Ciclo del carbono del permafrost - Permafrost carbon cycle
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El ciclo del carbono del permafrost es un subciclo del ciclo global del carbono más amplio . El permafrost se define como material del subsuelo que permanece por debajo de 0 o C (32 o F) durante al menos dos años consecutivos. Debido a que los suelos de permafrost permanecen congelados durante largos períodos de tiempo, almacenan grandes cantidades de carbono y otros nutrientes dentro de su estructura congelada durante ese tiempo. El permafrost representa un gran reservorio de carbono que rara vez se considera al determinar los reservorios de carbono terrestre global. Sin embargo, la investigación científica reciente y en curso está cambiando este punto de vista.
El ciclo del carbono del permafrost (ciclo del carbono del Ártico) se ocupa de la transferencia de carbono de los suelos de permafrost a la vegetación terrestre y los microbios, a la atmósfera , de regreso a la vegetación y, finalmente, de regreso a los suelos de permafrost a través del entierro y la sedimentación debido a procesos criogénicos. Parte de este carbono se transfiere al océano y a otras partes del mundo a través del ciclo global del carbono. El ciclo incluye el intercambio de dióxido de carbono y metano entre los componentes terrestres y la atmósfera, así como la transferencia de carbono entre la tierra y el agua como el metano, el carbono orgánico disuelto , carbono inorgánico disuelto , de carbono inorgánico en partículas y carbono orgánico particulado .
Almacenamiento
Los suelos, en general, son los mayores reservorios de carbono en los ecosistemas terrestres . Esto también es cierto para los suelos del Ártico que están sustentados por permafrost. En 2003, Tarnocai, et al. utilizó la base de datos de suelos de las latitudes septentrional y media para determinar las reservas de carbono en los criosoles, suelos que contienen permafrost a dos metros de la superficie del suelo. Los suelos afectados por el permafrost cubren casi el 9% de la superficie terrestre, pero almacenan entre el 25 y el 50% del carbono orgánico del suelo. Estas estimaciones muestran que los suelos de permafrost son una importante reserva de carbono. Estos suelos no solo contienen grandes cantidades de carbono, sino que también secuestran carbono mediante crioturbación y procesos criogénicos.
Procesos
El permafrost no produce carbono. El carbono orgánico derivado de la vegetación terrestre debe incorporarse a la columna del suelo y, posteriormente, incorporarse al permafrost para su almacenamiento eficaz. Debido a que el permafrost responde lentamente a los cambios climáticos, el almacenamiento de carbono elimina el carbono de la atmósfera durante largos períodos de tiempo. Las técnicas de datación por radiocarbono revelan que el carbono del permafrost suele tener miles de años. El almacenamiento de carbono en el permafrost es el resultado de dos procesos principales.
- El primer proceso que captura carbono y lo almacena es el crecimiento singenético del permafrost . Este proceso es el resultado de una capa activa constante donde el espesor y el intercambio de energía entre el permafrost, la capa activa, la biosfera y la atmósfera, resultan en el aumento vertical de la elevación de la superficie del suelo. Esta degradación del suelo es el resultado de la sedimentación eólica o fluvial y / o la formación de turba . Las tasas de acumulación de turba son tan altas como 0,5 mm / año, mientras que la sedimentación puede provocar un aumento de 0,7 mm / año. Los depósitos de limo espeso que resultan de la deposición abundante de loess durante el último máximo glacial forman suelos ricos en carbono espesos conocidos como yedoma . A medida que ocurre este proceso, el suelo orgánico y mineral que se deposita se incorpora al permafrost a medida que asciende la superficie del permafrost.
- El segundo proceso responsable del almacenamiento de carbono es la crioturbación , la mezcla del suelo debido a los ciclos de congelación-descongelación. La crioturbación mueve el carbono de la superficie a las profundidades dentro del perfil del suelo. El levantamiento de escarcha es la forma más común de crioturbación. Finalmente, el carbono que se origina en la superficie se mueve lo suficientemente profundo en la capa activa para incorporarse al permafrost. Cuando la crioturbación y la deposición de sedimentos actúan juntas, las tasas de almacenamiento de carbono aumentan.
Estimaciones actuales
La cantidad de carbono almacenado en los suelos de permafrost es poco conocida. Las actividades de investigación actuales buscan comprender mejor el contenido de carbono de los suelos en toda la columna de suelo. Estudios recientes (2009) estiman que el contenido de carbono del suelo del permafrost circumpolar del norte equivale aproximadamente a 1700 Pg . (1 Pg = 1 Gt = 10 15 g) Esta estimación de la cantidad de carbono almacenado en los suelos de permafrost es más del doble de la cantidad actualmente en la atmósfera. Esta evaluación más reciente del contenido de carbono en suelos de permafrost divide la columna de suelo en tres horizontes, 0–30 cm, 0–100 cm y 1–300 cm. El horizonte más alto (0-30 cm) contiene aproximadamente 200 µg de carbono orgánico. El horizonte de 0 a 100 cm contiene aproximadamente 500 Pg de carbono orgánico y el horizonte de 0 a 300 cm contiene aproximadamente 1024 Pg de carbono orgánico. Estas estimaciones duplicaron con creces las reservas de carbono conocidas anteriormente en los suelos de permafrost. Existen reservas de carbono adicionales en yedoma (400 Pg), depósitos de loess ricos en carbono que se encuentran en Siberia y regiones aisladas de América del Norte, y depósitos deltaicos (240 Pg) en todo el Ártico. Estos depósitos son generalmente más profundos que los 3 m investigados en estudios tradicionales. Surgen muchas preocupaciones debido a la gran cantidad de carbono almacenado en los suelos de permafrost. Hasta hace poco, la cantidad de carbono presente en el permafrost no se tenía en cuenta en los modelos climáticos y los presupuestos globales de carbono. El deshielo del permafrost puede liberar a la atmósfera grandes cantidades de carbono viejo almacenado en el permafrost.
Liberación de carbono del permafrost
El carbono almacenado en los suelos árticos y el permafrost es susceptible de ser liberado debido a varios mecanismos diferentes. El carbono que se almacena en el permafrost se libera nuevamente a la atmósfera como dióxido de carbono (CO 2 ) o metano (CH 4 ). La respiración aeróbica libera dióxido de carbono, mientras que la respiración anaeróbica libera metano.
- La actividad microbiana libera carbono a través de la respiración. Se cree que el aumento de la descomposición microbiana debido a las condiciones de calentamiento es una fuente importante de carbono para la atmósfera. La tasa de descomposición microbiana dentro de los suelos orgánicos, incluido el permafrost descongelado, depende de los controles ambientales. Estos controles incluyen la temperatura del suelo, la disponibilidad de humedad, la disponibilidad de nutrientes y la disponibilidad de oxígeno.
- El clatrato o hidratos de metano se encuentra dentro y debajo de los suelos de permafrost. Debido a la baja permeabilidad de los suelos de permafrost, el gas metano no puede migrar verticalmente a través de la columna de suelo. A medida que aumenta la temperatura del permafrost, también aumenta la permeabilidad, lo que permite que el gas metano, una vez atrapado, se mueva verticalmente y escape. La disociación de los hidratos de gas es común a lo largo de la costa ártica, sin embargo, las estimaciones de la disociación de los hidratos de gas del permafrost terrestre siguen sin estar claras.
- La degradación del termokarst / permafrost como resultado del cambio climático y el aumento de la temperatura media anual del aire en todo el Ártico amenaza con liberar grandes cantidades de carbono a la atmósfera. La extensión espacial del permafrost disminuye en el clima cálido, liberando grandes cantidades de carbono almacenado.
- A medida que cambian las temperaturas del aire y del permafrost, también cambia la vegetación sobre el suelo. El aumento de las temperaturas facilita la transferencia de carbono del suelo a la vegetación en crecimiento en la superficie. Esta transferencia elimina el carbono del suelo y lo reubica en la reserva de carbono terrestre donde las plantas lo procesan, almacenan y respiran, moviéndolo a la atmósfera.
- Los incendios forestales en los bosques boreales y los incendios de la tundra alteran el paisaje y liberan grandes cantidades de carbono orgánico almacenado a la atmósfera a través de la combustión. A medida que estos incendios arden, eliminan la materia orgánica de la superficie. La eliminación de la estera orgánica protectora que aísla el suelo expone el suelo subyacente y el permafrost a una mayor radiación solar , que a su vez aumenta la temperatura del suelo, el espesor de la capa activa y cambia la humedad del suelo. Los cambios en la humedad y la saturación del suelo alteran la proporción de descomposición óxica a anóxica dentro del suelo.
- Los procesos hidrológicos eliminan y movilizan el carbono, llevándolo río abajo. La movilización se produce debido a la lixiviación, la caída de basura y la erosión. Se cree que la movilización se debe principalmente al aumento de la producción primaria en el Ártico, lo que resulta en un aumento de la hojarasca que ingresa a los arroyos y aumenta el contenido de carbono orgánico disuelto en el arroyo. La lixiviación de carbono orgánico del suelo de los suelos de permafrost también se acelera por el calentamiento del clima y por la erosión a lo largo de las orillas de los ríos y arroyos que liberan el carbono del suelo previamente congelado.
El carbono circula continuamente entre los suelos, la vegetación y la atmósfera. Actualmente, el flujo de carbono de los suelos de permafrost es mínimo, sin embargo, los estudios sugieren que el calentamiento futuro y la degradación del permafrost aumentarán el flujo de CO 2 de los suelos. El deshielo profundiza la capa activa, exponiendo el carbono viejo que ha estado almacenado durante décadas, siglos, milenios. La cantidad de carbono que se liberará de las condiciones de calentamiento depende de la profundidad del deshielo, el contenido de carbono dentro del suelo descongelado y los cambios físicos en el medio ambiente. La probabilidad de que todo el depósito de carbono se movilice y entre a la atmósfera es baja a pesar de los grandes volúmenes almacenados en el suelo. Aunque se prevé que las temperaturas aumenten, esto no implica la pérdida completa del permafrost y la movilización de todo el depósito de carbono. Gran parte del suelo subyacente por el permafrost permanecerá congelado incluso si las temperaturas cálidas aumentan la profundidad del deshielo o aumentan el termokarsting y la degradación del permafrost.
Impactos ambientales
Se espera que las condiciones más cálidas provoquen una disminución espacial en la extensión del permafrost y un engrosamiento de la capa activa . Esta disminución en la extensión y el volumen del permafrost permite la movilización del carbono orgánico del suelo almacenado a la biosfera y la atmósfera en forma de dióxido de carbono y metano. Además, se cree que estos cambios impactan los ecosistemas y alteran la vegetación que está presente en la superficie. Se espera que el aumento de la absorción de carbono por las plantas sea relativamente pequeño en comparación con la cantidad de carbono liberado por la degradación del permafrost. La vegetación de la tundra contiene 0,4 kg de carbono por m 2, mientras que un cambio a los bosques boreales podría aumentar la reserva de carbono sobre el suelo a 5 kg de carbono por m 2 . Sin embargo, el suelo de tundra contiene diez veces esa cantidad.
Además, una liberación repentina y constante de dióxido de carbono y metano de los suelos de permafrost puede conducir a un ciclo de retroalimentación positiva en el que el calentamiento libera dióxido de carbono a la atmósfera. Este dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero , hace que aumenten las concentraciones atmosféricas, provocando un calentamiento posterior. Se cree que este escenario es un escenario potencial de cambio climático descontrolado.