen la quema de combustibles fósiles para calefacción, generación de energía y transporte , así como algunos procesos industriales como la fabricación de cemento. También es producido por diversos microorganismos a partir de la fermentación y la respiración celular . Las plantas , las algas y las cianobacterias convierten el dióxido de carbono en carbohidratos mediante un proceso llamado fotosíntesis. Obtienen la energía necesaria para esta reacción a partir de la absorción de la luz solar por la clorofila y otros pigmentos. El oxígeno, producido como subproducto de la fotosíntesis, se libera a la atmósfera y, posteriormente, los organismos heterótrofos y otras plantas lo utilizan para la respiración, formando un ciclo con el carbono.

Flujos anuales de CO 2 desde fuentes antropogénicas (izquierda) hacia la atmósfera de la Tierra, la tierra y los sumideros oceánicos (derecha) desde el año 1960. Unidades en gigatoneladas de carbono equivalentes por año.

La mayoría de las fuentes de emisiones de CO 2 son naturales y están equilibradas en diversos grados por sumideros de CO 2 similares . Por ejemplo, la descomposición de la materia orgánica en los bosques, pastizales y otra vegetación terrestre, incluidos los incendios forestales, da como resultado la liberación de alrededor de 436 gigatoneladas  de CO 2 (que contienen 119 gigatoneladas de carbono) cada año, mientras que la absorción de CO 2 por el nuevo crecimiento en la tierra contrarresta estas liberaciones, absorbiendo 451 Gt (123 Gt C). Aunque gran parte del CO 2 en la atmósfera primitiva de la Tierra joven fue producido por la actividad volcánica , la actividad volcánica moderna libera solo de 130 a 230  megatoneladas de CO 2 cada año. Las fuentes naturales se equilibran más o menos con los sumideros naturales, en forma de procesos químicos y biológicos que eliminan el CO 2 de la atmósfera.

En general, existe un gran flujo natural de CO 2 atmosférico que entra y sale de la biosfera , tanto en la tierra como en los océanos. En la era preindustrial, cada uno de estos flujos estaba en equilibrio hasta tal punto que fluía muy poco CO 2 neto entre las reservas de carbono terrestres y oceánicas, y se producían pocos cambios en la concentración atmosférica. Desde la era humana preindustrial hasta 1940, la biosfera terrestre representó una fuente neta de CO 2 atmosférico (impulsada en gran medida por los cambios en el uso de la tierra), pero posteriormente cambió a un sumidero neto con emisiones crecientes de carbono fósil. En 2012, alrededor del 57 % del CO 2 emitido por el ser humano , principalmente por la quema de carbono fósil, fue absorbido por los sumideros terrestres y oceánicos.

La relación entre el aumento del CO 2 atmosférico y el CO 2 emitido se conoce como fracción transportada por el aire . Esta relación varía a corto plazo y suele ser de alrededor del 45 % durante períodos más largos (5 años). El carbono estimado en la vegetación terrestre global aumentó de aproximadamente 740 gigatoneladas en 1910 a 780 gigatoneladas en 1990.

Fotosíntesis

La fotosíntesis transforma la luz solar en energía química, divide el agua para liberar O 2 y fija el CO 2 en azúcar.

El dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra es esencial para la vida y para la mayor parte de la biosfera planetaria. La tasa promedio de captura de energía por medio de la fotosíntesis a nivel mundial es de aproximadamente 130  teravatios , que es aproximadamente seis veces mayor que el consumo de energía actual de la civilización humana . Los organismos fotosintéticos también convierten alrededor de 100 a 115 mil millones de toneladas métricas de carbono en biomasa por año.

Los organismos fotosintéticos son fotoautótrofos , lo que significa que son capaces de sintetizar alimentos directamente a partir de CO 2 y agua utilizando la energía de la luz. Sin embargo, no todos los organismos que utilizan la luz como fuente de energía realizan la fotosíntesis, ya que los fotoheterótrofos utilizan compuestos orgánicos, en lugar de CO 2 , como fuente de carbono. En plantas, algas y cianobacterias, la fotosíntesis libera oxígeno. Esto se llama fotosíntesis oxigénica . Aunque existen algunas diferencias entre la fotosíntesis oxigénica en plantas , algas y cianobacterias , el proceso general es bastante similar en estos organismos. Sin embargo, existen algunos tipos de bacterias que realizan una fotosíntesis anoxigénica , que consume CO 2 pero no libera oxígeno.

El dióxido de carbono se convierte en azúcares en un proceso llamado fijación de carbono . La fijación de carbono es una reacción redox endotérmica , por lo que la fotosíntesis debe proporcionar tanto la fuente de energía para impulsar este proceso como los electrones necesarios para convertir el CO 2 en un carbohidrato . Esta adición de electrones es una reacción de reducción . En líneas generales y en efecto, la fotosíntesis es lo opuesto a la respiración celular , en la que la glucosa y otros compuestos se oxidan para producir CO 2 y agua, y liberar energía química exotérmica para impulsar el metabolismo del organismo . Sin embargo, los dos procesos tienen lugar a través de una secuencia diferente de reacciones químicas y en diferentes compartimentos celulares.

ciclo oceánico del carbono

Intercambio aire-mar de CO 2

Los océanos de la Tierra contienen una gran cantidad de CO 2 en forma de iones de bicarbonato y carbonato, mucho más que la cantidad en la atmósfera. El bicarbonato se produce en reacciones entre roca, agua y dióxido de carbono. Un ejemplo es la disolución de carbonato de calcio:

CaCO
3
+ CO2 + H
2
O
Ca2+
+ 2 HCO
3

Reacciones como esta tienden a amortiguar los cambios en el CO 2 atmosférico . Dado que el lado derecho de la reacción produce un compuesto ácido, agregar CO 2 en el lado izquierdo disminuye el pH del agua de mar, un proceso que se ha denominado acidificación del océano (el pH del océano se vuelve más ácido aunque el valor del pH permanece en el rango alcalino). ). Las reacciones entre el CO 2 y las rocas no carbonatadas también agregan bicarbonato a los mares. Más tarde, esto puede sufrir la reacción inversa de la anterior para formar rocas carbonatadas, liberando la mitad del bicarbonato como CO 2 . Durante cientos de millones de años, esto ha producido enormes cantidades de rocas carbonatadas.

Desde 1850 hasta 2022, el océano ha absorbido el 26 % del total de las emisiones antropogénicas. Sin embargo, la velocidad a la que el océano lo absorberá en el futuro es menos segura. Incluso si se alcanza el equilibrio, incluida la disolución de los minerales de carbonato, la concentración aumentada de bicarbonato y la concentración disminuida o sin cambios de iones de carbonato darán lugar a una concentración más alta de ácido carbónico no ionizado y CO2 disuelto . Esta mayor concentración en los mares, junto con las mayores temperaturas, supondría una mayor concentración de equilibrio de CO 2 en el aire.

El carbono se mueve entre la atmósfera, la vegetación (viva y muerta), el suelo, la capa superficial del océano y el océano profundo. Desde 1850 hasta 2022, el océano ha absorbido el 26 % del total de las emisiones antropogénicas.

Efectos del aumento de corriente

efectos directos

Los efectos directos del aumento de las concentraciones de CO 2 en la atmósfera incluyen: aumento de las temperaturas globales , acidificación de los océanos y un efecto de fertilización con CO 2 en plantas y cultivos.

Aumento de la temperatura

Aumento proyectado de la temperatura y el nivel del mar en relación con la media de 2000-2019 para escenarios de cambio climático RCP hasta 2500.

El promedio mundial y la temperatura combinada de la superficie terrestre y oceánica muestran un calentamiento de 1,09 °C (rango: 0,95 a 1,20 °C) desde 1850–1900 hasta 2011–2020, según múltiples conjuntos de datos producidos de forma independiente. La tendencia es más rápida desde la década de 1970 que en cualquier otro período de 50 años durante al menos los últimos 2000 años.

La mayor parte del calentamiento observado ocurrió en dos períodos: alrededor de 1900 a alrededor de 1940 y alrededor de 1970 en adelante; el enfriamiento/meseta de 1940 a 1970 se ha atribuido principalmente al aerosol de sulfato . Algunas de las variaciones de temperatura durante este período de tiempo también pueden deberse a los patrones de circulación oceánica.

Acidificación oceánica

La acidificación de los océanos es la disminución del pH de los océanos de la Tierra . Entre 1751 y 2021, el pH promedio de la superficie del océano cayó de aproximadamente 8,25 a 8,14. Las emisiones de dióxido de carbono de las actividades humanas son la causa principal de la acidificación de los océanos, con niveles de dióxido de carbono (CO 2 ) atmosférico que superan las 410 ppm (en 2020). El CO 2 de la atmósfera es absorbido por los océanos. Esto produce ácido carbónico (H 2 CO 3 ) que se disocia en un ion bicarbonato ( HCO3) y un ion hidrógeno (H + ). La presencia de iones de hidrógeno libres (H + ) baja el pH del océano, aumentando la acidez (esto no significa que el agua de mar sea ácida todavía, sigue siendo alcalina , con un pH superior a 8). La concentración de iones de carbonato , que son los principales bloques de construcción de las conchas y esqueletos de carbonato de calcio (CaCO 3 ), disminuye a medida que disminuye el pH. Los organismos calcificadores marinos , como los moluscos , las ostras y los corales , son especialmente vulnerables porque dependen del carbonato de calcio para construir conchas y esqueletos.

Efecto de fertilización con CO 2

El efecto de fertilización con CO 2 o efecto de fertilización con carbono provoca un aumento en la tasa de fotosíntesis al tiempo que limita la transpiración de las hojas en las plantas. Ambos procesos resultan del aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico (CO 2 ). El efecto de la fertilización con carbono varía según las especies de plantas, la temperatura del aire y del suelo y la disponibilidad de agua y nutrientes. La productividad primaria neta (PPN) podría responder positivamente al efecto de la fertilización con carbono. Aunque, la evidencia muestra que las tasas mejoradas de fotosíntesis en las plantas debido a la fertilización con CO 2 no mejoran directamente todo el crecimiento de las plantas y, por lo tanto, el almacenamiento de carbono. Se ha informado que el efecto de la fertilización con carbono es la causa del aumento del 44% de la productividad primaria bruta (GPP) desde la década de 2000. Los modelos del sistema terrestre , los modelos del sistema terrestre y los modelos dinámicos de vegetación global se utilizan para investigar e interpretar las tendencias de la vegetación relacionadas con los niveles crecientes de CO2 atmosférico . Sin embargo, los procesos del ecosistema asociados con el efecto de fertilización con CO 2 siguen siendo inciertos y, por lo tanto, son difíciles de modelar.

Los ecosistemas terrestres han reducido las concentraciones atmosféricas de CO2 y han mitigado parcialmente los efectos del cambio climático . Es poco probable que la respuesta de las plantas al efecto de la fertilización con carbono reduzca significativamente la concentración de CO 2 atmosférico durante el próximo siglo debido a las crecientes influencias antropogénicas sobre el CO 2 atmosférico . Las tierras con vegetación de la Tierra han mostrado un importante reverdecimiento desde principios de la década de 1980, en gran parte debido al aumento de los niveles de CO 2 atmosférico .

La teoría predice que los trópicos tendrán la mayor absorción debido al efecto de fertilización con carbono, pero esto no se ha observado. La cantidad de CO 2 absorbido por la fertilización con CO 2 también depende de cómo respondan los bosques al cambio climático y si están protegidos de la deforestación .

Otros efectos directos

Las emisiones de CO 2 también han llevado a que la estratosfera se contraiga 400 metros desde 1980, lo que podría afectar las operaciones satelitales, los sistemas GPS y las comunicaciones por radio.

Efectos e impactos indirectos

Un humo marrón anaranjado espeso bloquea la mitad de un cielo azul, con coníferas en primer plano
Unos pocos peces grises nadan sobre coral gris con púas blancas
La mitad de la arena del desierto cubre un pueblo de pequeñas casas de techo plano con árboles verdes dispersos
grandes áreas de agua quieta detrás de los edificios junto al río
Algunos efectos del cambio climático, en el sentido de las agujas del reloj desde arriba a la izquierda: incendios forestales causados ​​por el calor y la sequedad, coral blanqueado causado por la acidificación y el calentamiento de los océanos, inundaciones costeras causadas por tormentas y el aumento del nivel del mar, y migración ambiental causada por la desertificación
Los efectos del cambio climático repercuten en el entorno físico , los ecosistemas y las sociedades humanas. Los efectos ambientales del cambio climático son amplios y de largo alcance. Afectan el ciclo del agua , los océanos , los hielos marinos y terrestres ( glaciares ), el nivel del mar , así como los fenómenos meteorológicos y climáticos extremos . Los cambios en el clima no son uniformes en toda la Tierra. En particular, la mayoría de las áreas terrestres se han calentado más rápido que la mayoría de las áreas oceánicas, y el Ártico se está calentando más rápido que la mayoría de las otras regiones. Los cambios regionales varían: en latitudes altas es la temperatura media la que está aumentando, mientras que para los océanos y los trópicos son en particular las precipitaciones y el ciclo del agua donde se observan los cambios. La magnitud de los impactos del cambio climático puede reducirse mediante la mitigación y adaptación al cambio climático .

Enfoques para reducir las concentraciones de CO2

Un modelo del comportamiento del carbono en la atmósfera del 1 de septiembre de 2014 al 31 de agosto de 2015. La altura de la atmósfera y la topografía de la Tierra se han exagerado verticalmente y aparecen aproximadamente 40 veces más altas de lo normal para mostrar la complejidad del flujo atmosférico.

El dióxido de carbono tiene efectos únicos a largo plazo sobre el cambio climático que son casi "irreversibles" durante mil años después de que cesan las emisiones (cero emisiones adicionales). Los gases de efecto invernadero metano y óxido nitroso no persisten en el tiempo de la misma forma que el dióxido de carbono. Incluso si las emisiones humanas de dióxido de carbono cesaran por completo, no se espera que las temperaturas atmosféricas disminuyan significativamente a corto plazo. Esto se debe a que la temperatura del aire está determinada por un equilibrio entre el calentamiento debido a los gases de efecto invernadero y el enfriamiento debido a la transferencia de calor al océano. Si se detuvieran las emisiones, los niveles de CO 2 y el efecto de calentamiento disminuirían lentamente, pero al mismo tiempo disminuiría el enfriamiento debido a la transferencia de calor (porque la temperatura del mar se acercaría a la temperatura del aire), con el resultado de que la temperatura del aire disminuiría solo despacio. La temperatura del mar seguiría aumentando, lo que provocaría la expansión térmica y cierto aumento del nivel del mar. Bajar las temperaturas globales más rápidamente requeriría el secuestro de carbono o la geoingeniería .

Se han propuesto varias técnicas para eliminar el exceso de dióxido de carbono de la atmósfera.

La eliminación de dióxido de carbono (CDR), también conocida como emisiones negativas de CO 2 , es un proceso en el que el gas de dióxido de carbono (CO 2 ) se elimina de la atmósfera y se almacena (o secuestra ) de forma duradera en depósitos geológicos, terrestres u oceánicos, o en productos De manera similar, la remoción de gases de efecto invernadero (GGR) o emisiones negativas de gases de efecto invernadero es la remoción de gases de efecto invernadero (GEI) de la atmósfera por actividades humanas deliberadas, es decir, además de la remoción que ocurriría a través del ciclo natural del carbono o procesos químicos atmosféricos. En el contexto de los objetivos de cero emisiones netas de gases de efecto invernadero , la CDR se integra cada vez más en la política climática, como un nuevo elemento de las estrategias de mitigación . Los métodos CDR y GGR también se conocen como tecnologías de emisiones negativas (NET) y pueden ser más económicos que prevenir algunas emisiones de gases de efecto invernadero agrícolas .

Concentraciones en el pasado geológico

Concentraciones de CO 2 durante los últimos 500 millones de años
Concentración de CO 2 atmosférico en los últimos 40.000 años, desde el Último Máximo Glacial hasta la actualidad. La tasa actual de aumento es mucho más alta que en cualquier punto durante la última deglaciación .

Se cree que el dióxido de carbono ha tenido un efecto importante en la regulación de la temperatura de la Tierra a lo largo de sus 4.700 millones de años de historia. Al principio de la vida de la Tierra, los científicos han encontrado evidencia de agua líquida que indica un mundo cálido, aunque se cree que la producción del Sol fue solo el 70% de lo que es hoy. Las concentraciones más altas de dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra primitiva podrían ayudar a explicar esta paradoja del débil sol joven . Cuando la Tierra se formó por primera vez, la atmósfera de la Tierra puede haber contenido más gases de efecto invernadero y las concentraciones de CO 2 pueden haber sido más altas, con una presión parcial estimada de hasta 1000  kPa (10  bar ), porque no hubo fotosíntesis bacteriana para reducir el gas a compuestos de carbono y oxígeno. El metano , un gas de efecto invernadero muy activo, también puede haber sido más frecuente.

Las concentraciones de dióxido de carbono han mostrado varios ciclos de variación desde aproximadamente 180 partes por millón durante las glaciaciones profundas del Holoceno y el Pleistoceno hasta 280 partes por millón durante los períodos interglaciares. Las concentraciones de dióxido de carbono han variado ampliamente durante los 4540 millones de años de historia de la Tierra. Se cree que estuvo presente en la primera atmósfera de la Tierra, poco después de la formación de la Tierra. La segunda atmósfera, que consiste principalmente en nitrógeno y CO.
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fue producido por la liberación de gases del vulcanismo , complementado con gases producidos durante el intenso bombardeo tardío de la Tierra por parte de enormes asteroides . Una gran parte de las emisiones de dióxido de carbono pronto se disolvieron en agua y se incorporaron a los sedimentos carbonatados.

La producción de oxígeno libre por la fotosíntesis de las cianobacterias finalmente condujo a la catástrofe del oxígeno que terminó con la segunda atmósfera de la Tierra y provocó la tercera atmósfera de la Tierra (la atmósfera moderna) 2.400 millones de años antes del presente. Las concentraciones de dióxido de carbono cayeron de 4.000 partes por millón durante el período Cámbrico hace unos 500 millones de años a tan solo 180 partes por millón durante la glaciación cuaternaria de los últimos dos millones de años.

Impulsores de la concentración de CO 2 en la Tierra antigua

En escalas de tiempo largas, la concentración atmosférica de CO 2 está determinada por el equilibrio entre los procesos geoquímicos , incluido el entierro de carbono orgánico en los sedimentos, la meteorización de rocas de silicato y la desgasificación volcánica . El efecto neto de ligeros desequilibrios en el ciclo del carbono durante decenas a cientos de millones de años ha sido la reducción del CO 2 atmosférico . En una escala de tiempo de miles de millones de años, esta tendencia a la baja parece destinada a continuar indefinidamente, ya que las liberaciones históricas masivas ocasionales de carbono enterrado debido al vulcanismo serán menos frecuentes (a medida que el enfriamiento del manto terrestre y el agotamiento progresivo del calor radiactivo interno continúen ) . Las tasas de estos procesos son extremadamente lentas; por lo tanto, no tienen relevancia para la concentración atmosférica de CO 2 durante los próximos cientos o miles de años.

La fotosíntesis en el pasado geológico

A lo largo de la historia geológica de la Tierra, las concentraciones de CO 2 han jugado un papel en la evolución biológica. Los primeros organismos fotosintéticos probablemente evolucionaron temprano en la historia evolutiva de la vida y lo más probable es que usaran agentes reductores como el hidrógeno o el sulfuro de hidrógeno como fuentes de electrones, en lugar de agua. Las cianobacterias aparecieron más tarde, y el exceso de oxígeno que producían contribuyó a la catástrofe del oxígeno , que hizo posible la evolución de la vida compleja . En tiempos geológicos recientes, las bajas concentraciones de CO 2 por debajo de 600 partes por millón podrían haber sido el estímulo que favoreció la evolución de las plantas C4 , que aumentaron mucho en abundancia hace entre 7 y 5 millones de años sobre las plantas que utilizan la vía metabólica C3 menos eficiente. A las presiones atmosféricas actuales, la fotosíntesis se detiene cuando las concentraciones atmosféricas de CO 2 caen por debajo de 150 ppm y 200 ppm, aunque algunos microbios pueden extraer carbono del aire en concentraciones mucho más bajas.

Medición de la concentración de CO 2 en la Tierra antigua

Gráfico de CO 2 (verde), temperatura reconstruida (azul) y polvo (rojo) del núcleo de hielo de Vostok durante los últimos 420 000 años
Correspondencia entre la temperatura y el CO 2 atmosférico durante los últimos 800.000 años

El método más directo para medir las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera durante períodos anteriores al muestreo instrumental es medir las burbujas de aire ( inclusiones de fluidos o gases ) atrapadas en las capas de hielo de la Antártida o Groenlandia . Los estudios de este tipo más ampliamente aceptados provienen de una variedad de núcleos antárticos e indican que las concentraciones atmosféricas de CO 2 eran de alrededor de 260–280 ppmv inmediatamente antes de que comenzaran las emisiones industriales y no variaron mucho de este nivel durante los 10 000 años anteriores . El registro de testigos de hielo más largo proviene de la Antártida Oriental, donde se ha muestreado hielo con una antigüedad de 800.000 años. Durante este tiempo, la concentración de dióxido de carbono atmosférico ha variado entre 180 y 210 ppm durante las glaciaciones , aumentando a 280-300 ppm durante los interglaciares más cálidos . El comienzo de la agricultura humana durante la época del Holoceno actual puede haber estado fuertemente relacionado con el aumento de CO 2 atmosférico después de que terminó la última edad de hielo, un efecto de fertilización que aumenta el crecimiento de la biomasa vegetal y reduce los requisitos de conductancia estomática para la ingesta de CO 2 , lo que reduce las pérdidas de agua por transpiración. y aumentar la eficiencia en el uso del agua.

Se han utilizado varias mediciones indirectas para intentar determinar las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera hace millones de años. Estos incluyen proporciones de isótopos de boro y carbono en ciertos tipos de sedimentos marinos y la cantidad de estomas observados en hojas de plantas fósiles.

El fitano es un tipo de alcano diterpenoide . Es un producto de descomposición de la clorofila y ahora se usa para estimar los niveles antiguos de CO 2 . Phytane proporciona un registro continuo de concentraciones de CO 2 pero también puede superponerse a una ruptura en el registro de CO 2 de más de 500 millones de años.

600 a 400 Ma

Hay evidencia de altas concentraciones de CO 2 de más de 3.000 ppm entre hace 200 y 150 millones de años, y de más de 6.000 ppm entre hace 600 y 400 millones de años.

60 a 5 Ma

En tiempos más recientes, la concentración atmosférica de CO 2 siguió cayendo después de hace unos 60 millones de años. Hace unos 34 millones de años, la época del evento de extinción del Eoceno-Oligoceno y cuando la capa de hielo de la Antártida comenzó a tomar su forma actual, el CO 2 era de unas 760 ppm, y hay evidencia geoquímica de que las concentraciones eran inferiores a 300 ppm alrededor de 20 hace millones de años La disminución de la concentración de CO 2 , con un punto de inflexión de 600 ppm, fue el principal agente que obligó a la glaciación antártica. Las bajas concentraciones de CO 2 pueden haber sido el estímulo que favoreció la evolución de las plantas C4 , que aumentaron mucho en abundancia entre hace 7 y 5 millones de años.

Ver también

Referencias

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