modelos en ciencias de la tierra entender cómo funciona la tierra: a vueltas con el carbono
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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