12.4: El Ciclo del Carbono

Introducción

El elemento carbono ocupa un lugar distintivo entre los elementos químicos: puede formar enlaces covalentes consigo mismo (estos se denominan dobles enlaces carbono-carbono y triples enlaces carbono-carbono, dependiendo de cuántas de las posiciones de enlace estén involucradas) así como con otros elementos, especialmente hidrógeno, para formar una enorme cantidad de compuestos químicos, llamados compuestos orgánicos.

El término “orgánico” aquí es un poco engañoso: gran número de tales compuestos son sintetizados por organismos, pero aún mayores números pueden sintetizarse en el laboratorio, a partir de materias primas inorgánicas, sin la participación de organismos, vivos o muertos. El campo de la química dedicado al estudio de compuestos orgánicos se llama química orgánica.

El carbono también forma diversos compuestos inorgánicos. En tales compuestos, el carbono se une covalentemente con el oxígeno. Los dos tipos más importantes de dichos compuestos inorgánicos que contienen carbono son el dióxido de carbono (CO ₂), invariablemente un gas bajo condiciones de la superficie terrestre, y los minerales carbonatados, principalmente calcita, CaCo ₃, y dolomita, CaMg (CO ₃) ₂.

El carbono, como compuestos orgánicos y compuestos inorgánicos, está presente en y cerca de la superficie de la Tierra en una gran variedad de ambientes. El estudio de dónde reside el carbono en y sobre la Tierra, junto con los modos y velocidades a las que el carbono se mueve de uno a otro de tales ambientes, se conoce como el ciclo del carbono.

El concepto de “ciclo” aquí conlleva la implicación de que existe un movimiento incesante del carbono, en todas sus diversas formas, dentro y sobre la Tierra. En este sentido la Tierra puede ser vista como un sistema cerrado con respecto al carbono, en el sentido de que aunque el carbono sufre una gran variedad de transformaciones la cantidad total no cambia con el tiempo.

Una consideración completa del ciclo del carbono de la Tierra requeriría lanzar una amplia red: tendríamos que considerar no solo el ambiente superficial de la Tierra, incluyendo la atmósfera, la superficie terrestre y los océanos, sino también el interior profundo de la Tierra, porque, por diversos procesos, el carbono queda enterrado dentro del La Tierra y, por varios otros procesos, se libera del almacenamiento profundo de regreso al entorno de la superficie. El ciclo del carbono es verdaderamente integrador, en el sentido de que su estudio se basa en una amplia gama de disciplinas científicas: geología, biología y climatología. Aquí nos concentraremos en la parte Tierra-superficie del ciclo del carbono.

Elementos del Ciclo del Carbono

Hay muchos reservorios de carbono en y cerca de la superficie de la Tierra. En el Cuadro 12-2 se muestran los importantes reservorios de carbono, junto con estimaciones aproximadas de la masa de carbono en esos reservorios. (En ecología, el término biomasa se utiliza para la masa total de material vivo, en plantas y animales. Se puede expresar como masa por unidad de área en una región particular de la superficie de la Tierra, o como el total sobre toda la Tierra). Se puede ver que la masa de carbono en la atmósfera, los océanos y la biomasa es pequeña en comparación con el carbono que reside en las rocas sedimentarias en la corteza terrestre. Obsérvese también del Cuadro 12-2 que la masa de carbono en la atmósfera es aproximadamente igual al carbono total de biomasa.

En la Figura 12-2 se puede ver la distinción entre carbono orgánico y carbono inorgánico. Es útil considerar estas dos formas de carbono por separado. Es más fácil lidiar con este último que con el primero.

Como se señaló anteriormente, las dos formas importantes de carbono inorgánico son el dióxido de carbono y los minerales carbonatados y las rocas. El dióxido de carbono está presente en la atmósfera terrestre en una concentración promedio cercana al 0.4 por ciento en volumen.

El carbono se pone a la atmósfera, en forma de dióxido de carbono, principalmente por la respiración por los organismos y por la descomposición de la materia orgánica, y también por la quema de materia vegetal. Antes del descubrimiento del fuego por parte de los seres humanos, la quema se encendió por los rayos. Hoy en día, por supuesto, enormes cantidades de carbono se ponen a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles. El carbono también se pone a la atmósfera en forma de dióxido de carbono liberado durante las erupciones volcánicas.

El carbono se elimina de la atmósfera principalmente por la fotosíntesis por parte de las plantas y al disolverse en los océanos. Parte del dióxido de carbono agregado de la quema de combustibles fósiles da como resultado un aumento en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, pero ese aumento se compensa en parte por la disolución en los océanos y en parte por el aumento de la biomasa total de la planta.

Figura 12-2. Los reservorios de carbono de la Tierra. (De Kump, Kasting y Crane, 2004.)

Por cierto, no todo el carbono en la atmósfera está en forma de dióxido de carbono. El metano, CH4, está presente en la atmósfera en concentraciones de aproximadamente 1.7 x 10-4 por ciento en volumen. El metano se agrega a la atmósfera de dos maneras, principalmente: filtración ascendente desde subsuperficie poco profunda y profunda, donde el metano se genera tanto por la actividad de microorganismos a poca profundidad, como por reacciones complejas que involucran materia orgánica profundamente enterrada a mayores profundidades. El metano es inestable químicamente en la atmósfera: se convierte en dióxido de carbono y vapor de agua.

El carbono inorgánico en la corteza terrestre se encuentra en gran parte en forma de minerales carbonatados calcita, aragonita y dolomita. Enormes volúmenes de rocas carbonatadas, principalmente calizas y dolostone, residen en la corteza. Como aprendió en un capítulo anterior, el carbono en forma de dióxido de carbono se libera a medida que las rocas carbonatadas son erosionadas en la superficie de la Tierra. Al mismo tiempo, los minerales carbonatados se precipitan, principalmente en el océano poco profundo, en lugares donde el agua del océano está sobresaturada con respecto al carbonato de calcio. La mayor parte de esa precipitación se encuentra en los tejidos de una gran variedad de organismos secretores de carbonato, aunque algunos se precipitan de forma inorgánica.

El tiempo de residencia del carbono en la atmósfera es de aproximadamente trece años. Para averiguarlo, es necesario saber, además de los 760 Gton de carbono que está presente en la atmósfera, que la entrada de carbono a la atmósfera, y la salida de carbono de la atmósfera, que de año en año no están lejos de ser lo mismo, es de aproximadamente 60 Gton de carbono.