El metabolismo de la tierra y los cambios climáticos
Un sistema bio-geo-físico-químico
autorregulado
José Ramón Hernández Balanzar
Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México
Manuel René Garduño López
Centro de Ciencias de la Atmósfera, Universidad Nacional Autónoma de México
“La naturaleza está constituida de tal manera que es experimentalmente
imposible
determinar sus movimientos absolutos”
Albert Einstein
El metabolismo natural del planeta
Desde la formación de la Tierra, las diferentes formas de vida han prosperado
durante casi 4600 millones de años. El planeta ha sufrido innumerables
cambios naturales de tipo biológico, físico y químico. El planeta giraba
más deprisa: los días y las noches eran más cortos. La superficie, entre
sólida y viscosa, burbujeante e incandescente, estaba plagada de cráteres
y de chimeneas volcánicas de las que emanaban desde el interior de la Tierra
sustancias volátiles. Algunos de los gases arrojados, como el hidrógeno,
demasiado ligeros, se escapaban para siempre al espacio exterior; otros,
como el amoniaco, eran descompuestos por la radiación solar. La composición
de la atmósfera y los procesos físicos y químicos que regulan el comportamiento
atmosférico han variado a lo largo del tiempo desde el momento en que se
formó el planeta. (Uriarte, 2003).
El sistema climático y los ciclos bio-geo-fisico-químicos están relacionados
entre sí, así como los forzamientos al sistema. El sistema climático natural
está integrado principalmente por tres elementos que se interrelacionan,
como son: la atmósfera, el océano y el continente (o la tierra emergida).
Esa relación está dada por la dinámica y la física atmosférica, la dinámica
oceánica, el balance o intercambio de energía, y así como por el ciclo
hidrológico. Igualmente los ciclos bio-geo-químicos integran tres subsistemas:
la biogeoquímica marina, los ecosistemas terrestres y la química atmosférica.
Los procesos biológicos, químicos y físicos que suceden en la Tierra afectan
al sistema climático. Estos sistemas naturales han estado sometidos a importantes
procesos de cambio y transformación desde la formación de la Tierra, pero
han sufrido una aceleración y en algunos casos un cambio de dirección en
los últimos doscientos años debido a la intervención humana.
La biogeoquímica enfatiza las interacciones de las entidades biológicas
con su ambiente. Los organismos están adaptados a márgenes más o menos
estrechos de las condiciones bioquímicas. La mayoría de cambios realizados
por el hombre en los patrones de flujo de materia o energía cambian esos
sistemas naturales y pueden causar la extinción de las especies o de los
hábitats. La intervención humana en los ciclos biogeoquímicos tiene lugar
por la explotación de recursos (remoción de materiales) o por la contaminación
(adición de materiales). Cambios pequeños en el flujo de algunos gases
y materiales pueden tener efectos dramáticos sobre el ambiente natural,
si se incrementan por el efecto cascada. Un ejemplo es el daño potencial
de un incremento en el dióxido de carbono atmosférico para las formas de
vida y hábitats como consecuencia del calentamiento global con los efectos
mediados por los procesos hidrológicos y bioquímicos. Otros ejemplos a
considerar a escala global son la producción de alimento terrestre o acuático
y su dependencia del clima, la disponibilidad de nutrientes y la presencia
de agentes tóxicos; la liberación de ácido sulfúrico y sus efectos sobre
los sistemas terrestres y acuáticos; la liberación de gases de efecto invernadero,
la radiación climática y la dispersión de químicos sintéticos tales como
pesticidas en la biosfera. El entendimiento de los ciclos biogeoquímicos
naturales puede ayudar a minimizar el impacto humano sobre dichos sistemas
naturales.
El ciclo hidrológico desempeña un papel fundamental en el funcionamiento
tanto del sistema climático como del conjunto de mecanismos bio-geo-físico-químicos.
El agua en sus tres estados físicos se encuentra en la atmósfera, el océano
o el continente. Por ende, es fundamental ya que por sí misma está dentro
de los ciclos bio-geo-físico-químico. Este ciclo involucra el movimiento
del agua en sus tres estados (hielo, líquida o vapor) y es el agente movilizador
de otros elementos. Es uno de los principales determinantes dinámicos del
clima planetario, permite el intercambio de grandes cantidades de energía
y opera en un amplio rango de escalas temporales y espaciales.
Por otro lado, cada organismo sobre la Tierra necesita del carbono ya sea
para su estructura, su energía, o en el caso de los humanos, para ambos.
Descontando el agua, somos mitad carbón. Es por ello, que el ciclo global
carbónico es uno de los ciclos biogeoquímicos más importantes, puede ser
dividido en componentes geológicos, biológicos y químicos. El ciclo carbónico
geológico funciona en una escala temporal de millones de años, mientras
que el ciclo carbónico biológico y químico funciona en una escala temporal
de días a miles de años.
El ciclo geológico del carbónico
Desde la formación de la Tierra, las fuerzas geológicas han actuado paulatinamente
sobre el ciclo global carbónico. En períodos de larga duración, el ácido
carbónico (un ácido débil formado por reacciones entre el CO2 atmosférico
y el agua) se combina poco a poco con minerales en la superficie continental.
Estas reacciones forman los carbonatos a través de un proceso llamado desgaste.
Luego, a través de la erosión, los carbonatos desembocan en el océano donde
terminan asentándose en el fondo.
Este ciclo continúa cuando el fondo del mar empuja por debajo de los márgenes
continentales mediante un proceso de subducción. A medida que el carbono
del fondo del mar sigue siendo empujado por las fuerzas tectónicas, se
calienta, eventualmente se derrite, y puede volver a la superficie donde
se transforma en CO2. De esta manera retorna a la atmósfera. Este retorno
a la atmósfera puede ocurrir violentamente a través de erupciones volcánicas,
o de manera más gradual, en filtraciones, respiraderos de CO2. El levantamiento
tectónico también puede exponer caliza enterrada antiguamente. Un ejemplo
de esto ocurre en los Himalayas, donde algunos de los picos más altos del
mundo están formados de material que una vez estuvo en el fondo del océano.
El desgaste, la subducción y el vulcanismo controlan las concentraciones
atmosféricas de dióxido de carbono a través de períodos de tiempo de cientos
de millones de años.
El ciclo bioquímico del carbono
La biología tiene un papel importante que nos permite entender el movimiento
del carbono entre el continente, el océano y la atmósfera, a través del
proceso de fotosíntesis y respiración. Virtualmente toda la vida multicelular
en la Tierra depende de la producción de azúcares por las plantas a partir
de la luz solar y del CO2 mediante el proceso de la fotosíntesis; y también
del desgaste metabólico de esos azúcares por los animales (incluyendo al
ser humano) mediante el proceso de la respiración para producir la energía
necesaria para poder moverse, crecer y reproducirse. Durante el día las
plantas toman el CO2 de la atmósfera durante la fotosíntesis, los animales
liberan el CO2 a la naturaleza durante la respiración a través de las siguientes
reacciones químicas:
Fotosíntesis:
Respiración:
A través de la fotosíntesis, las plantas verdes usan la energía solar para
convertir el CO2 atmosférico en carbohidratos, también llamados azúcares
(C6H12O6). Los animales absorben estos carbohidratos y otros productos
derivados de estos a través de la alimentación. En otras palabras, la respiración
es el proceso inverso de la fotosíntesis, ya que libera la energía contenida
en los azúcares para uso del metabolismo y cambia el “combustible” que
es el C6H12O6 transformado en CO2, y éste a su vez, retorna a la atmósfera.
Cada año, la cantidad de carbón tomada por la fotosíntesis y retornada
a la atmósfera por la respiración es aproximadamente 1,000 veces mayor
que la cantidad de carbón que se mueve a través del ciclo geológico del
carbono.
En la superficie terrestre y los océanos, el mayor intercambio de carbono
con la atmósfera resulta de la fotosíntesis y de la respiración. La fotosíntesis
cesa en la noche cuando el sol no puede proveer la energía para que se
active la reacción. Sin embargo, la respiración de los animales continúa.
Esta diferencia entre ambos procesos se refleja en los cambios de las concentraciones
atmosféricas estaciónales del CO2. Durante el invierno, la fotosíntesis
cesa cuando muchas de las plantas pierden sus hojas, pero la respiración
de los animales nunca cesa. Esta condición lleva a un aumento en las concentraciones
atmosféricas del CO2 durante le invierno. Sin embargo, con la llegada de
la primavera, la fotosíntesis se reanuda y las concentraciones atmosféricas
del CO2 se reducen.
Los océanos desempeñan un papel fundamental en el ciclo del carbono, puesto
que contienen el mayor porcentaje de nutrientes y se considera que absorben
un alto porcentaje de las emisiones de CO2 a la atmósfera. Los gases presentes
en la troposfera y que se ubican sobre los primeros 15 km de la atmósfera,
son componentes claves de los ciclos bio-geo-físico-químicos y tienen un
papel importante en el balance radiativo solar y terrestre. Los procesos
de producción fotoquímica de ozono que se desarrollan en la estratosfera
(de los 15 a los 50 km de la atmósfera) son importantes en la distribución
y circulación de la energía térmica interna, y en la absorción de radiación
UV solar, lo cual sirve como protección de los organismos vivos de radiaciones
peligrosas.
Por otro lado, la actividad de la biosfera en el continente acelera la
movilización de elementos como fósforo (P), silicio (Si) y fierro (Fe).
Estos elementos eventualmente llegan al océano a través de los ríos, las
superficies costeras y la infiltración y escorrentía de las aguas subterráneas
hacía el océano. En miles de años estos nutrientes entran en la circulación
oceánica estimulando la producción y el alimento de los diversos organismos
marinos (Steffen, 2000).
Comportamiento planetario autorregulado
Como ya dijimos, los elementos que componen el sistema climático del planeta
interactúan entre sí, de modo que el resultado neto es un permanente intercambio
autorregulado entre ellos (figura 1). La autorregulación del clima y la
composición química del sistema atmósfera-océano-continente son las propiedades
emergentes del comportamiento planetario que sólo se dan en el acoplamiento
de las partes en un todo. La evolución del sistema se caracteriza por largos
periodos de equilibrio con cambios lentos y cambios bruscos que lo mueven
a nuevos estados de equilibrio. Existen modelos que explican la autorregulación
simultánea del clima. Estos modelos hacen predicciones que pueden ser probadas
por observación. Una de ellas es que la vida en un planeta no puede progresar
si es aislada; los organismos deben ser lo suficientemente abundantes para
afectar y ser regulados por la evolución geoquímica del planeta (Uriarte,
2003).
El sistema terrestre incluye varios procesos que refuerzan o amortiguan
las fluctuaciones y los cambios del clima, se les llama mecanismos retroalimentadores
y se denominan positivos si su efecto es el de amplificar y negativos si
es atenuar. Estos mecanismos se deben principalmente a la criosfera, a
las nubes (gotitas de agua suspendidas en la atmósfera) y al vapor de agua;
el signo del segundo es incierto y los otros dos son positivos. Como puede
verse, los tres resultan del agua en sus diversas fases:
sólida, líquida
y gaseosa. La criosfera es blanca y brillosa, sobre todo cuando la nieve
y el hielo están nuevos; o sea que su albedo es alto (cercano a 100%).
Por lo tanto, absorbe escasamente la radiación incidente y casi no se calienta.
Además, el frío produce hielo y nieve, entonces la criosfera crece; en
consecuencia, el albedo superficial aumenta, pues el continente y sobre
todo el océano, desprovistos de hielo y nieve, tienen un albedo pequeño.
De manera que donde antes se absorbía mucha radiación del Sol, ahora ya
no, y se presenta una merma de calor; tenemos entonces que una disminución
de temperatura ocasiona un enfriamiento adicional por expansión de la criosfera.
O sea que frío genera frío (Garduño, 1998).
El hecho de que la Tierra se comporte como un sistema interconectado y
autorregulado se puso en evidencia precisamente en 1999 cuando se publicó
el registro de temperatura, CO2 y CH4 de los últimos 420 mil años del núcleo
de hielo de Vostok (gráfica 3). Estos datos proveen un contexto temporal
muy poderoso y una evidencia visual dramática de un sistema planetario
integrado. Presenta un nuevo espectro de conceptos sobre el sistema climático.
Con este argumento se puede probar que la Tierra es un sistema con propiedades
y comportamientos acoplados que son propios de un sistema dinámico complejo.
Este comportamiento sistémico de la Tierra se debe a la combinación de
forzamientos externos (principalmente variaciones en los niveles de radiación
solar que llegan a la superficie del planeta) y el conjunto de múltiples
retroalimentadores y forzadores en el ambiente terrestre. Por ejemplo,
los glaciares crean su propio clima; es decir, hay hielo porque hace frío,
pero lo inverso es igualmente cierto: hace frío porque hay hielo. Es más
exacto decir: “en los polos hace frío porque hay casquetes”, que “hay casquetes
porque hace frío”. En efecto, los casquetes polares son un remanente de
las glaciaciones ocurridas en el Pleistoceno (la última hace 18 mil años);
Podriamos pensar que si se descongelaran los polos o (más bien dicho) si
por medios artificiales los casquetes fueran derretidos, éstos no se volverían
a formar, desaparecerían para siempre (hasta que hubiera una nueva glaciación).
Por lo tanto, la destrucción de un glaciar seria muy probablemente irreversible;
después sólo se formarían mantos temporales de hielo y nieve en invierno;
esto no ha sucedido en los casquetes polares, pero sí en los glaciares
situados en las montañas (Garduño, 1998).
Otro ejemplo de un retroalimentador y un forzamiento dentro del planeta
son: las variaciones del vapor de agua contenido en la atmósfera como retroalimentador,
y las variaciones de las concentraciones de los GEI, principalmente por
las emisiones de CO2 ligadas con las actividades humanas es un ejemplo
de forzamiento.
Las regularidades en los últimos 420 mil años
Durante varios siglos previos a la industrialización, el CO2 tuvo una concentración
casi constante en la atmósfera, con 280 partes por millón en volumen (ppmv),
y a esta cantidad se le llama, en consecuencia, nivel preindustrial. A
partir de mediados del siglo XIX, esta concentración ha aumentado, alcanzando
en 2005 las 381 ppmv, según el registro del Observatorio de Mauna Loa en
Hawaii. Con los gases traza pasa algo parecido. El comportamiento radiacional
de los gases de efecto invernadero se calcula con la teoría cuántica y
se observa experimentalmente en el laboratorio, pero también lo demuestra
la historia del clima (Voituriez, 1994).
El análisis de la temperatura y los gases que quedaron atrapados en las
burbujas de aire en el núcleo de hielo de Vostok, revela un patrón rítmico
de “metabolismo”, algo así como una respiración planetaria en donde se
observan cuatro ciclos climáticos a lo largo de 420 mil años. Se puede
ver una relativamente rápida transición del estado glacial al interglacial
y una gradual transición del interglacial al glacial, lo que sugiere que
la razón de absorción y emisión de CO2 de los ecosistemas marinos y terrestres
es asimétrica, esto es que no absorben y emiten a la misma velocidad (Steffen
W, 2000).
En la figura 2 se observan las curvas de CO2, temperatura, CH4, 
O atmosférico
(de aquí en adelante Oatm) y la insolación (calculada por Berger, 1978)
a los 65°N para la mitad de junio. Se observa que el CO2, la temperatura
y el CH4 tienen un comportamiento muy similar dentro de cuatro ciclos climáticos
, los cuales tienen un máximo que dura un breve periodo, el cual es conocido
como interglacial, seguido por una disminución oscilante en las tres variables,
hasta llegar a una relativa estabilidad alrededor de los valores inferiores
con un largo periodo de duración, al cual se denomina glacial; después
de esto se observa una súbita elevación de los valores que da inicio a
un nuevo periodo interglacial (Petit et al,. 1999). En esa misma figura,
se observa también un claro paralelismo entre estas tres variables: suben
y bajan juntas (IPCC, 2001; Steffen, 2000). No obstante, la situación actual
rompe esta secuencia; en el pasado, los tres registros han tenido cuatro
oscilaciones, con periodo de unos cien mil años, y oscilan dentro de los
mismos límites superior e inferior. Este comportamiento representa un sistema
bio-geo-físico-químico complejo y autocontrolado, es el metabolismo natural
de la biosfera terrestre, del cual el efecto invernadero es sólo un componente.
La sincronía observada entre la temperatura y los principales GEI es notoria
en el intervalo geológico mostrado en la figura 2; en periodos menores
no es tan clara, pues otros fenómenos de plazos cortos perturban la señal
de temperatura; entre ellos destacan oscilaciones naturales internas del
sistema climático como el Niño y la Niña: el primero eleva la temperatura
a escala planetaria, y la segunda la reduce (Voituriez 1994). Otro factor
importante de la variabilidad interanual del clima son las erupciones volcánicas,
que inyectan hasta la estratosfera aerosoles que quedan suspendidos por
años y enfrían el clima planetario (Voituriez, 1994). El Niño tiene cierta
periodicidad de recurrencia; en cambio, el vulcanismo es más bien azaroso
en su manifestación, y la magnitud de ambos es muy variable. Hay un aerosol
artificial, el sulfato, producido también por la industria, que aumenta
sistemáticamente y atenúa el calentamiento debido al efecto invernadero
por la radiación entrante. Por todos estos elementos, adicionales al efecto
invernadero, que afectan al clima,
los registros históricos de CO2 (emitido
antropógenamente) y de la temperatura a partir de mediados del siglo XIX
no van paralelos, aunque sí hay un incremento claro de ésta, como de 0.6ºC
(IPCC, 2001).
La gran semejanza entre el comportamiento del CO2, el CH4, y la temperatura
en el barreno de Vostok lleva a considerar a estos dos GEI como causa y
también efecto de la variación de la temperatura, como se explica a continuación.
Primero, la variación de los GEI como causa y de la temperatura como efecto,
prueba que los GEI se comportan como cuerpos casi transparentes ante la
radiación de onda corta, lo que permite que la radiación solar, emitida
en este rango de longitud de onda, pueda viajar a través de la atmósfera
casi sin obstáculo hasta llegar a la superficie del planeta y calentarla,
aunque también parte de esta se refleja. Sin embargo, la radiación que
emite la Tierra es de onda larga y los GEI son parcialmente opacos a tales
longitudes de onda, por lo que no permiten que toda la energía que emite
el planeta se fugue al espacio, sino que una fracción de ésta sea absorbida
y reemitida hacia la superficie calentándola aún más. Esto implica que
la temperatura superficial del planeta sea mayor de lo que sería si no
hubiera GEI en la atmósfera, ya que estos gases absorben la radiación,
y por lo tanto la temperatura media del planeta sería 33°C menor de lo
que es ahora.
Segundo, la variación de la temperatura como causa y la de los GEI como
efecto, prueba que un descenso de la temperatura genera una disminución
en la producción de CO2 y CH4, debido a que la actividad biológica de los
seres vivos se reduce (aunque unos seres vivos producen y otros consumen
estos gases, la concentración neta de los mismos es menor); y también porque
una disminución en la temperatura ocasiona que el océano pueda almacenar
una cantidad mayor CO2, ya que este es más soluble en el agua fría.
Aunque la insolación no se obtuvo del análisis del barreno glacial de Vostok,
es presentada en la figura 2 debido a que se considera que la insolación
actúa como un detonador en los cambios glaciares-interglaciares. La energía
emitida por el Sol casi no varía, por eso se denomina constante solar.
Siendo tan pequeñas estas variaciones, los instrumentos antiguos eran incapaces
de detectarlas; pero las medidas modernas han demostrado que tal “constante”
en realidad cambia. Coexisten varios ciclos sobrepuestos de características
físicas que juntas constituyen la actividad solar; entre estas propiedades
del Sol hay algunos vínculos claros y otros inciertos. Además, la actividad
solar y el clima terrestre insinúan correlaciones que pueden ser sólo coincidencias,
pues su base física es precaria (Petit et al, 1999).
Sin embargo, las evaluaciones basadas en los principios de la física, y
de los modelos climáticos indican que es improbable que el forzamiento
natural pueda por sí solo explicar los diferentes cambios pasados observados
en las temperaturas de la atmósfera.
Referencias
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