Dióxido de carbono en la atmósfera
El dióxido de carbono (CO 2) es un gas traza importante en la atmósfera terrestre. Es una parte integral del ciclo del carbono, un ciclo biogeoquímico en el que el carbono se intercambia 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. El CO 2 absorbe y emite radiación infrarroja en longitudes de onda de 4,26 μm (2347 cm) (modo vibratorio de estiramiento asimétrico) y 14,99 μm (667 cm) (modo de vibración de flexión) y, en consecuencia, es un gas de efecto invernadero que juega un papel importante en la influencia de la temperatura de la superficie de la Tierra a través del efecto invernadero.
Las concentraciones de CO 2 en la atmósfera fueron tan altas como 4.000 partes por millón (ppm, en base molar) durante el período Cámbrico hace unos 500 millones de años hasta 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 CO2 alcanzaron un máximo de ~2000 ppm durante el período Devónico (hace ~400 millones de años) y nuevamente en el período Triásico (hace 220–200 millones de años). La concentración media anual mundial de CO 2 ha aumentado un 50 % desde el comienzo de la Revolución Industrial, de 280 ppm durante los 10 000 años hasta mediados del siglo XVIII a 421 ppm en mayo de 2022. La concentración actual es la más alta para 14 millones años.El aumento se ha atribuido a la actividad humana, en particular a la deforestación y la quema de combustibles fósiles. Este aumento de CO 2 y otros gases de efecto invernadero de larga duración en la atmósfera terrestre ha producido el episodio actual de calentamiento global. Entre el 30% y el 40% del CO 2 liberado por los humanos a la atmósfera se disuelve en los océanos, donde forma ácido carbónico y produce cambios en el equilibrio del pH oceánico.
Concentración actual
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 interglaciales. Tras el inicio de la Revolución Industrial, la concentración de CO 2 atmosférico aumentó a más de 400 partes por millón y sigue aumentando, provocando el fenómeno del calentamiento global. En mayo de 2022, el nivel medio mensual de CO 2 en la atmósfera terrestre alcanzó las 421 partes por millón. 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.Cada parte por millón en volumen de CO 2 en la atmósfera representa aproximadamente 2,13 gigatoneladas de carbono, o 7,82 gigatoneladas de CO 2. A partir de 2018, el CO 2 constituye aproximadamente el 0,041 % del volumen de la atmósfera (igual a 410 ppm), lo que corresponde a aproximadamente 3210 gigatoneladas de CO 2, que contienen aproximadamente 875 gigatoneladas de carbono. La concentración media mundial de CO 2 está aumentando actualmente a un ritmo de aproximadamente 2 ppm/año y acelerándose. La tasa de crecimiento actual en Mauna Loa es de 2,50 ± 0,26 ppm/año (media ± 2 desviación estándar).Como se ve en el gráfico de la derecha, hay una fluctuación anual: el nivel cae 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.
Dado que el calentamiento global se atribuye al aumento de las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero como el CO 2 y el metano, los científicos siguen de cerca las concentraciones atmosféricas de CO 2 y su impacto en la biosfera actual. National Geographic escribió que la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera es tan alta "por primera vez en 55 años de medición, y probablemente más de 3 millones de años de historia de la Tierra". La concentración actual puede ser la más alta en los últimos 20 millones de años.
Concentración pasada
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.2fue 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 el CO 2 atmosféricoconcentración durante los próximos cientos o miles de años.
En escalas de tiempo de miles de millones de años, se predice que la vida vegetal, y por lo tanto animal, en la tierra desaparecerá por completo, ya que para ese momento la mayor parte del carbono restante en la atmósfera será secuestrado bajo tierra, y las liberaciones naturales de CO 2 por radiactividad- la actividad tectónica impulsada habrá continuado desacelerándose. La pérdida de vida vegetal también resultaría en la eventual pérdida de oxígeno. Algunos microbios son capaces de realizar la fotosíntesis en concentraciones de CO 2 de unas pocas partes por millón, por lo que las últimas formas de vida probablemente desaparecerían finalmente debido al aumento de las temperaturas y la pérdida de la atmósfera cuando el sol se convierta en una gigante roja dentro de unos cuatro mil millones de años..
Medición de la concentración de CO 2 en la Tierra antigua
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 estaban entre 260 y 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.
Hace 400 a 600 M años
Hay evidencia de altas concentraciones de CO 2 entre hace 200 y 150 millones de años de más de 3.000 ppm, y hace entre 600 y 400 millones de años de más de 6.000 ppm.
Hace 5 a 60 M años
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.
CO 2 posiblemente mayor hace 7.000 - 10.000 años
Basado en un análisis de hojas fósiles, Wagner et al. argumentó que las concentraciones atmosféricas de CO 2 durante el último período de 7.000 a 10.000 años fueron significativamente superiores a 300 ppm y contenían variaciones sustanciales que pueden estar correlacionadas con las variaciones climáticas. Otros han cuestionado tales afirmaciones, sugiriendo que es más probable que reflejen problemas de calibración que cambios reales en el CO 2. Relevante para esta disputa es la observación de que los núcleos de hielo de Groenlandia a menudo reportan valores de CO 2 más altos y más variables que mediciones similares en la Antártida. Sin embargo, los grupos responsables de tales mediciones (por ejemplo, HJ Smith et al.) creen que las variaciones en los núcleos de Groenlandia son el resultado de in situdescomposición del polvo de carbonato de calcio que se encuentra en el hielo. Cuando las concentraciones de polvo en los núcleos de Groenlandia son bajas, como ocurre casi siempre en los núcleos de la Antártida, los investigadores informan una buena concordancia entre las mediciones de las concentraciones de CO 2 en la Antártida y Groenlandia.
CO 2 atmosférico y el efecto invernadero
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 que disfruta el planeta. 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).
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. Los científicos han sugerido que 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 CO 2las concentraciones 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 que reacciona con el oxígeno para producir CO 2 y vapor de agua, también puede haber sido más frecuente, con una proporción de mezcla de 10 (100 partes por millón en volumen).
Aunque el agua es responsable de la mayor parte (alrededor del 36-70%) del efecto invernadero total, 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 el Quinto Informe de Evaluación del IPCC, se estimó que el aumento de CO 2 es responsable de 1,82 W m de los 2,63 W m 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.
CO 2 atmosférico y el ciclo del carbono
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 CO 2 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. Fuentes artificiales de CO 2incluyen 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 varios 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.
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 joven Tierra 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. Por el contrario, 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.
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 crecientes emisiones 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 (Keeling et al., 1995). 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. Para 2009, la neutralización oceánica había disminuido el pH del agua de mar en 0,11 debido a la absorción de CO 2 emitido.
CO 2 atmosférico y fotosíntesis
El dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra es esencial para la vida y para la mayor parte de la biosfera planetaria. 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, bajas emisiones de CO 2concentraciones inferiores a 600 partes por millón podrían haber sido el estímulo que favoreció la evolución de las plantas C4, cuya abundancia aumentó considerablemente hace entre 7 y 5 millones de años frente a 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. Hoy en día, la tasa promedio de captura de energía por 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 pueden 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 la fotosíntesis anoxigénica, que consume CO 2pero 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.
La mayoría de los organismos que utilizan la fotosíntesis para producir oxígeno usan luz visible para hacerlo, aunque al menos tres usan radiación infrarroja de onda corta o, más específicamente, radiación roja lejana.
Efectos del aumento de CO 2 en plantas y cultivos
Una revisión de 1993 de estudios científicos sobre invernaderos encontró que duplicar la concentración de CO 2 estimularía el crecimiento de 156 especies de plantas diferentes en un promedio de 37%. La respuesta varió significativamente según la especie, algunas mostraron ganancias mucho mayores y algunas pérdidas. Por ejemplo, un estudio de invernadero de 1979 encontró que con una concentración de CO 2 duplicada, el peso seco de las plantas de algodón de 40 días se duplicó, pero el peso seco de las plantas de maíz de 30 días aumentó solo un 20%.
Además de los estudios de invernadero, las mediciones de campo y satelitales intentan comprender el efecto del aumento de CO 2 en entornos más naturales. En los experimentos de enriquecimiento con dióxido de carbono al aire libre (FACE, por sus siglas en inglés), las plantas se cultivan en parcelas de campo y la concentración de CO 2 del aire circundante se eleva artificialmente. Estos experimentos generalmente usan menos CO 2niveles que los estudios de invernadero. Muestran menores ganancias en el crecimiento que los estudios de invernadero, y las ganancias dependen en gran medida de la especie en estudio. Una revisión de 2005 de 12 experimentos a 475–600 ppm mostró una ganancia promedio del 17 % en el rendimiento del cultivo, y las leguminosas generalmente muestran una mayor respuesta que otras especies y las plantas C4 generalmente muestran menos. La revisión también indicó que los experimentos tienen sus propias limitaciones. Los niveles de CO 2 estudiados fueron más bajos y la mayoría de los experimentos se llevaron a cabo en regiones templadas. Las mediciones satelitales encontraron un aumento del índice de área foliar del 25% al 50% del área con vegetación de la Tierra durante los últimos 35 años (es decir, un reverdecimiento del planeta), proporcionando evidencia de un efecto positivo de fertilización con CO2.
Un artículo de Politico de 2017 afirma que el aumento de los niveles de CO 2 puede tener un impacto negativo en la calidad nutricional de varios cultivos alimentarios humanos, al aumentar los niveles de carbohidratos, como la glucosa, al tiempo que disminuye los niveles de nutrientes importantes como proteínas, hierro y zinc. Los cultivos que experimentan una disminución de proteínas incluyen arroz, trigo, cebada y papas.
El CO 2 atmosférico y el ciclo del carbono oceánico
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:CaCO3+ CO2 + H2O ⇌ Ca+ 2 HCO3
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.
En última instancia, la mayor parte del CO 2 emitido por las actividades humanas se disolverá en el océano; 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 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, el CO 2los niveles y el efecto de calentamiento disminuirían lentamente, pero simultáneamente 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 lentamente. La temperatura del mar seguiría aumentando, lo que provocaría la expansión térmica y cierto aumento del nivel del mar. Reducir las temperaturas globales más rápidamente requeriría el secuestro de carbono o la geoingeniería.
El carbono se mueve entre la atmósfera, la vegetación (viva y muerta), el suelo, la capa superficial del océano y el océano profundo. Un modelo detallado ha sido desarrollado por Fortunat Joos en Berna y sus colegas, llamado modelo de Berna. Un modelo más simple basado en él da la fracción de CO 2 que queda en la atmósfera en función del número de años después de que se emite a la atmósfera:
De acuerdo con este modelo, el 21,7% del dióxido de carbono liberado en el aire permanece allí para siempre, pero por supuesto esto no es cierto si el material que contiene carbono se elimina del ciclo (y se almacena) en formas que no son operativas en la actualidad (artificial secuestro).
Emisiones antropogénicas de CO 2
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). Hay cuatro formas en que se sabe que la actividad humana, especialmente la quema de combustibles fósiles, ha causado el rápido aumento del CO 2 atmosférico en los últimos siglos:
- Varias estadísticas nacionales que dan cuenta del consumo de combustibles fósiles, combinadas con el conocimiento de cuánto CO 2 atmosférico se produce por unidad de combustible fósil (por ejemplo, litro de gasolina).
- Examinando la proporción de varios isótopos de carbono en la atmósfera. 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.
- Mayores concentraciones atmosféricas de CO 2 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.
La quema de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural es la causa principal del aumento del CO 2 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 1997, se estimó que los incendios de turba indonesios causados por el hombre liberaron entre el 13% y el 40% de las emisiones globales anuales promedio de carbono causadas por la quema de combustibles fósiles. En el período de 1751 a 1900, se emitieron alrededor de 12 GtC como CO 2a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles, mientras que de 1901 a 2013 la cifra fue de unas 380 GtC.
El Sistema Integrado de Observación de Carbono (ICOS) publica continuamente datos sobre emisiones, presupuesto y concentración de CO 2 en estaciones de observación individuales.
| Año | Combustibles fósilese industriaGt C | Cambio de uso del sueloGt C | Gt C totales | Gt totales de CO2 |
|---|---|---|---|---|
| 2010 | 9.05 | 1.38 | 10.43 | 38.2 |
| 2011 | 9.35 | 1.34 | 10.69 | 39.2 |
| 2012 | 9.5 | 1.47 | 10.97 | 40.3 |
| 2013 | 9.54 | 1.52 | 11.06 | 40.6 |
| 2014 | 9.61 | 1.66 | 11.27 | 41.4 |
| 2015 | 9.62 | 1.7 | 11.32 | 41.5 |
| 2016 | 9.66 | 1.54 | 11.2 | 41.1 |
| 2017 | 9.77 | 1.47 | 11.24 | 41.3 |
| 2018 | 9.98 | 1.51 | 11.49 | 42.1 |
| 2019(proyección) | 10.0 | 1.8 | 11.8 | 43.1 |
Las emisiones antropogénicas de carbono superan la cantidad que pueden absorber o equilibrar los sumideros naturales. Como resultado, 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. Se han propuesto varias técnicas para eliminar el exceso de dióxido de carbono de la atmósfera (ver Sumidero de carbono # Secuestro artificial). 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.
Emisiones globales de carbono fósil 1800–2014
Imagen en falso color de la contaminación por humo y ozono de los incendios de Indonesia, 1997
Flujo de CO 2 de la biosfera en el invierno del hemisferio norte (NOAA Carbon Tracker)
Flujo de CO 2 de la biosfera en el verano del hemisferio norte (NOAA Carbon Tracker)
Mediciones en curso de CO 2 atmosférico
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. Unos años más tarde, en marzo de 1958, Keeling inició las primeras mediciones continuas en Mauna Loa. Las mediciones en Mauna Loa han estado en curso desde entonces. Ahora las mediciones se realizan en muchos sitios a nivel mundial. También se utilizan técnicas de medición adicionales. 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 en las condiciones de reconocimiento adecuado de acuerdo con las políticas de usuario de datos respectivas.
Hay varias redes de medición de superficie (que incluyen matraces y continuas in situ), incluidas NOAA/ERSL, WDCGG y RAMCES. Los datos de la Red de Observatorios de Línea de Base NOAA/ESRL y 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 son alojados por 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.
Las mediciones satelitales 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.