Un delicado equilibrio entre rocas y gases
No hay ningún tipo de dudas acerca de la estabilidad climática general de la superficie terrestre a lo largo de la historia de la Tierra; exceptuando algunos estadios como el de ¨La Tierra Blanca¨, donde gran parte de la superficie terrestre se cubrió de hielo. A grandes rasgos se podría decir que la temperatura en la superficie terrestre se mantuvo maso menos estable a lo largo del tiempo.
A pesar de la presencia de ciertos gases invernaderos en la atmosfera, como el dióxido de carbono, la superficie de nuestro planeta siempre ha mantenido temperaturas relativamente constantes que han permitido el desarrollo y la diversificación de la vida tal como la conocemos hoy en día.
Sin embargo, es ampliamente aceptado que el dióxido de carbono (CO2) es un gas de efecto invernadero por excelencia, por lo que debemos suponer que su concentración en la atmosfera terrestre no ha variado, al menos significativamente, a lo largo del tiempo geológico como para generar grandes cambios climáticos: ya sea temperaturas heladas, o excesivamente altas como para extinguir todo tipo de vida.
Esto deja suponer la existencia de algún tipo de proceso por el cual la cantidad de dióxido de carbono se regula y mantiene un cierto estado de equilibrio, dando como resultado un clima relativamente estable. Y es así, el dióxido de carbono es controlado por el llamado ¨Ciclo del Carbono¨ en la naturaleza, el cual está formado por diferentes interacciones: ya sea entre los seres vivos y la atmosfera, o por diversas reacciones en diferentes ambientes terrestres, que incluyen a ciertos tipos de rocas como veremos más adelante.
Ciclo de Carbono
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La parte quizás más conocida del ciclo del carbono es el llamado: Ciclo Orgánico del Carbono en el cual las plantas y también algunos microorganismos, convierten el dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O) en la materia orgánica que forma una planta (representada en forma general con la composición química CH2O) y en oxígeno (O2) con la energía aportada por la radiación solar; en un proceso conocido como fotosíntesis.
Proceso de fotosíntesis (reacción química esquemática):
CO2 + H2O + luz → CH2O + O2
Posteriormente, cuando la planta muere, esta materia orgánica se descompone con el oxígeno del aire, un proceso a menudo asistido por micro-organismos, para volver a dar dióxido de carbono y agua mediante la reacción química inversa:
CH2O + O2 → CO2 + H2O
Sin embargo, la fotosíntesis no puede ser el único proceso de captación del dióxido de carbono que aporta a su regulación, ya que la biota no podría procesar todo el dióxido de carbono atmosférico necesario para la estabilidad climática a lo largo de millones de años.
Existe otra parte en el ciclo del carbono global llamado Ciclo Inorgánico del Carbono, considerado más importante para generar estabilidad climática a lo largo del tiempo geológico. ¿Cómo funciona este ciclo? Resumidamente, utilizando ciertos tipos de rocas presentes en la corteza para ¨consumir¨ el dióxido de carbono presente en la atmosfera, devolver parte del mismo al interior terrestre a través de los procesos geológicos de subducción, y luego liberarlo paulatinamente a la atmosfera a través de actividad volcánica, como erupciones o fumarolas para cerrar el ciclo. Este complejo ciclo, donde el carbono presente en la atmosfera interactúa con la tierra sólida y luego es devuelto como gas a la atmosfera, está representado en una reacción química llamada Reacción de Urey:
CaSiO3 + CO2 ⇔ CaCO3 + SiO2
Vamos a interpretar esta reacción estudiando la proveniencia de sus compuestos: a la izquierda encontramos CaSiO3 (silicato de calcio), el cual podría pensarse como una formula simplificada de una típica roca encontrada en la corteza continental de la Tierra: las llamadas rocas silicatadas. Estas rocas normalmente se forman al enfriarse y solidificarse las rocas fundidas, más conocidas como lava. Además, encontramos CO2 el cual se encuentra en estado gaseoso presente en el aire que respiramos, es decir en la atmosfera.
Por otra parte, en el lado derecho de la reacción encontramos los siguientes compuestos: el carbonato de calcio y la sílice (CaCO3 y SiO2), los cuales corresponden a compuestos sólidos comunes de rocas sedimentarias, formadas a baja temperaturas a partir de la precipitación química de elementos disueltos en soluciones acuosas.
La reacción de Urey entonces podría interpretarse desde la izquierda hacia la derecha, en términos generales como la generación de rocas sedimentarias a partir de rocas silicatadas.
Imagen: Ciclo del Carbono Fuente: Libro David Archer- GLOBAL WARMING: Understanding the forecast. Ed: John Wiley & Sons (2011)
Observando el gráfico de arriba, podemos imaginar que este ciclo comienza del lado izquierdo de la imagen, en la ladera del volcán, donde el dióxido de carbono presente en la atmósfera se disuelve en agua, formando un ácido débil (el ácido carbónico, que encontramos en la soda o agua carbonatada) que degrada o meteoriza las rocas silicatadas. Estas rocas al descomponerse generan como resultado sílice (SiO2) y carbonato de calcio (CaCO3) dispersados en la solución (agua de los ríos) en forma de partículas muy pequeñas, los cuales viajan hasta los océanos arrastradas por medio de los ríos.
Cuando estas sustancias arriban al océano, algunos organismos como los foraminíferos, usan estos productos para formar conchillas de carbonato de calcio, mientras que otros, como las diatomeas o los radiolarios, utilizan el sílice para formar sus conchillas. Cuándo estos organismos mueren, caen al fondo del océano. Muchas de estas conchillas se disuelven de nuevo en el agua pero una pequeña parte de ellas son enterradas en los sedimentos del fondo oceánico.
Si volvemos a analizar la reacción de Urey, descubriremos que estas son las sustancias presentes en el lado derecho de la reacción, por lo que la meteorización es la dirección preferente de ocurrencia de la misma, es decir de izquierda a derecha. Sin embargo, esto es lo normal y esperable en ambientes relativamente fríos y húmedos de la superficie terrestre. Pero en la naturaleza no es todo tan sencillo, si esta reacción sucediera indefinidamente sacaría todo el dióxido de carbono de la atmosfera para llevarlo al océano y finalmente enterrarlo en los lechos marinos, y de este modo no se cumpliría el ciclo.
No obstante, a altas temperaturas como las encontradas en el interior de la Tierra, esta reacción funciona de manera inversa, es decir de derecha a izquierda, generando rocas silicatadas a partir de las rocas sedimentarias que fueron llevadas a grandes profundidades dentro la corteza. Para que suceda la reacción en esta dirección son necesarias altas temperaturas, condición muy común en el interior terrestre.
Ahora bien, ¿Cómo llegan los sedimentos ricos en carbonato de calcio al interior de la Tierra? El suelo oceánico es en realidad muy dinámico y se encuentra permanentemente en movimiento, creando nueva corteza oceánica en las dorsales mesoceanicas (los bordes donde dos placas tectónicas se separan) y reciclando vieja corteza en bordes convergentes gracias a un proceso llamado subducción (donde una placa se mete debajo de la otra). Cuando esto sucede, los sedimentos ricos en carbono son empujados a las profundidades de la Tierra donde las temperaturas y las presiones son elevadas. Bajo estas condiciones, la reacción se revierte: Los carbonatos minerales se recombinan con el sílice, que en ese momento estaba en forma del mineral de cuarzo, para formar minerales silicatados y liberar dióxido de carbono gaseoso en el proceso. Esta reacción se conoce como ¨Metamorfismo de Carbonatos¨.
Luego, este dióxido de carbono gaseoso viaja hacia la superficie de la Tierra a través de diferentes formas: por medio de erupciones volcánicas o a través de sistemas hidrotermales como las fumarolas, volviendo nuevamente a la atmosfera y completando el ciclo.
Imagen: Tectónica de Placas: en el centro se observa una representación de una dorsal meso-oceánica, donde dos placas se separan y se genera nueva corteza y a la derecha un borde convergente donde la placa se mete debajo de la otra y se recicla antigua corteza oceánica.
La manera en la que la Tierra gestiona el balance entre el dióxido de carbono devuelto a la atmosfera a través de la actividad volcánica o los sistemas hidrotermales, y la meteorización de rocas silicatadas, es gracias a un mecanismo de regulación de concentración de dióxido de carbono; que a su vez funciona como un termostato, manteniendo la temperatura aproximadamente constante, o dicho de otro modo, impidiendo los cambios marcados de la temperatura.
Por un lado, la tasa de meteorización depende de la disponibilidad de agua dulce en los cursos de agua y de la cantidad de lluvias, ya que de esto depende en gran parte que las rocas puedan disolverse, es decir meteorizarse. A su vez, el caudal de agua de un curso depende del clima del planeta: en un clima frio habrá menos precipitaciones, por lo tanto la tasa de absorción de CO2 será más lenta, y entonces habrá una menor meteorización. En un extremo, donde el clima es demasiado frio, el CO2 se acumularía en la atmosfera generando un aumento de la temperatura global por lo que desencadenaría un aumento en la velocidad de la meteorización y empujaría la reacción de Urey hacia la derecha. al equilibrio. En el otro extremo, si el clima fuera demasiado cálido el CO2 se consumiría por la meteorización más rápido de lo que se ¨escapa¨ de la superficie como gas, enfriando el planeta.
Entonces, es así como el ciclo inorgánico del carbono funciona como un termostato ya que regula el contenido de CO2 atmosférico y, a través de éste, la temperatura global y por ende el clima en escalas geológicas de ciento de millones de años.
La existencia de un termostato natural que controla la concentración de CO2 en la atmósfera suena una buena noticia para la humanidad ya que desde la revolución industrial, donde el ser humano comenzó a utilizar masivamente la combustión para las máquinas a vapor y luego los derivados del petróleo, la emisión de CO2 empezó a aumentar a gran escala. Sin embargo el problema radica en que este termostato tarda cientos de miles de años en estabilizar el CO2 emitido y por lo tanto el clima. El problema entonces no está en el mecanismo o en el proceso global, sino en las fuertes diferencias de velocidades de sus partes: el proceso geológico captura CO2 a una velocidad mucho más lenta que la que el ser humano lo emite a la atmósfera, principalmente por la combustión de combustibles fósiles.
Es por eso que es importante tomar conciencia sobre la cantidad de gases con efecto invernaderos que emitimos, y se torna casi urgente tomar acción para no terminar con temperaturas extremas en un futuro cercano, como las que existen en Marte o Venus, donde este termostato dejó de funcionar adecuadamente.
Los termostatos averiados de Venus y Marte
Indagando un poco en estos dos planetas vecinos, podríamos decir que a los mismos se les ¨rompió¨ su termostato, ¿Cómo así?
Hace millones de años, unos 4500 para ser un poco más exactos, estos planetas se estaban formando, junto a la Tierra, en la misma zona de la nebulosa solar que dio origen al actual sistema planetario y se cree que los tres planetas tuvieron infancias muy parecidas. Durante millones de años liberaron gases desde su interior hacia sus respectivas atmósferas, y probablemente Venus y Marte tuvieron agua líquida en sus superficies al igual que la Tierra.
Sin embargo, hoy en día estos tres planetas poseen realidades muy distintas: Venus tiene una temperatura en su superficie de unos 460 °C, mientras que Marte es un planeta helado con temperaturas superficiales de -55 °C. La Tierra es la única que mantuvo agua líquida y temperaturas estables a lo largo del tiempo, en la superficie y en forma global en torno a los 15 °C.
Lo que sucedió en estos planetas básicamente es que se les averió su termostato, es decir, el Ciclo del Carbono dejo de funcionarles hace ya muchísimo tiempo.
Específicamente lo que sucedió en Venus fue que al estar ubicado muy cerca del Sol, perdió por evaporación toda el agua que poseía. Una vez que el planeta se encontró sin agua el proceso de meteorización de rocas silicatadas se frenó y esto generó que todo el dióxido de carbono emanado por la actividad volcánica venusiana se concentrara en su atmosfera dando lugar a las temperaturas extremas que posee hoy en día.
Por otro lado, en el caso de Marte la situación fue muy distinta. Debido a su pequeño tamaño, el cual comparativamente corresponde al 10% de la masa y al 15% del volumen de la Tierra, sufrió un enfriamiento de su interior muy rápido. Por lo que su actividad volcánica cesó hace millones de años y con ella desapareció el mecanismo reciclador de dióxido de carbono, por lo que el mismo se acumuló en la corteza generando un enfriamiento descontrolado.
Es increíble pensar como, a veces, reacciones químicas tan sencillas tienen tanto poder para determinar el destino final de un planeta, y cómo, al alterarse alguna parte de este complejo mecanismo, podemos encontrar que una roca vagando en el espacio es un planeta inhóspito y casi muerto en lugar de un lugar lleno de vida.
Desde este punto de vista, podríamos llegar a pensar que este mecanismo esta fuera de nuestro alcance, sin embargo nuestras conductas individuales dentro de una sociedad de miles de millones de individuos, puede comenzar a provocar alteraciones, tal vez sutiles y casi imperceptibles en un comienzo, pero que pueden llegar a ser en el futuro de un enorme impacto a escala global. Por todo ello, es muy importante que, primero, conozcamos y aprendamos acerca de los procesos que ocurren en la naturaleza que nos rodea, y segundo, que actuemos con conciencia y sensatez para no alterarlos y de éste modo, poder vivir sobre nuestro planeta Tierra en armonía y equilibrio, ya que por otra parte, es el único lugar que tenemos para desarrollarnos.
