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8.3C: El ciclo del carbono - Biología

8.3C: El ciclo del carbono - Biología


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Todos los organismos necesitan energía para realizar funciones vitales, y la energía que se libera se reutiliza de otras formas.

Objetivos de aprendizaje

  • Describe la importancia del ciclo del carbono.

Puntos clave

  • Cada átomo de energía se conserva cambiando de forma o pasando de un tipo de energía a otro, por lo que los desechos no existen en la naturaleza.
  • La fotosíntesis absorbe energía lumínica para generar carbohidratos y la respiración celular aeróbica libera energía mediante el uso de oxígeno para metabolizar los carbohidratos.
  • La fotosíntesis consume dióxido de carbono y produce oxígeno, y la respiración aeróbica consume oxígeno y produce dióxido de carbono.
  • Tanto la fotosíntesis como la respiración celular utilizan cadenas de transporte de electrones para capturar la energía necesaria para impulsar otras reacciones.

Términos clave

  • heterótrofo: un organismo que requiere un suministro externo de energía en forma de alimento, ya que no puede sintetizar su propio
  • respiración celular: el conjunto de reacciones y procesos metabólicos que tienen lugar en las células de los organismos para convertir la energía bioquímica de los nutrientes en trifosfato de adenosina (ATP)
  • aerobio: viviendo u ocurriendo solo en presencia de oxígeno

El ciclo del carbono

Ya sea que el organismo sea una bacteria, una planta o un animal, todos los seres vivos acceden a la energía al descomponer las moléculas de carbohidratos. Pero si las plantas producen moléculas de carbohidratos, ¿por qué necesitarían descomponerlas, especialmente cuando se ha demostrado que los organismos gaseosos se liberan como un "producto de desecho" (CO2) actúa como sustrato para la formación de más alimentos en la fotosíntesis? Los seres vivos necesitan energía para realizar funciones vitales. Además, un organismo puede producir su propio alimento o comerse a otro organismo; de cualquier manera, la comida aún debe descomponerse. Finalmente, en el proceso de descomposición de los alimentos, llamado respiración celular, los heterótrofos liberan la energía necesaria y producen "desechos" en forma de CO.2 gas.

En la naturaleza, no existe el desperdicio. Cada átomo de materia y energía se conserva, reciclándose una y otra vez, infinitamente. Las sustancias cambian de forma o se mueven de un tipo de molécula a otro, pero sus átomos constituyentes nunca desaparecen.

CO2 no es más una forma de desperdicio que el oxígeno es un desperdicio para la fotosíntesis. Ambos son subproductos de reacciones que pasan a otras reacciones. La fotosíntesis absorbe energía lumínica para formar carbohidratos en los cloroplastos, y la respiración celular aeróbica libera energía mediante el uso de oxígeno para metabolizar los carbohidratos en el citoplasma y las mitocondrias. La fotosíntesis consume dióxido de carbono y produce oxígeno. La respiración aeróbica consume oxígeno y produce dióxido de carbono. Ambos procesos utilizan cadenas de transporte de electrones para capturar la energía necesaria para impulsar otras reacciones. Estos dos procesos de potencia, la fotosíntesis y la respiración celular, funcionan en armonía biológica y cíclica para permitir que los organismos accedan a la energía que sustenta la vida que se origina a millones de millas de distancia en el sol.


¿Qué es el ciclo del carbono?

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VIDEO: ¿Qué es el ciclo del carbono? Aquí hay una descripción general en menos de dos minutos. Transcripción

Carbono azul

Carbono azul es el término para el carbono capturado por los ecosistemas costeros y oceánicos del mundo. Los pastos marinos, los manglares, las marismas y otros sistemas a lo largo de nuestra costa son muy eficientes para almacenar CO2. Estas áreas también absorben y almacenan carbono a un ritmo mucho más rápido que otras áreas, como los bosques, y pueden continuar haciéndolo durante millones de años. El carbono que se encuentra en el suelo costero a menudo tiene miles de años. Cuando estos sistemas son dañados o interrumpidos por la actividad humana, se emite una enorme cantidad de carbono a la atmósfera, lo que contribuye al cambio climático.

El carbono es la base de toda la vida en la Tierra, necesario para formar moléculas complejas como proteínas y ADN. Este elemento también se encuentra en nuestra atmósfera en forma de dióxido de carbono (CO2). El carbono ayuda a regular la temperatura de la Tierra, hace posible toda la vida, es un ingrediente clave en los alimentos que nos sustentan y proporciona una fuente importante de energía para impulsar nuestra economía global.

El ciclo del carbono describe el proceso por el cual los átomos de carbono viajan continuamente desde la atmósfera a la Tierra y luego regresan a la atmósfera. Dado que nuestro planeta y su atmósfera forman un entorno cerrado, la cantidad de carbono en este sistema no cambia. El lugar donde se encuentra el carbono, en la atmósfera o en la Tierra, está en constante cambio.

En la Tierra, la mayor parte del carbono se almacena en rocas y sedimentos, mientras que el resto se encuentra en el océano, la atmósfera y los organismos vivos. Estos son los depósitos o sumideros a través de los cuales circula el carbono.

El carbono se libera de nuevo a la atmósfera cuando los organismos mueren, los volcanes entran en erupción, los incendios se encienden, los combustibles fósiles se queman y mediante una variedad de otros mecanismos.

En el caso del océano, el carbono se intercambia continuamente entre las aguas superficiales del océano y la atmósfera, o se almacena durante largos períodos de tiempo en las profundidades del océano.

Los seres humanos juegan un papel importante en el ciclo del carbono a través de actividades como la quema de combustibles fósiles o el desarrollo de la tierra. Como resultado, la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera está aumentando rápidamente y ya es considerablemente mayor que en cualquier momento de los últimos 800.000 años.

Transcripción del video

¿Qué es el ciclo del carbono? El carbono es la columna vertebral química de toda la vida en la Tierra. Todo el carbono que tenemos actualmente en la Tierra es la misma cantidad que siempre hemos tenido. Cuando se forma nueva vida, el carbono forma moléculas clave como proteínas y ADN. También se encuentra en nuestra atmósfera en forma de dióxido de carbono o CO2. El ciclo del carbono es la forma en que la naturaleza reutiliza los átomos de carbono, que viajan desde la atmósfera a los organismos de la Tierra y luego vuelven a la atmósfera una y otra vez. La mayor parte del carbono se almacena en rocas y sedimentos, mientras que el resto se almacena en el océano, la atmósfera y los organismos vivos. Estos son los depósitos o sumideros a través de los cuales circula el carbono. El océano es un sumidero de carbono gigante que absorbe carbono. Los organismos marinos, desde las plantas de los pantanos hasta los peces, desde las algas hasta las aves, también producen carbono a través de la vida y la muerte. A veces, los organismos muertos se convierten en combustibles fósiles que pasan por la combustión, emiten CO2 y el ciclo continúa.


El camino del carbono

Para ilustrar algunos de los procesos importantes del ciclo del carbono, se puede seguir un átomo de carbono a medida que se mueve a través de los depósitos biogeoquímicos del ciclo. Comience con un átomo de carbono que se encuentra en la atmósfera en forma de CO2. En la atmósfera CO2 es el quinto gas más abundante, detrás del nitrógeno (N2), oxígeno (O2), argón (Ar) y vapor de agua (H2 O). Sin embargo, de cada millón de moléculas de aire, menos de cuatrocientas son CO2.

El co2 La molécula entra en contacto con la hoja de un manzano. Se elimina del aire mediante el proceso de fotosíntesis, también llamado fijación de carbono, mediante el cual las plantas utilizan la energía de la luz del Sol y el agua del suelo para convertir el CO2.2 a carbohidratos (azúcar) y O2 gas. El carbohidrato se puede convertir en otros compuestos que la planta necesita para crecer y reproducirse. El átomo de carbono puede ser utilizado por la planta para hacer crecer una manzana, que se puede recoger y comer. El cuerpo usa los carbohidratos de la manzana como combustible, convirtiendo el carbono nuevamente en CO2, que se exhala al aire. O tal vez la manzana cae al suelo y se pudre gradualmente, lo que significa que el carbono se convierte en CO2 por descomponedores en el suelo, incluidos insectos, gusanos, hongos y bacterias. De cualquier manera, este proceso de convertir el carbono de la manzana en CO2 consume O2 del aire y se llama respiración. Aproximadamente una décima parte de todo el CO2 en la atmósfera es absorbida por la fotosíntesis en la tierra cada año, y casi la misma cantidad se convierte nuevamente en CO2 por respiración. La mayor parte del carbono fijado cada año en la tierra es utilizado por las plantas para producir hojas nuevas, que eventualmente mueren y caen al suelo donde se descomponen, al igual que la manzana. El material rico de color marrón oscuro que se encuentra en los primeros centímetros de la mayor parte del suelo es principalmente material vegetal en descomposición.

El co2 Molécula viaja en el viento sobre el océano. Choca contra la superficie del océano y se disuelve, como el azúcar que se disuelve en un vaso de agua. Dado que CO2 es muy soluble en agua, los océanos contienen unas cincuenta veces más carbono que la atmósfera. Aproximadamente una octava parte de todo el CO2 en la atmósfera se disuelve en las aguas del océano cada año, pero casi la misma cantidad regresa a la atmósfera porque la cantidad total de CO2 en el océano está aproximadamente en equilibrio con la cantidad en el aire, y el CO2 está entrando y saliendo constantemente del agua de mar. El co2 La molécula, disuelta en el agua, es absorbida por una planta marina unicelular llamada cocolitóforo. El cocolitóforo usa el carbón para agregarlo a su capa protectora dura, que está hecha de carbonato de calcio (CaCO3). Cuando el cocolitóforo muere, su recubrimiento se hunde hasta el fondo del océano y se convierte en parte del sedimento marino. La mayor parte del carbono en el sedimento se recicla rápidamente por respiración o disolución, pero una pequeña cantidad permanece en el sedimento y eventualmente (durante millones de años) se convierte en roca sedimentaria.

Estar atrapado en una roca sedimentaria no es el final del ciclo del átomo de carbono. Si ese fuera el caso, eventualmente todo el carbono en la atmósfera, las plantas y los suelos y los océanos habrían terminado en rocas, y el ciclo del carbono se habría detenido hace mucho tiempo. Afortunadamente, una pequeña cantidad de este carbono se devuelve a la atmósfera cada año, principalmente por vulcanismo. La cantidad de CO2 que emiten los volcanes y los respiraderos geotérmicos es pequeño, pero es suficiente para haber mantenido en marcha el ciclo del carbono durante miles de millones de años.

Seguir un átomo de carbono a través de algunas vías del ciclo del carbono afecta a muchos procesos importantes. El equilibrio entre la fotosíntesis y la respiración en tierra, la transferencia de CO2 dentro y fuera de los océanos, y la incorporación de carbono a las rocas sedimentarias y el retorno a la atmósfera a través de la actividad volcánica representan el reciclaje de átomos de carbono. Es importante comprender que el ciclo del carbono es un proceso dinámico, cambia constantemente y un ajuste o cambio en un proceso del ciclo del carbono provocará cambios en muchas otras partes del ciclo. Por ejemplo, si la cantidad de CO2 en la atmósfera aumenta por alguna razón, más CO2 se disolverá en los océanos. Además, dado que las plantas requieren CO2 como nutriente, una mayor cantidad de CO2 en el aire aumentará el crecimiento de las plantas, un proceso llamado CO2 fertilización.


Comprender el ciclo del carbono: un enfoque de rompecabezas

Esta actividad ha sido revisada extensamente para su inclusión en la colección de recursos educativos de la Red de Conocimiento de la Energía y Alfabetización Climática. Para obtener información sobre el proceso y la recopilación, consulte http://cleanet.org/clean/about/selected_by_CLEAN.

Esta actividad fue seleccionada para la Colección de enseñanza revisada en la vanguardia

Esta actividad ha recibido críticas positivas en un proceso de revisión por pares que involucra cinco categorías de revisión. Las cinco categorías incluidas en el proceso son

  • Precisión científica
  • Alineación de los objetivos de aprendizaje, las actividades y las evaluaciones
  • Efectividad pedagógica
  • Robustez (usabilidad y confiabilidad de todos los componentes)
  • Completitud de la página web ActivitySheet

Para obtener más información sobre el proceso de revisión por pares, consulte https://serc.carleton.edu/teachearth/activity_review.html.

Esta página se hizo pública por primera vez: 12 de diciembre de 2006

Enlaces relacionados

Resumen

En este ejercicio de "rompecabezas", a cada estudiante se le asigna uno de los cinco procesos geoquímicos en el ciclo del carbono para investigar, comprender completamente y luego explicar a otros en grupos de cinco. Al final de la clase, todos los estudiantes conocerán cada uno de los cinco procesos y, por lo tanto, desarrollarán una comprensión integrada de todo el ciclo del carbono.


NUEVA trilogía AQA GCSE (2016) Biología: el ciclo del carbono

Soy un profesor de ciencias de secundaria y nivel A, especializado en biología. También soy un examinador experimentado de biología de AQA GCSE. Mis recursos contienen una combinación de lecciones de biología, química y física destinadas a cumplir con los puntos de especificación para el nuevo curso AQA Trilogy GCSE y el curso KS3 Activate. Todas mis lecciones incluyen al menos una oportunidad para la autoevaluación, una gama de actividades que se adaptan a estudiantes de todas las capacidades, un conjunto de preguntas iniciales diferenciadas y una sesión plenaria.

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Esta lección está diseñada para el NUEVO AQA Trilogy Biology GCSE, particularmente el SoW "Ecología".

Para obtener más lecciones diseñadas para cumplir con los puntos de especificación para las especificaciones de la NUEVA trilogía AQA para biología, química y física, visite mi tienda: https://www.tes.com/teaching-resources/shop/SWiftScience

La primera parte de la lección se enfoca en delinear la importancia del carbono dentro del mundo viviente, donde podríamos encontrarlo en nuestros cuerpos y en el mundo que nos rodea. La primera tarea que se les pedirá a los alumnos que completen es un mapa mental de los procesos que creen que agregarán o eliminarán el dióxido de carbono de nuestra atmósfera. Los alumnos pueden debatir en parejas y, una vez completadas, las respuestas se pueden revelar para que los alumnos evalúen su trabajo.

La siguiente tarea es que los alumnos vean un video sobre los gases de efecto invernadero, hay una serie de preguntas que se les hará a los alumnos que deben responder mientras ven el video. Una vez finalizada esta tarea, los alumnos pueden evaluar su trabajo utilizando las respuestas proporcionadas.

La siguiente tarea es una tarea de llenar los espacios en blanco, los alumnos reciben un párrafo sobre el papel de los carbohidratos en los animales y las plantas, deben completar esto usando las palabras clave proporcionadas. Una vez completado, los alumnos pueden evaluar su trabajo utilizando las respuestas proporcionadas.

Luego, los alumnos verán un video sobre el ciclo del carbono que detalla el proceso involucrado, una vez que los estudiantes hayan visto el video, se les dará una hoja de trabajo que deben completar usando los subtítulos provistos en la diapositiva de PowerPoint. Los estudiantes de menor capacidad pueden querer completar esto como un grupo y tal vez podrían completarlo mientras se reproduce el video para ayudarlos. Una vez que hayan completado la tarea, los alumnos pueden autoevaluar su trabajo utilizando las respuestas proporcionadas.

La siguiente tarea puede ser más adecuada para alumnos de mayor capacidad, se proporciona un conjunto de imágenes de tarjetas y leyendas por alumno y deben usar esto para construir su propio ciclo de carbono en sus libros. Los alumnos de mayor capacidad pueden querer poner a prueba sus conocimientos y pasar a la última página para completar esto sin mirar su trabajo anterior.

La última tarea es que los alumnos consideren el futuro y cómo podemos implementar estrategias para ayudar a reducir nuestras emisiones de carbono a fin de combatir el calentamiento global. Los alumnos deben discutir los posibles métodos / estrategias que podríamos usar y hacer un mapa mental de sus ideas en sus libros.

La tarea plenaria consiste en que los alumnos vayan al final de sus libros y escriban una descripción de tantos procesos que contribuyen al ciclo del carbono como sea posible.

Todos los recursos se incluyen al final de la presentación. Gracias por mirar, si tiene alguna pregunta, hágamelo saber en la sección de comentarios y cualquier comentario será apreciado :)

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Un paquete es un paquete de recursos agrupados para enseñar un tema en particular, o una serie de lecciones, en un solo lugar.

NUEVO AQA GCSE Biology - Lecciones de 'Ecología'

Este paquete de recursos contiene 15 lecciones que cumplen con todos los resultados de aprendizaje dentro de la unidad 'Ecología' para la NUEVA Especificación de Biología de AQA. 1. Clasificación 2. Nuevos sistemas de clasificación 3. Comunidades 4. Distribución de organismos 5. Competencia 6. Adaptaciones 7. Relaciones alimentarias 8. Materiales de reciclaje (ciclo del agua) 9. Ciclo del carbono 10. La explosión de la población humana 11. Contaminación del aire 12 . Contaminación del agua 13. Deforestación y destrucción de turba 14. Calentamiento global e impacto del cambio 15. Mantenimiento de la biodiversidad


Lección Ciclos de carbono

Las unidades sirven como guías para un contenido o área temática en particular. Anidadas debajo de las unidades hay lecciones (en violeta) y actividades prácticas (en azul).

Tenga en cuenta que no todas las lecciones y actividades existirán bajo una unidad, sino que pueden existir como un plan de estudios "independiente".

Boletín TE

Figura 1. Diagrama del ciclo del carbono.

Resumen

Conexión de ingeniería

Las actividades humanas durante los últimos 100 años, en particular la quema de combustibles fósiles y la deforestación, están liberando cantidades antinaturales de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. Hoy en día, la gente está preocupada por el aumento de CO2 concentración en la atmósfera y su impacto en el cambio climático global. Muchos ingenieros están trabajando para reducir el CO2 emisiones. Por ejemplo, los ingenieros ambientales estudian el secuestro de carbono, los procesos que eliminan el carbono de la atmósfera. Los ingenieros mecánicos y eléctricos diseñan edificios, hogares, automóviles y electrodomésticos que consumen menos energía. Otros dispositivos de ingeniería, como paneles solares y turbinas eólicas, generan electricidad a partir de fuentes naturales y no emiten CO2 en la atmósfera.

Objetivos de aprendizaje

Después de esta lección, el alumno podrá:

  • Identificar las principales diferencias entre el ciclo geológico del carbono y el ciclo biológico / físico del carbono.
  • Describe cómo las actividades humanas han afectado el ciclo del carbono.
  • Explique cómo están trabajando los ingenieros para comprender y reequilibrar el ciclo del carbono.

Estándares educativos

Cada EnseñarIngeniería la lección o actividad está correlacionada con uno o más estándares educativos de ciencia, tecnología, ingeniería o matemáticas (STEM) de K-12.

Todos los 100,000+ estándares STEM K-12 cubiertos en EnseñarIngeniería son recolectados, mantenidos y empaquetados por el Red de estándares de logros (ASN), un proyecto de D2L (www.achievementstandards.org).

En la ASN, los estándares están estructurados jerárquicamente: primero por fuente p.ej., por estado dentro de la fuente por tipo p.ej., ciencia o matemáticas dentro del tipo por subtipo, luego por grado, etc.

NGSS: Estándares de ciencia de próxima generación - Ciencia

MS-ESS3-5. Haga preguntas para aclarar la evidencia de los factores que han causado el aumento de las temperaturas globales durante el siglo pasado. (Grados 6 - 8)

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MS-LS1-6. Construya una explicación científica basada en la evidencia del papel de la fotosíntesis en el ciclo de la materia y el flujo de energía dentro y fuera de los organismos. (Grados 6 - 8)

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El conocimiento científico se basa en conexiones lógicas entre evidencia y explicaciones.

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La reacción química por la cual las plantas producen moléculas complejas de alimentos (azúcares) requiere un aporte de energía (es decir, de la luz solar) para que ocurra. En esta reacción, el dióxido de carbono y el agua se combinan para formar moléculas orgánicas basadas en carbono y liberar oxígeno.

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Asociación Internacional de Educadores de Tecnología e Ingeniería - Tecnología
  • Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los efectos de la tecnología en el medio ambiente. (Grados K ​​- 12) Más detalles

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Estándares estatales
Colorado - Ciencia

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Hojas de trabajo y archivos adjuntos

Más currículo como este

Los estudiantes aprenden y discuten las ventajas y desventajas de las fuentes de energía renovables y no renovables. También aprenden sobre la red de energía eléctrica de nuestra nación y lo que significa para una casa residencial estar "fuera de la red".

A través de la discusión y la experimentación práctica, los estudiantes aprenden sobre el ciclo geológico (antiguo) del carbono. Investigan el papel de los dinosaurios en el ciclo del carbono y el eventual almacenamiento de carbono en forma de tiza.

Los estudiantes aprenden sobre el flujo de energía y nutrientes en varios climas y entornos de la biosfera. Aprenden sobre herbívoros, carnívoros, omnívoros, cadenas alimenticias y redes alimenticias, viendo la interdependencia entre productores, consumidores y descomponedores. Esta lección es parte de una serie de seis lecciones en las que.

Al estudiar los procesos clave en el ciclo del carbono, como la fotosíntesis, el compostaje y la digestión anaeróbica, los estudiantes aprenden cómo la naturaleza y los ingenieros "bioreciclan" el carbono. Los estudiantes están expuestos a ejemplos de cómo los microbios juegan muchos roles en varios sistemas para reciclar materiales orgánicos y también aprenden cómo.

Introducción / Motivación

¿Quién puede decirme qué elemento se encuentra en todos los seres vivos? ¡Carbón! El carbono es el elemento esencial para la vida en la Tierra. El carbono no solo se encuentra en todos los seres vivos, este elemento está presente en la atmósfera, en capas de sedimento de piedra caliza en el fondo del océano y en combustibles fósiles como el carbón. (Este sería un buen momento para darles a los estudiantes la Hoja de referencia del ciclo del carbono para ayudarlos a seguir la lección. También sería útil tener varios objetos que contienen carbono para mostrar a los estudiantes: una concha marina, una roca sedimentaria (piedra caliza ), un poco de tiza, una planta, tal vez incluso un trozo de carbón.) La mayoría de las conchas marinas contienen carbono como carbonato de calcio (CaCO3), o calcita, que es uno de los minerales más distribuidos en la superficie de la Tierra. Se encuentra en rocas sedimentarias (especialmente piedra caliza). y en este trozo de tiza que tengo frente a ti. Una planta de hoja verde absorbe el dióxido de carbono de la atmósfera y lo usa, combinado con el agua del suelo, para producir las sustancias que necesita para su crecimiento.

¿Y el carbón? El carbono que está contenido en un trozo de carbón es en realidad carbono de hace mucho tiempo, una época en que los dinosaurios caminaban por la Tierra. Hace millones de años, gran parte del mundo estaba cubierto de espesa vegetación y pantanos. Cuando el clima cambió, esta vegetación murió y se hundió bajo el agua, donde perdió todos sus átomos de oxígeno, dejando sedimentos, que contienen un alto porcentaje de carbono, en el fondo del océano. Con el paso del tiempo, capas de arena y lodo del agua se asentaron sobre algunos de estos sedimentos. La presión de estas capas superpuestas, así como los movimientos de la corteza terrestre, comprimieron y endurecieron los depósitos y produjeron carbón. El carbón, el petróleo y el gas natural son sustancias que contienen carbono a las que llamamos combustibles fósiles. ¿Alguien puede adivinar por qué los llamamos combustibles fósiles? Así es, porque fueron creados hace millones de años, aproximadamente al mismo tiempo que se formaron los fósiles.

Ahora que ha aprendido sobre algunos objetos que contienen carbono, hablemos de la Ciclo del carbono. ¿Alguien puede explicar qué es un ciclo? Un ciclo es una secuencia de estados cambiantes que produce un estado final idéntico al original. Entonces, el ciclo del carbono se puede describir como el intercambio de carbono entre la tierra, los océanos, la atmósfera y el interior de la Tierra. Hay dos tipos de ciclos del carbono sobre los que vamos a aprender.

El primer ciclo del carbono es el ciclo geológico del carbono, que ha estado ocurriendo durante los últimos 4.500 millones de años desde que nació nuestro planeta. En el ciclo geológico del carbono, el carbono se mueve entre las rocas y los minerales, los océanos y la atmósfera (consulte la actividad Aliento de dinosaurio para que los estudiantes investiguen la historia prehistórica del ciclo del carbono y los factores modernos que los ingenieros están tratando de comprender). Los procesos de meteorización, erosión y actividad volcánica son las fuerzas que realmente moverse el carbono alrededor en este ciclo. Este ciclo puede tardar millones de años en completarse y está sucediendo continuamente a nuestro alrededor.

Por el contrario, solo se necesitan unos pocos días a miles de años para el segundo tipo de ciclo del carbono, el ciclo biológico / físico, para completar el círculo. Este es un período de tiempo mucho más corto que el ciclo geológico del carbono, y depende del tipo de ciclo biológico / físico del carbono que esté observando: el carbono a medida que atraviesa la atmósfera, la biosfera, la hidrosfera o la geosfera. ¿Alguna vez pensaste que podrías tener un ciclo de carbono ocurriendo dentro de tu propio cuerpo? Bueno, lo haces, ¡y tu cuerpo depende de ello! Cuando comemos, ingerimos carbono en forma de carbohidratos y proteínas. En nuestras células, el carbono se combina con el oxígeno en nuestra sangre para producir la energía que necesitamos. ¿Alguna vez ha respirado profundamente después de una comida copiosa? Bueno, en realidad estás exhalando carbono, o dióxido de carbono, como producto de desecho de la digestión.

Entonces, el ciclo geológico del carbono y los ciclos biológicos / físicos del carbono son los dos tipos de ciclos que vamos a considerar hoy. Afortunadamente, la naturaleza hace un muy buen trabajo al equilibrar estos dos ciclos del carbono: trabaja duro para asegurarse de que no se acumule demasiado carbono en un solo lugar. Es importante que nosotros, como seres humanos, ayudemos a la naturaleza a hacer esto. Durante los últimos 100 años, los seres humanos han alterado el ciclo del carbono al agregar cantidades cada vez mayores de carbono a la atmósfera en forma de dióxido de carbono o CO2. Una forma en que liberamos carbono a la atmósfera es quemando combustibles fósiles para obtener energía para iluminar nuestras casas, conducir nuestros autos e incluso tocar nuestros equipos de sonido.

Mucha gente cree que la quema de combustibles fósiles y la adición de carbono adicional a la atmósfera está causando un problema conocido como calentamiento global. El calentamiento global es el aumento observado en las temperaturas medias de la atmósfera y los océanos de la Tierra. Claro, está bien si las temperaturas de la Tierra se elevan por encima de los niveles normales durante unos días, sin embargo, cuando las temperaturas continúan aumentando durante largos períodos de tiempo, la Tierra comenzará a cambiar. Este tipo de cambio climático puede afectar negativamente la salud humana, la salud animal y el medio ambiente al alterar los ecosistemas, provocar sequías y cambiar las estaciones de cultivo.

Los ingenieros están trabajando para reducir las emisiones de carbono a la atmósfera mediante el desarrollo de tecnologías que utilizan menos combustible y son más sensibles al equilibrio de los ciclos del carbono. Nosotros, como consumidores de energía, también podemos marcar una gran diferencia al conservar la energía. ¿Cuáles son algunas formas en las que podemos conservar energía? (Deles tiempo a los estudiantes para que hagan una lluvia de ideas y digan respuestas). Así es, podemos recordar apagar las luces, las computadoras y los equipos de sonido. Podemos tomar duchas más cortas, andar en bicicleta o caminar cuando podamos, y ajustar un poco nuestros termostatos durante el invierno (calefacción) y el verano (aire acondicionado) y, lo que es igual de importante, podemos hablar con nuestra familia sobre el reciclaje.

Antecedentes y conceptos de la lección para profesores

El carbono (C) es el componente básico de todos los seres vivos y es el cuarto elemento más abundante en el universo después del hidrógeno (H), helio (He) y oxígeno (O). En la Tierra, el carbono circula a través de la atmósfera, la tierra, el océano y el interior de la Tierra. El ciclo global del carbono se puede dividir en dos categorías: el geológico, que abarca millones de años, y el biológico / físico, que abarca escalas de tiempo más cortas (días a miles de años).

El ciclo geológico del carbono

Figura 2. El ciclo geológico del carbono.

Todo el carbono que circula por los sistemas de la Tierra hoy en día estaba presente en realidad hace 4.500 millones de años, cuando nació nuestro sistema solar. Durante este tiempo, planetesimales (pequeños cuerpos que formaron la nebulosa solar) y meteoritos que contienen carbono bombardearon la superficie de la Tierra. El resultado de la colisión entre estos objetos y la Tierra fue un aumento constante del contenido de carbono de la Tierra sólida, que ha hecho posible la vida aquí.

En el ciclo geológico del carbono, el carbono se mueve entre las rocas y los minerales, los océanos de la Tierra y la atmósfera. El dióxido de carbono en la atmósfera reacciona con diferentes minerales para formar el carbonato de calcio mineral (piedra caliza) a través de un proceso llamado meteorización. La piedra caliza se disuelve (erosiona) por el agua de lluvia y se transporta a los océanos, donde se precipita fuera del agua del océano y forma capas de sedimento en el fondo del océano. A medida que las placas de la Tierra se mueven a través del proceso de tectónica, estos sedimentos son subducido (quitado) bajo los continentes. La tremenda cantidad de calor y presión debajo de la superficie de la Tierra hace que la piedra caliza se derrita y reaccione con otros minerales, liberando CO2 en el proceso. A través de erupciones volcánicas, este dióxido de carbono se vuelve a liberar a la atmósfera. El equilibrio de la naturaleza entre meteorización, subducción, erosión y actividad volcánica es muy importante para controlar el CO2 concentraciones en la atmósfera.

El ciclo del carbono biológico / físico

En contraste con el ciclo geológico del carbono, que puede tardar millones de años en completarse, el ciclo biológico / físico del carbono lleva mucho menos tiempo (de días a miles de años). El ciclo biológico / físico del carbono puede describirse como el proceso mediante el cual se intercambia carbono entre los cuatro depósitos principales de carbono: la atmósfera, la biosfera, la hidrosfera y la geosfera. Estos cuatro reservorios principales de carbono están interconectados por vías de intercambio. Durante los últimos 100 años, hemos alterado el ciclo biológico / físico del carbono al emitir cantidades antinaturales de CO.2 en la atmósfera.

Carbono en la Atmósfera - El carbono existe naturalmente en la atmósfera de la Tierra principalmente como gas dióxido de carbono (CO2) y constituye aproximadamente el 0,04% de la composición total del gas en la atmósfera. Otros gases atmosféricos que contienen carbono son el metano y los clorofluorocarbonos, que son gases artificiales (producidos por el hombre). Estos tres gases se denominan típicamente gases de efecto invernadero, cuya concentración creciente se cree que contribuye al calentamiento global.

Figura 3. Diagrama de flujo de la transferencia de carbono a la atmósfera desde la biosfera.

Como se muestra en la Figura 3, el carbono se transfiere a la atmósfera desde la biosfera principalmente a través de la respiración y la quema de biomasa.

Figura 4. El sistema respiratorio humano.

Gran parte del carbono se transfiere de la biosfera a la atmósfera a través de la respiración. Nuestro sistema respiratorio está formado por las vías respiratorias, los pulmones y los músculos respiratorios que controlan el movimiento del aire (oxígeno) dentro y fuera del cuerpo. Dentro de los pulmones, moléculas de oxígeno y CO2 se intercambian entre el gas inhalado y la sangre. El sistema respiratorio oxigena la sangre y elimina el dióxido de carbono de la circulación, que se libera a la atmósfera cuando exhalamos, como se ilustra en la Figura 4.

Biomasa también es una parte importante del ciclo del carbono. En la industria de producción de energía, la biomasa se refiere al material biológico vivo y recientemente vivo (es decir, árboles, plantas y materia animal) que se puede utilizar como combustible para producir energía. Todos los organismos vivos (o que alguna vez vivieron) contienen carbono. Cuando se quema la materia biológica, el carbono contenido en la materia biológica se libera de nuevo a la atmósfera. Por ejemplo, la madera seca tiene aproximadamente un 50% de carbono. Cuando quemamos un paquete de madera, la energía se libera en forma de calor. Este proceso de combustión también produce CO2 (junto con metano, monóxido de carbono y humo), que se libera a la atmósfera. Aunque la biomasa es un combustible renovable, todavía contribuye al calentamiento global cuando la cantidad de biomasa extraída de la biosfera no es reemplazada por una cantidad igual de vegetación. Tanto la deforestación (la eliminación de la cubierta forestal, ya sea intencionalmente, por ejemplo, la agricultura o el desarrollo, o a través de consecuencias naturales, por ejemplo, incendios forestales, inundaciones, etc., ver Figura 5) y la urbanización de los sitios verdes perturban el ciclo natural del carbono al eliminar la biomasa. y finalmente transfiriendo CO2 en la atmósfera.

Figura 5. Una ladera que sufre deforestación.

Carbono en la Geosfera - Combustible fósil es un término general para los depósitos geológicos enterrados de material orgánico, formado a partir de plantas y animales que se descompusieron hace millones de años. Los combustibles fósiles como el carbón, los productos del petróleo y el gas natural son fuentes de biomasa antigua que se formaron durante el Período Carbonífero (hace 360 ​​- 286 millones de años). En ese momento, la tierra estaba cubierta de pantanos llenos de enormes árboles, helechos y otras grandes plantas frondosas. A medida que esta vegetación que contiene carbono murió, se hundió hasta el fondo de los pantanos de los océanos y formó capas de un material esponjoso llamado turba (ver Figura 6).

Figura 6. La formación de combustibles fósiles durante millones de años.

Durante muchos cientos de años, la turba estuvo cubierta por arena, arcilla y otros minerales, que se convirtieron en rocas sedimentarias. Más capas de roca se amontonaron en la parte superior y comenzaron a presionar la turba. La turba se exprimió hasta que salió el agua y, finalmente, durante millones de años, se convirtió en carbón, petróleo o petróleo y gas natural.

La utilización de combustibles fósiles ha permitido el desarrollo industrial a gran escala en todo el mundo. La combustión de combustibles fósiles perturba enormemente el ciclo del carbono porque han estado "fuera" del ciclo durante mucho tiempo. La quema de combustibles fósiles es uno de los principales contribuyentes al aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera. La Figura 7 muestra la predicción de cómo las emisiones globales de carbono de los combustibles fósiles aumentarán continuamente las temperaturas de la Tierra durante los próximos 300 años.

Figura 7. El aumento previsto en las temperaturas de la Tierra debido a las emisiones globales de carbono.

Carbono en la biosfera - El carbono se encuentra en todas partes de la biosfera y juega un papel crucial en la estructura, bioquímica y nutrición de todas las células vivas. Todos los organismos vivos se basan en el átomo de carbono y dependen de la producción de azúcares a partir de la energía solar y el dióxido de carbono (fotosíntesis) para producir la energía química que facilita el crecimiento y la reproducción celular. La forma más común en que el carbono se transfiere a la biosfera es desde la atmósfera a través de fotosíntesis.

Figura 8. La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas producen energía utilizando agua, luz solar y CO2 de la atmósfera.

Durante la fotosíntesis, las plantas verdes absorben energía solar (ver Figura 8) y dióxido de carbono de la atmósfera para producir carbohidratos (azúcares). Las plantas "queman" estos carbohidratos durante la respiración, lo que libera la energía contenida en los azúcares para usarla como combustible. Luego, las plantas liberan oxígeno a la atmósfera, que los humanos y otros organismos utilizan para la respiración.

La fotosíntesis juega un papel crucial en el equilibrio del ciclo del carbono al absorber CO2 de la atmósfera. Este proceso se conoce como "secuestro de carbono". Para el ciclo del carbono, las plantas más importantes son los árboles en los bosques y el fitoplancton en los océanos de la Tierra. Recientemente, científicos e ingenieros han estado explorando una variedad de medios para capturar y almacenar carbono artificialmente y mejorar el proceso de secuestro natural.

Actividad humana y ciclo del carbono

Fotosíntesis, respiración y CO2 la absorción / liberación de las superficies oceánicas son ejemplos de flujos naturales de carbono a través de los sistemas de la Tierra. Las actividades humanas, en particular la quema de combustibles fósiles y la deforestación, interrumpen este flujo natural liberando CO2 en la atmósfera. Cuando extraemos carbón y extraemos petróleo de la Tierra y luego quemamos estos combustibles fósiles para el transporte, la calefacción, la cocina, la electricidad y la fabricación, estamos efectivamente moviendo carbono a la atmósfera más rápidamente de lo que se elimina de la atmósfera de forma natural a través de la sedimentación del carbono. . Esto provoca la concentración de CO2 en la atmósfera para aumentar, lo que conduce al calentamiento global. Además, mediante la tala de bosques para apoyar la agricultura, estamos transfiriendo carbono de la biomasa viva a la atmósfera. Debido a esto, el CO2 La concentración en la atmósfera es más alta que nunca.

Actividades asociadas

  • Aliento de dinosaurio: los estudiantes investigan cómo el ciclo del carbono ha estado ocurriendo durante millones de años y es necesario para la vida en la Tierra. También aprenden sobre el peligro de las grandes emisiones de CO2 a la atmósfera y por qué los ingenieros están trabajando para comprender el ciclo del carbono y reducir las emisiones de CO2.

Clausura de la lección

Hoy aprendimos que el carbono es una parte muy importante de nuestra Tierra. De hecho, el carbono hace posible la vida en la Tierra y existe en muchas formas diferentes. ¿Cuáles son algunos objetos que contienen carbono? Así es: conchas marinas, plantas, la atmósfera y el carbón. También aprendimos sobre el ciclo del carbono, que se puede describir como el intercambio de carbono entre la tierra, los océanos, la atmósfera y el interior de la Tierra. Hay dos ciclos del carbono a tener en cuenta: 1) el ciclo geológico del carbono comenzó hace miles de millones de años, cuando nació nuestro sistema solar. En el ciclo geológico del carbono, el carbono se mueve entre las rocas y los minerales, los océanos del mundo y los volcanes, que liberan carbono a la atmósfera. 2) Por el contrario, el ciclo biológico / físico del carbono lleva mucho menos tiempo (de días a miles de años). En este ciclo más corto, el carbono se intercambia entre la atmósfera, la biosfera, la hidrosfera y la geosfera. Algunas formas en las que se libera carbono a la atmósfera son: respiración, quema de biomasa, deforestación y combustión de combustibles fósiles.

¿Alguien puede decirme cómo las actividades humanas han estado liberando demasiado carbono a la atmósfera? Sí, actividades como la quema de combustibles fósiles y la deforestación están liberando cantidades no naturales de dióxido de carbono a la atmósfera. Hoy en día, a la gente le preocupa que el alto nivel de CO2 en la atmósfera está contribuyendo al cambio climático global. Los ingenieros están trabajando para reequilibrar el ciclo del carbono reduciendo el CO2 emisiones. Por ejemplo, los ingenieros ambientales están estudiando cómo eliminar el carbono de la atmósfera (secuestro de carbono), y los ingenieros mecánicos y eléctricos diseñan edificios, hogares, automóviles y electrodomésticos que utilizan menos energía. ¿Cómo puede ayudar a los ingenieros y científicos a resolver el problema global del cambio climático? Puede recordar apagar las luces, las computadoras y los equipos de sonido cuando haya terminado, tomar duchas más breves, andar en bicicleta o caminar, y hablar con su familia sobre el reciclaje y otras medidas de conservación de energía. El calentamiento global no es un problema que podamos dejar a los científicos e ingenieros; resolver este problema requiere que todos trabajen para ahorrar energía y reducir nuestro consumo de energía.

Vocabulario / Definiciones

Atmósfera: La atmósfera de la Tierra es una capa de gases que rodea el planeta y retenida por la gravedad. Contiene aproximadamente un 78% de nitrógeno, un 0,97% de argón y un 0,04% de dióxido de carbono. Protege la vida en la Tierra al absorber la radiación solar ultravioleta y reducir las temperaturas extremas entre el día y la noche. .

Biomasa: En la industria de producción de energía, la biomasa se refiere al material biológico vivo y recientemente vivo que se puede utilizar como combustible para la producción industrial.

biosfera: la parte más externa del caparazón de la Tierra, incluida la tierra, las rocas superficiales y el agua dentro de la cual se produce la vida.

ciclo del carbono: el ciclo del carbono se puede describir como el intercambio de carbono entre la tierra, los océanos, la atmósfera y el interior de la Tierra.

Combustible fósil: Los combustibles fósiles como el carbón, los productos del petróleo y el gas natural son fuentes de biomasa antigua que se formaron hace millones de años a partir de la descomposición de la materia vegetal y animal.

geosfera: La parte sólida de la Tierra que es principalmente roca y regolito (una capa de material heterogéneo y suelto que cubre la roca sólida). Las principales divisiones de la geosfera son la corteza, el manto y el núcleo.

calentamiento global: el aumento observado en la temperatura media de la atmósfera y los océanos de la Tierra en las últimas décadas.

fotosíntesis: proceso por el cual las plantas verdes crean energía al absorber energía solar y dióxido de carbono de la atmósfera para producir carbohidratos (azúcares). Las plantas "queman" estos carbohidratos durante la respiración, lo que libera la energía contenida en los azúcares para utilizarlos como combustible. Luego, las plantas liberan oxígeno a la atmósfera, que los humanos y otros organismos utilizan para la respiración.

respiración: Proceso por el cual un organismo obtiene energía a través de la reacción del oxígeno con la glucosa para dar agua, dióxido de carbono y ATP (energía).

Evaluación

Tabla de saber / querer saber / aprender (KWL): Cree una tabla KWL en el aula para ayudar a organizar el aprendizaje sobre un tema nuevo. En una hoja grande de papel o en la pizarra del aula, dibuje un cuadro con el título "El ciclo del carbono". Dibuje tres columnas tituladas, K, W y L, que representen lo que los estudiantes Kahora sobre el ciclo del carbono, lo que Wsaber sobre el ciclo del carbono y lo que Lganado sobre el ciclo del carbono. Complete las secciones K y W durante la introducción de la lección a medida que surgen hechos y preguntas. Complete la sección L al final de la lección.

Preguntas: Pida a los alumnos que se hagan preguntas sobre el calentamiento global (es decir, ¿qué factores han provocado el aumento de las temperaturas globales durante el siglo pasado?). Después de la lección, pida a los estudiantes que respondan las preguntas.

Hoja de referencia: Con los estudiantes, revise la Hoja de referencia del ciclo del carbono adjunta. Sugiera a los estudiantes que tengan la hoja a mano en sus escritorios, carpetas o diarios.

¡Enlistalo! Haga que los estudiantes hagan una lista de todas las cosas cotidianas en las que puedan pensar que ayudarían a conservar la cantidad de carbono que se emite a la atmósfera.

Evaluación de resumen de la lección

¡Piense como un ingeniero! Los ingenieros están trabajando para reequilibrar el ciclo del carbono reduciendo el CO2 emisiones. Por ejemplo, los ingenieros ambientales están estudiando cómo eliminar el carbono de la atmósfera, y los ingenieros mecánicos y eléctricos están trabajando para diseñar edificios, hogares, automóviles y electrodomésticos que consuman menos energía. Los ingenieros también están trabajando para crear tecnologías para capturar y almacenar el carbono que se encuentra en los bosques, océanos y suelos. Haga que los estudiantes trabajen en parejas para pensar en un nuevo invento que ayudaría a reducir las emisiones de carbono a la atmósfera al reducir la energía utilizada por las personas durante una actividad diaria (como lavar ropa, cocinar o conducir un automóvil).

Cuestionario sobre el calentamiento global: Haga a los estudiantes las siguientes preguntas:

  1. ¿Qué no contribuye al calentamiento global?
  1. Arboles en llamas
  2. El agujero en la capa de ozono
  3. Contaminantes industriales
  4. Emisiones automotrices

(Respuesta: b la atmósfera atrapa el calor del sol, como un invernadero. El agujero de ozono deja entrar los dañinos rayos ultravioleta pero no contribuye al calentamiento global).

  1. ¿Qué son los gases de efecto invernadero?
  1. Otras palabras para gases inertes
  2. Combustible utilizado por los agricultores
  3. Vapores que se elevan de los invernaderos
  4. Gases atmosféricos que atrapan el calor

(Respuesta: d los principales gases de efecto invernadero son el vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano y el ozono).

  1. ¿Qué actividad no ayuda a conservar energía?
  1. Reciclaje
  2. Usando una regleta de enchufes para electrónica
  3. Conducir un coche eléctrico
  4. Dejar una computadora encendida

(Respuesta: d ahorre dinero y reduzca las emisiones apagando los dispositivos electrónicos cuando no estén en uso).

  1. ¿Significa el calentamiento global que todos los lugares de la Tierra se están calentando?
  1. No, solo los veranos son mas calurosos
  2. No, pero el promedio mundial está aumentando
  3. Sí, todos los lugares de la Tierra son más calientes
  4. No, solo ciertos puntos son más calientes

(Respuesta: los expertos estiman que la temperatura promedio aumentará de 2.5 a 10.4 grados Fahrenheit para el 2100).

Actividades de extensión de la lección

Póster educativo: Haga que los estudiantes trabajen individualmente o en pequeños grupos para crear carteles para educar a sus compañeros sobre el calentamiento global y el cambio climático. Los estudiantes pueden investigar los principales contribuyentes al calentamiento global para crear un gráfico de barras o un gráfico circular que enfatice el porcentaje que contribuye cada uno. Pida a los alumnos que dibujen / escriban ejemplos de formas en que ellos puede marcar la diferencia a través de la eficiencia y la conservación de la energía. Los estudiantes pueden encontrar útil la Hoja de referencia del ciclo del carbono adjunta para este ejercicio. Esto también podría asignarse como tarea.


Laboratorio 5: El ciclo del carbono

Aprendiste en el laboratorio de troposfera que el dióxido de carbono (CO2) constituye aproximadamente el 0,04% de la atmósfera. Verá en laboratorios posteriores cuán importante es esta concentración relativamente pequeña de CO2 es de esperar para el balance energético de la Tierra, pero por ahora debemos centrarnos en el ciclo en el que el CO atmosférico2 esta involucrado. Como con suerte habrá deducido al mirar el título del laboratorio, el nombre del ciclo es el Ciclo del carbono. El carbono se mueve constantemente alrededor de la Tierra a través de los procesos que componen el ciclo del carbono. Este laboratorio se ocupa de los diferentes procesos que componen el ciclo del carbono, pero su importancia va más allá de familiarizarse con las diversas formas en que el carbono se transforma y transporta en todo el mundo. Esto se debe a que el laboratorio también se centra en cómo la actividad humana puede influir en esos procesos y, potencialmente, influir en el tiempo y el clima del planeta.

Al final de esta práctica de laboratorio, debería poder responder las siguientes preguntas de investigación:

¿Cómo se puede transferir el carbono entre la atmósfera y las otras esferas de la Tierra??

¿Cómo describiría mejor los cambios generales en las emisiones antropogénicas de CO2 y la absorción de carbono por la atmósfera, los océanos y la biosfera terrestre de 1959 a 2014??

¿Cómo ha sido la captación de CO2 afectado los océanos y la biosfera terrestre?

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Entrar con la mentalidad correcta
A lo largo de este laboratorio, se le pedirá que responda algunas preguntas. Esas preguntas vendrán en tres variedades diferentes:

Pregunta basada en hechos → Esta será una pregunta con una respuesta bastante clara. Esa respuesta se basará en la información (1) presentada por su instructor, (2) que se encuentra en las secciones de antecedentes, o (3) determinada por usted a partir de datos, gráficos, imágenes, etc. responder a una pregunta de este tipo en comparación con las preguntas de los otros tipos.

Pregunta basada en síntesis → Esta será una pregunta que requerirá que reúna ideas de diferentes lugares para dar una respuesta completa. Aún existe la expectativa de que su respuesta coincida con una determinada respuesta, pero debe sentirse cómodo al expresar su comprensión de cómo encajan estas diferentes ideas.

Pregunta basada en hipótesis → Esta será una pregunta que requerirá que estires un poco tu mente. Una pregunta como esta le pedirá que especule sobre por qué algo es como es, por ejemplo. No hay una respuesta segura a una pregunta de este tipo. Esta es una pregunta más abierta en la que estaremos más interesados ​​en las ideas que proponga y la justificación ("Creo que esto porque ...") que proporciona.

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Una de las ideas clave que debería haber tomado del Prezi del ciclo del carbono, siempre que lo haya visto, es que en cualquier ciclo de la materia, la sustancia en el corazón de ese ciclo (por ejemplo, agua, nitrógeno y carbono) se convierte en diferentes formas físicas y químicas y se trasladó de una parte de la Tierra a otra. A medida que avanza por el laboratorio del ciclo del carbono, verá cómo el carbono se mueve a través de las diferentes 'esferas' en las que los científicos dividen el planeta: la biosfera (conjunto global de ecosistemas donde se encuentran los seres vivos), la litosfera (las capas superiores rocosas de la Tierra), la hidrosfera (combinación de todas las fuentes de agua debajo y sobre la superficie de la Tierra) y la atmósfera (capas de gases por encima de la Tierra). En la biosfera, el carbono se encuentra en forma de compuestos orgánicos atrapados en organismos vivos y en el suelo de la litosfera, se encuentra en rocas carbonatadas y otros materiales como el carbón y en la hidrosfera se disuelve en el agua para formar ácido carbónico. Prácticamente todo el carbono de la atmósfera terrestre existe en forma de dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4).

La siguiente imagen muestra el presupuesto global de carbono para 2010. Esta es una forma de tabular la cantidad de carbono (en miles de millones de toneladas) que se liberado por carbono fuentes y absorbido por carbono se hunde. Idealmente, la Tierra tendría una "hoja de cálculo equilibrada" en la que esas dos cantidades fueran iguales a medida que examina la imagen, debe considerar si este fue el caso en 2010.

/> P1: Identifique dos fuentes de carbono en la imagen. Identifica dos lavabos.


/> P2: ¿Dónde terminaron los 9 petagramos de carbono emitidos a la atmósfera por las actividades antropogénicas en 2010?

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Así que sigamos un átomo de carbono a través de una parte del ciclo del carbono. Mire la imagen a continuación que se centra en esa parte: el intercambio de carbono entre la atmósfera y la biosfera.

Como se señaló anteriormente, la mayoría de los átomos de carbono en la atmósfera se encuentran entre dos átomos de oxígeno en forma de CO2. Las plantas verdes pueden absorber ese CO2, combínalo con agua (H2O) y producen carbohidratos (literalmente, carbono hidratado) a través del proceso de fotosíntesis. Es a través de ese proceso que las plantas crecen y ganan masa. Si bien puede ser difícil imaginar que las plantas obtengan su masa del agua y un gas invisible en el aire, la fotografía de lapso de tiempo del crecimiento de pasto de trigo puede hacer que eso sea más creíble.

P3: ¿De dónde obtiene la hierba de trigo el carbono que le permite crecer?


Ahora bien, hay muchas formas en que este carbono de los carbohidratos puede volver a liberarse a la atmósfera. Tanto las plantas como los animales que las comen pueden descomponer los carbohidratos (principalmente el azúcar, glucosa) de nuevo en agua y dióxido de carbono, obteniendo algo de energía útil del proceso y liberando el CO.2 mediante respiración. Además, los hongos y las bacterias pueden descomponer los compuestos de carbono en plantas y animales muertos y convertir el carbono en CO.2 si hay oxígeno presente. Finalmente, combustión (que es realmente el mismo proceso que la respiración, excepto que implica la quema de combustibles en lugar de alimentos) puede oxidar los materiales orgánicos (que contienen carbono) en las plantas de nuevo a CO2. Una forma de combustión con la que se encontró en un laboratorio anterior (La Troposfera) fue tala y quema, que se utiliza para talar grandes áreas de bosque para la agricultura y, por lo tanto, es una de las principales causas de deforestación. Vea la animación de la serie temporal a continuación, que muestra la deforestación en Rondônia, en el oeste de Brasil.

P4: Las plantas verdes realizan la fotosíntesis (lo que hace que actúen como un sumidero de carbono) y respiran (lo que hace que actúen como una fuente de carbono) según la imagen del ciclo del carbono a la derecha, ¿son estas plantas un sumidero neto o una fuente de carbono?



P5: A la gente le preocupa el uso de tala y quema en parte porque afecta el ciclo del carbono de múltiples formas. ¿Cuáles son dos de esas formas?


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A continuación, centrémonos en la otra mitad del ciclo más amplio del carbono: el intercambio de carbono entre la atmósfera y la hidrosfera. Eche un vistazo a la imagen a continuación que se centra en los procesos involucrados en este intercambio.

Debería tener sentido que, dado que los océanos cubren el 70% de la superficie de la Tierra, queramos concentrarnos en cómo se mueve el carbono entre la atmósfera y los océanos. Puede ver en la imagen de arriba que algunos de los mismos procesos, la fotosíntesis y la respiración, son parte del intercambio entre estas dos partes del ecosistema global. Existe otro mecanismo por el cual los océanos pueden actuar como sumideros de carbono y como fuente de carbono: el agua del océano puede absorber dióxido de carbono (lo que lleva a acidificación del agua del océano) y, como un refresco que se aplana, libéralo a través de la agitación causada por las corrientes oceánicas.

P6: En general, ¿se intercambia una mayor cantidad de carbono entre la atmósfera y la biosfera, o entre la atmósfera y la hidrosfera?


Q7: ¿Cómo se compara la cantidad de carbono absorbido por la hidrosfera con la cantidad de carbono liberada por la hidrosfera en 2010?

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Hay una última parte del ciclo del carbono en la que queremos centrarnos. Sin embargo, antes de hacerlo, es importante recordar que el ciclo del carbono representa un sistema global, así que aunque hemos visto el ciclo en porciones manejables, tenemos que recordar que los procesos en cada porción están interrelacionados y cualquier cambio en un proceso produce cambios en los demás.

Muy bien, con ese recordatorio en su lugar, podemos dirigir nuestra atención a cómo se intercambia el carbono entre la litosfera y la atmósfera. En el Prezi de este laboratorio, vimos un video que hablaba sobre “carbono joven y rápido”. Este es el tipo de carbono que se encuentra en las plantas vivas, entre otras cosas, y lo llamamos así porque puede entrar y salir fácilmente del ciclo del carbono. El video también hablaba del "carbón lento viejo", que es del tipo que se encuentra en los combustibles fósiles. Está etiquetado de esta manera porque este tipo de carbono ha quedado atrapado en una forma (gas natural, petróleo y carbón) que hace más improbable que el carbono entre en el ciclo del carbono. Bueno, más improbable hasta que los humanos comenzaran a sacarlo de la Tierra y quemarlo para producir electricidad. Cuando tiene lugar esa combustión de combustibles fósiles, el carbono con átomos de hidrógeno unidos a él (hidrocarburos) se transforma en carbono con oxígeno unido (monóxido de carbono y dióxido de carbono). La imagen de la izquierda a continuación muestra el porcentaje de dióxido de carbono de la combustión de varios combustibles fósiles. La imagen en el medio es de Plant Bowen, una planta de energía que quema carbón cerca de Cartersville, GA, debería serle familiar como fondo del Prezi. Finalmente, la imagen de la derecha es un esquema de Plant Scherer que se encuentra al sureste de Atlanta.

/> P8: ¿Qué tipo de combustible fósil esperaba que hubiera contribuido más a la producción de dióxido de carbono? Que forma en realidad contribuye más?


/> P9: En la imagen de Plant Bowen, las torres de enfriamiento están resaltadas. Mucha gente relaciona incorrectamente la presencia de torres de enfriamiento con la presencia de plantas de energía nuclear, pero todas las plantas de energía a gran escala las tienen. ¿Qué es lo que sale de las torres de enfriamiento? (Sugerencia: esto tiene una relación importante con el ciclo de la materia que consideró en el laboratorio de Troposfera).






Antes de pasar a la siguiente sección de esta práctica de laboratorio, es importante juntar las piezas separadas del ciclo del carbono que se discutieron anteriormente. Con ese fin, eche un vistazo a la imagen del presupuesto global de carbono de 2010 que se encuentra a continuación y que también abrió esta sección.

Observe que las emisiones antropogénicas (humanas como fuente) de carbono son mayores que la absorción de carbono por la biosfera y la hidrosfera. Las actividades del hombre, como la quema de combustibles fósiles y la deforestación, liberadas nueve petagramos (donde un petagramo es 1,000,000,000,000,000 o 10 15 gramos) de carbono a la atmósfera en 2010. [Aproximadamente el 90% de esas emisiones antropogénicas de carbono provienen de la quema de combustibles fósiles.] De esos 9 petagramos, tres fueron absorbidos por plantas para su uso en la fotosíntesis dos de los 9 petagramos fueron absorbidos por el océano. Si hace algunas matemáticas difíciles, se da cuenta de que eso dejó 4 petagramos sin contabilizar, es decir, hubo una adición neta de 4 petagramos de carbono en forma de dióxido de carbono a la atmósfera. Otra forma de decirlo es que la cantidad de carbono en la litosfera (en forma de combustibles fósiles) es decreciente, y la cantidad de carbono en la atmósfera (en forma de CO2), la biosfera y la hidrosfera es creciente. Algo en lo que pensar.

P10: ¿Cuál cree que sería el efecto sobre la vida en este planeta si el tipo de red la liberación de carbono descrita anteriormente para 2010 continuaría durante los próximos 50 años?

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El gráfico del ciclo del carbono que exploró en la Sección 2 solo muestra datos de 2010. Como ha sido en el caso en laboratorios anteriores, estamos interesados ​​en cambios en tiempo - en este caso, cambios en el presupuesto global de carbono. Los investigadores han podido estimar lo siguiente para cada año desde 1959 hasta 2014: (1) emisiones de carbono de la combustión de combustibles fósiles y producción de cemento, (2) emisiones de carbono del cambio de uso de la tierra (es decir,conversión de bosques en agricultura, como en la agricultura de roza y quema), (3) absorción de carbono por la atmósfera, (4) absorción de carbono por los océanos y (5) absorción de carbono por la biosfera terrestre. El gráfico a continuación muestra los cambios en esos cinco procesos desde 1959 hasta 2010. Las emisiones antropogénicas de carbono (combustión de combustibles fósiles, producción de cemento y cambio de uso de la tierra) han valores negativos ya que esos procesos representan un pérdida de carbono de una esfera particular (es decir, la quema de combustibles fósiles libera carbono de la litosfera, que actúa como un fuente). Un valor positivo indica que una esfera (p. Ej., Atmósfera, hidrosfera y biosfera) ha ganado carbono (es decir, esa esfera actúa como una lavabo). La biosfera atmosférica, oceánica y terrestre puede tener valores positivos o negativos ya que pueden actuar como fuentes o sumideros. Quizás se pregunte por qué no estamos trabajando con datos más recientes que 2014. El Centro de análisis de información de dióxido de carbono (CDIAC), que nos proporciona la mayoría de los datos de este laboratorio, se cerró en 2016.

El gráfico a continuación muestra la cantidad de carbono liberado de las fuentes principales y absorbido por los sumideros principales de 1959 a 2014. Al examinarlo, debería pensar en la relación entre la cantidad de carbono liberada por las fuentes y absorbida por el sumideros durante los 55 años mostrados, así como las tendencias en esos procesos durante ese período de tiempo.


P11: ¿Cuál ha sido la tendencia general en los tamaños de fuentes y sumideros desde 1959 hasta 2014?



Q12: Para cada año, ¿cuál es la relación entre la magnitud de las emisiones de carbono y la magnitud de la absorción de carbono?



Ahora, veremos las tendencias en esos mismos datos un poco más de cerca a través del poder de Microsoft® Excel. Hacer clic CarbonEmissions_1959-2014 para abrir el archivo Excel de interés. Este archivo contiene las emisiones anuales de carbono (en petagramos) de 1959 a 2014 por la combustión de combustibles fósiles y el cambio de uso de la tierra (principalmente roza y quema). Haga lo siguiente para crear un gráfico a partir de los datos de ese archivo:

  • Seleccione las celdas de las filas 4 a 60 de las columnas A, B y C.
  • En la pestaña Insertar, seleccione Línea y luego elija la primera línea 2-D.
  • El gráfico resultante muestra las emisiones anuales de la combustión de combustibles fósiles de carbono y el cambio de uso de la tierra.

P13: ¿En qué se diferencia la tendencia de las emisiones de combustibles fósiles de la tendencia del uso de la tierra? cambiar las emisiones?


P14: Para la fuente que tuvo el mayor aumento durante esos años, ¿qué ¿Crees que fue el responsable de ese aumento?



Los datos de Excel nos permitieron observar las tendencias en las emisiones y la absorción de carbono de diversas fuentes y sumideros a lo largo del tiempo. Nos gustaría acercarnos a una de esas fuentes, la combustión de combustibles fósiles, y tratar de identificar los lugares donde las emisiones de esa fuente cambiaron más. tiempo. El ahora desaparecido CDIAC desarrolló mapas de emisiones de carbono de combustibles fósiles para todos los años desde 1781 hasta 2010. Haga clic en Emisiones de carbono 1950-2010 para abrir el archivo en Google ™ Earth, vea cómo han cambiado las emisiones de carbono entre 1950 y 2010. Mire CO a nivel de país2 emisiones en 2014 para responder a la P18.

/> P15: ¿De qué regiones / países se emitió la mayor parte del carbono en 1950?


/> P16: ¿Qué país tuvo la mayor cantidad de emisiones en 2014?



A continuación, centrémonos en los cambios en el carbono se hunde tiempo extraordinario. El siguiente gráfico muestra la absorción anual de carbono (en petagramos) por la atmósfera, los océanos y la biosfera terrestre desde 1959 hasta 2014.


/> P17: ¿Cuál ha sido la tendencia general en la cantidad de carbono absorbido por atmósfera, océanos y biosfera terrestre durante los últimos 50 años o más?


/> P18: ¿En qué se diferencia la absorción de carbono durante 2005-2014 de la absorción de carbono durante 1959-1968? ¿A dónde se ha ido cada vez más carbono?

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Hacer clic CO2_2010 para abrir el archivo en Google ™ Earth y ver los cambios en el CO mensual2 concentraciones en 2010. Estos datos se obtuvieron de dos sensores (la sonda infrarroja atmosférica y la unidad de sonda avanzada de microondas A) a bordo del satélite Aqua de la NASA.

En el archivo de Google ™ Earth, gire el globo terráqueo para que pueda ver Norteamérica y Sudamérica al mismo tiempo. Vuelva a reproducir la animación para responder a la siguiente pregunta.

P19: Como hacer CO2 las concentraciones varían entre el hemisferio norte y el hemisferio sur? ¿Por qué las concentraciones son más altas en un hemisferio en comparación con el otro?


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En el Laboratorio de Troposfera, aprendimos sobre la Ley de Aire Limpio en los Estados Unidos en la que se aprobaron diferentes conjuntos de regulaciones que controlan varios contaminantes en el aire en 1970, 1977 y 1990. Como parte de la comprensión del impacto de esa Ley, usted miró en el efecto sobre los niveles de PM10, NOX, y entonces2 emisiones, y debería haber notado una disminución en las emisiones contaminantes. Con respecto a las fuentes de los contaminantes, aprendió lo siguiente en el Laboratorio 4 (Contaminación del aire): (1) procesos industriales (por ejemplo, chimeneas en fábricas) ha sido la mayor fuente de PM10 (2) los vehículos de motor ha sido la mayor fuente de NOX y (3) La producción de electricidad (es decir, plantas de energía) ha sido la mayor fuente de SO2.

P20: ¿Por qué no & # 8217t CO2 las emisiones disminuyen de 1970 a 2010 como SO2 y noX las emisiones hicieron?

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En el día 1 de este laboratorio, nos enfocamos en el ciclo del carbono en términos de fuentes y se hunde. En las primeras partes de este laboratorio, el énfasis se ha puesto en la actividad humana, principalmente la quema de combustibles fósiles, como una fuente adicional de carbono que se emite a la atmósfera. Al igual que con cualquier sistema de la naturaleza, las otras partes del sistema pueden responder a tal estrés en el sistema. equilibrio. Por ejemplo, una respuesta de las partes del sistema del ciclo del carbono al aumento de CO2 Los niveles de combustión de combustibles fósiles podrían aumentar la absorción de CO2 por las plantas verdes para impulsar la fotosíntesis.

Dada la importancia de este proceso, dirijamos nuestra atención a la biosfera terrestre como sumidero de carbono. Como se muestra en la imagen superior a continuación, biosfera terrestre absorbe aproximadamente tres petagramos de carbono al año. Cuando vea las dos palabras & # 8220 biosfera terrestre & # 8221, debería pensar en los bosques. Hay tres tipos generales de bosques en todo el mundo: (1) bosques tropicales, que son predominantemente bosques de hoja ancha siempreverdes, (2) bosques templados, que tienen diferentes tipos de árboles como resultado de las variaciones anuales de temperatura, y (3) bosques boreales, que son predominantemente bosques siempreverdes de hojas de aguja. Hacer clic Cubierta terrestre MODIS para abrir el archivo en Google ™ Earth e incluir la ubicación de estos diferentes tipos de bosques. La información de la cobertura terrestre se obtuvo a partir de los datos del instrumento MODIS (espectrorradiómetro de imágenes de resolución MODerada) del satélite Terra de la NASA.

P21: ¿Identifique un lugar en el mundo donde haya (1) bosque tropical, (2) bosque templado y (3) bosque boreal?

P22: ¿Cuál de los tres bosques cree que es el mayor sumidero de carbono y por qué?



En la Parte 1 de este laboratorio, aprendió que las plantas verdes dentro de la biosfera terrestre pueden actuar como sumideros de carbono, ya que generan CO2.2 y agua en carbohidratos a través de la fotosíntesis, y como fuente de carbono, a medida que respiran CO2 producido por el metabolismo de los carbohidratos cuando las plantas necesitan energía. Lo que es realmente importante saber es cuánto más carbono absorbe la fotosíntesis del que se libera a través de la respiración. Esto se conoce como norteet pagrimary pagproducción (NPP). Los valores positivos de NPP indican que la fotosíntesis absorbió más carbono que el liberado por la respiración (es decir, que la biosfera terrestre actuaba como sumidero de carbono); los valores negativos indican la situación opuesta.

NPP cambia con el tiempo y el espacio. Podemos explorar estos cambios durante un año haciendo clic en NPP_2010 para abrir este archivo en Google ™ Earth y ver la animación de la variación de los valores de NPP para diferentes lugares durante ese año. Los datos provienen del instrumento MODIS de la NASA. Los valores van desde cerca de 0 gramos de carbono por metro cuadrado por día hasta 6,5 ​​gramos por metro cuadrado por día.

P23: ¿Qué bosques tienen grandes valores positivos de NPP durante cada mes (es decir, qué bosques tienen un color verde durante todo el año)?



P24: ¿Por qué estos bosques tienen pequeñas diferencias estacionales en NPP?

Después de ver los valores de NPP para cada mes de 2010, ahora debería volver a revisar su respuesta a la Pregunta 24.

P25: ¿Cuál de los tres bosques cree que es el mayor sumidero de carbono y por qué?



Los científicos todavía están tratando de averiguar cuál de los tres tipos de bosques es el mayor sumidero de carbono. Las tres imágenes siguientes proporcionan información reciente sobre el sumidero de carbono de la biosfera terrestre. Las dos primeras imágenes son las primeras páginas de dos artículos de la revista. Ciencias, mientras que la tercera imagen es una parte de la Tabla 1 de la segunda Ciencias artículo.

Observe cómo la estimación en la tabla (2.41 Pg) anterior casi coincide con las 3 Pg en el diagrama anterior y que se muestra a continuación.


P26: ¿Cuál de los tres bosques parece ser el mayor sumidero de carbono, especialmente durante el período 1990-1999?

P27: ¿Por qué cree que es probable que la absorción de carbono en las áreas de bosques tropicales haya disminuido entre 1990-1999 y 2000-2007? Sugerencia: Piense en lo que aprendió anteriormente sobre Brasil.

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Al igual que con la biosfera terrestre, los océanos (el componente más grande de la hidrosfera) pueden funcionar como fuente de carbono o como sumidero de carbono. Mire la imagen a continuación como un recordatorio de los diferentes procesos mediante los cuales el océano puede actuar como sumidero de carbono y fuente de carbono.

Normalmente, los océanos absorben aproximadamente dos petagramos de carbono cada año. Más específicamente, los océanos han absorbido la mitad de todo el CO2 emitida por las actividades humanas desde la época preindustrial. Con el aumento de la producción de CO2 por los seres humanos durante los dos últimos siglos, se ha añadido cada vez más carbono a los océanos. Cuando CO2 entra al océano, se produce una serie compleja de reacciones en las que el dióxido de carbono se transforma en ácido carbónico (al reaccionar con el agua), el ácido carbónico se rompe en iones de hidrógeno e iones de bicarbonato (que se encuentran en el bicarbonato de sodio), y algunos El porcentaje de iones de hidrógeno se combina con iones de carbonato (que se encuentran en la sosa de lavado) para formar iones de bicarbonato adicionales. Por qué no es importante recordar todas las partes de esa compleja serie de reacciones, es valioso comprender uno de sus efectos: la eliminación de iones de carbonato que dificulta a los organismos marinos (conocido como calcificadores) para cultivar conchas.

Q28: ¿Qué otros efectos cree que tiene el CO antropogénico?2 las emisiones que están teniendo en los organismos marinos además del impacto en los calcificadores descrito anteriormente?



Como resultado de los datos recopilados en Hawái, podemos comprender mejor los efectos de las crecientes cantidades de CO2 que los océanos están absorbiendo. Los científicos que trabajan en el programa Hawaii Ocean Time-series (HOT) han estado haciendo repetidas observaciones de la hidrografía, la química y la biología de la columna de agua en una estación al norte de Oahu, Hawaii, EE. UU. desde octubre de 1988. Como ha visto anteriormente en esta práctica de laboratorio, las mediciones de CO atmosférico2 concentraciones en Mauna Loa, Hawaii se han realizado desde 1958. Haga clic en HOT_MaunaLoa para abrir el archivo en Google ™ Earth y ver la ubicación de las mediciones HOT en relación con la estación Mauna Loa. La siguiente imagen muestra los cambios en el CO atmosférico2 concentraciones y la cantidad de CO disuelto2 en el medio del Océano Pacífico (es decir, Hawai). Como CO atmosférico2 las concentraciones aumentan la cantidad de CO2 disuelto en agua de mar también aumenta.


Como se señaló anteriormente, los cambios en la cantidad de CO2 en el agua de mar también afectará el pH del agua, así como la disponibilidad de iones de carbonato. La imagen de la izquierda a continuación muestra los cambios en el pH del agua de mar y la concentración de iones de carbonato cerca de Hawai. El mismo diagrama de pH que vio en el laboratorio 3 se muestra nuevamente a continuación.


Influencias humanas en el ciclo global del carbono

Los seres humanos han ejercido una enorme influencia en el ciclo global del carbono, principalmente a través de la deforestación y la quema de combustibles fósiles. En esta sección, exploramos cómo estos procesos han llevado a cambios en la dinámica del carbono en la atmósfera.

Quema de combustibles fósiles

Otra vía para que el carbono se mueva desde el depósito de roca sedimentaria a la atmósfera es a través de la quema de combustibles fósiles por parte de los humanos. Los combustibles fósiles incluyen petróleo, gas natural y carbón, todos los cuales se producen mediante la transformación lenta del carbono orgánico depositado en rocas sedimentarias, esencialmente los restos fosilizados de plantas marinas y terrestres. En general, esta transformación lleva muchos millones de años, la mayor parte del petróleo y el gas que ahora extraemos de las rocas sedimentarias tiene una antigüedad del orden de 70 a 100 millones de años. Los nuevos combustibles fósiles tardan mucho en formarse, y los estamos consumiendo mucho, mucho más rápido de lo que se están formando, lo que significa que si seguimos usando combustibles fósiles al ritmo que lo hacemos hoy, ¡nos agotaremos! Esta fecha de agotamiento depende de nuevos descubrimientos y de nuestra capacidad para extraer combustibles de manera más eficiente mediante procesos como el fracking, pero estaremos cerca de agotarnos a fines de este siglo.

Estos combustibles fósiles se componen principalmente de carbono e hidrógeno. Por ejemplo, el metano, el componente principal del gas natural, tiene una fórmula química de CH4 El petróleo es un compuesto más complejo, pero también incluye carbono e hidrógeno (junto con nitrógeno, azufre y otras impurezas). La combustión de combustibles fósiles implica el uso de oxígeno y la liberación de dióxido de carbono y agua, como se representa en la siguiente descripción de la quema de gas natural:

Desde el inicio de la revolución industrial a finales del siglo pasado, los seres humanos han estado quemando cantidades cada vez mayores de combustibles fósiles como nuestra principal fuente de energía.

Como consecuencia, la cantidad de CO2 emitida por esta quema ha experimentado un aumento exponencial que sigue al aumento exponencial de la población humana. La magnitud de este flujo es actualmente de alrededor de 9 Gt C / año. Este número también incluye el CO2 generado en la producción de cemento, donde se quema piedra caliza, liberando CO2.

Como puede ver en el gráfico anterior, este flujo ha cambiado considerablemente a lo largo del tiempo, a medida que la población humana ha aumentado y nuestras economías se han vuelto más industrializadas con una gran sed de energía procedente de la combustión de combustibles fósiles. El modelo en el que trabajaremos dentro de la actividad de laboratorio para este módulo incluye esta historia, comenzando en 1880 y hasta 2010 más allá de 2010 es el ámbito de las proyecciones futuras, que pueden modificarse para explorar las consecuencias de las elecciones que podríamos hacer o no hacer en el futuro. Parte de la nueva economía energética que es clave para nuestro futuro es el uso de las llamadas fuentes de energía renovables, incluidas la energía eólica, solar y geotérmica, que emiten poco o nada de carbono. Hay algunas representaciones de vista de mapa interesantes de esta historia de emisiones de carbono de combustibles fósiles en el video a continuación:

Video: Emisiones anuales de CO2 de combustibles fósiles (2:03) Este video no está narrado.

Si el video no se reproduce, puede verlo en YouTube: Emisiones anuales de CO2 de combustibles fósiles

Cambios en el uso de la tierra: quema de bosques y alteración del suelo

La otra forma de alteración humana del ciclo global del carbono es a través de la tala y quema de bosques y la alteración de los suelos asociados con la agricultura. Cuando ocurre la deforestación, la mayor parte de la materia vegetal se deja descomponer en el suelo o se quema, siendo esta última la ocurrencia más común. Este proceso reduce el tamaño (la masa) del reservorio de biota terrestre y la quema agrega carbono a la atmósfera. Los cambios en el uso de la tierra distintos de la deforestación también pueden agregar carbono a la atmósfera. La agricultura, por ejemplo, implica la labranza del suelo, lo que conduce a una descomposición y oxidación muy rápida de la materia orgánica del suelo. Esto significa que en términos de un sistema, estamos hablando de dos flujos separados aquí: uno que drena el reservorio de biota terrestre y el otro que drena el reservorio del suelo, ambos flujos transfieren carbono a la atmósfera. Las estimaciones actuales sitúan la adición total a la atmósfera de la quema de bosques y la alteración del suelo en alrededor de 2-3 Gt C / año. Las estimaciones dividen esto en 70% a 50% de quema de bosques, y la alteración del suelo constituye el resto.

Deforestación

La historia real de esta alteración del ciclo natural del carbono no está bien restringida, no es tan conocida como la historia de la quema de combustibles fósiles, pero incluimos una historia razonable que refleja los patrones de asentamiento de tierras y tala de bosques.


Una contribución invitada a la miniserie "Enhanced rock weathering" editada por David Beerling.

Publicado por la Royal Society. Reservados todos los derechos.

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El ciclo global del carbono

Hank de Crash Course nos guía a través del ciclo del carbono: un "montón de cosas que viven y mueren, y en el proceso intercambian carbono".

Tú y yo comenzamos este viaje hace un año cuando te presenté este método espectacular para entender el mundo. Mientras que la física explica la mecánica del universo y la biología describe cómo funciona la vida e interactúa consigo misma, la química se encuentra en medio. En nuestro próximo curso, nos complace anunciar que exploraremos la psicología, el estudio de las funciones mentales y el comportamiento humanos. La química nos ha aportado grandes conocimientos incluso sobre ciencias tan complicadas como la psicología, como cómo los neurotransmisores nos permiten sentir ansiedad y las hormonas nos dan nuestros deseos.

Pero antes de profundizar en el nivel de su cerebro y torrente sanguíneo, quiero cerrar este curso con una charla sobre química a escala global. Ciertamente más grande que tu mente, ¡aunque no estoy seguro de que sea más complicado! Aunque es complicado. Y también aterrador. Hablemos de una pequeña cosa llamada "calentamiento global" y el aumento de las concentraciones de CO2 atmosférico que lo están causando.

Estoy seguro de que lo sabe. Pero la conciencia no es lo mismo que la comprensión, y si tuviera un último intento de persuadirlos de que la química es importante, lo cual hago, les hablaría sobre el ciclo del carbono, que es lo que estoy a punto de hacer. De toda la química que ocurre en este planeta, el ciclo del carbono es lo que hace que la Tierra sea "terrestre", única entre los planetas que conocemos y entendemos. La atmósfera de la Tierra primitiva estaba compuesta de amoníaco, metano, nitrógeno y dióxido de carbono, entre otras cosas, pero esencialmente no había oxígeno libre.

Muchos de estos gases, incluido el CO2, son lo que llamamos "gases de efecto invernadero", porque absorben energía térmica aumentando así la temperatura media en la Tierra. Cuando llegaron las plantas con su elegante fotosíntesis, consumieron la mayor parte del dióxido de carbono de la atmósfera. Usaron ese carbono para crear vida, convirtiendo el dióxido de carbono en un bien escaso, mientras producían enormes cantidades de oxígeno para crear una atmósfera completamente nueva. Estos cambios no solo sirvieron para abrir la atmósfera de la Tierra, permitiendo que enormes cantidades de cabeza se irradiaran de regreso al espacio, sino que también crearon una enorme reserva de formas orgánicas de carbono altamente energéticas que son utilizadas como combustible por los seres vivos. Incluyéndonos a nosotros.

El carbono orgánico o, en el lenguaje de los químicos, "carbono reducido", es el equivalente natural de una batería. Los organismos pueden obtener energía alimentándose de compuestos orgánicos de carbono y luego oxidando el carbono reducido de nuevo a dióxido de carbono. Muchos organismos son buenos en esto. Ningún organismo es tan bueno en esto como nosotros. El papel del carbono en la biología y la física de nuestro planeta no tiene paralelo. Es la ruta principal para la transferencia de energía entre organismos, y es la principal forma en que atrapamos el calor en nuestra atmósfera, y es por eso que cuando hablamos de calentamiento global hablamos de carbono: huellas de carbono, créditos de carbono, carga de carbono.

Entonces, terminemos nuestro estudio del universo químico yendo no todo el camino de regreso al cuadro 1, sino al cuadro 6. en la tabla periódica! Así es, tenemos una tabla periódica diseñada por Thought Café. Es un hermoso curso intensivo: tabla de períodos de química, es bastante grande y lo desea, y está disponible por $ 15 en dftba.com.

Dado que el carbono es la materia de la vida, una de las mejores formas de entender el ciclo del carbono es simplemente un montón de cosas que viven y mueren, y en el proceso intercambian carbono. Aquí está la versión de 30 segundos. Las plantas utilizan el carbono del CO2 atmosférico para producir azúcares y otros carbohidratos para crecer y reproducirse. Muchas de esas plantas terminan siendo devoradas por otros organismos que les proporcionan los componentes básicos de otras moléculas biológicas y combustible.

Después de ser metabolizado, el carbono regresa al medio ambiente de varias formas diferentes y termina en el aire, el agua o la tierra misma. A partir de ese momento, se libera de forma natural o los humanos lo extraen; en cualquier caso, el dióxido de carbono regresa a la atmósfera y comienza de nuevo. Así que hablemos de esas plantas verdes y qué es exactamente lo que hacen.

La fotosíntesis es un proceso extremadamente complejo y puede ocurrir de dos formas diferentes, dependiendo del organismo. Pero el punto principal es absorber dióxido de carbono del medio ambiente y utilizar un proceso llamado fijación de carbono para convertirlo en compuestos orgánicos como azúcares. Se llama fijación porque toma carbono en forma de gas, dióxido de carbono, y lo solidifica en compuestos sólidos de carbono. Una reacción general se ve así. Tenga en cuenta que el CH2O no es realmente una cosa, es una fórmula reducida que representa un carbohidrato simple, un compuesto que se compone de carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción de 1 a 2 a 1. En la vida real, hay todo tipo de carbohidratos y suelen ser mucho más grandes, pero los químicos usan esta versión simplificada para ilustrar la reacción básica.

Y la reacción es básicamente la misma con cualquier hidrocarburo, pero probablemente lo haya visto escrito con más frecuencia con glucosa. De esta forma decimos que 6 moles de dióxido de carbono más 6 moles de agua más algo de energía lumínica producen un mol de glucosa más 6 moles de oxígeno. De cualquier manera, es posible que haya notado algo importante: ¡esta es una reacción redox! El carbono se reduce, pasando de un número de oxidación de más 4 a 0, y el oxígeno pasa de negativo 2 a 0, lo que significa que el oxígeno se oxida. ¡Puede pasar! Y los carbohidratos producidos por estas reacciones de fijación de carbono son la moneda más buscada entre los seres vivos de la Tierra, porque los organismos pueden usarlos de dos formas diferentes: como material de construcción y como combustible. Algunos carbohidratos pasan por reacciones adicionales para volverse aún más complejos. Mientras tanto, otros carbohidratos, los que se utilizan para producir energía, pasan por un proceso llamado respiración celular.

Al igual que la fijación de carbono, la respiración es una bomba de reacciones de racimo extremadamente compleja, por lo que normalmente la condensamos también en una reacción bastante simple. La reacción general de la respiración es esencialmente la inversa de la fijación de carbono. Un carbohidrato y algo de oxígeno reaccionan para producir dióxido de carbono, agua y energía. Nuevamente, esto se escribe más comúnmente con glucosa, por lo que también lo haremos aquí. Y al igual que la fijación de carbono, también es una reacción redox. En este caso, el oxígeno se reduce de un número de oxidación de 0 a -2, y el carbono se oxida de 0 a + 4. Así es, las células de los seres vivos reoxidan el carbono reducido y vuelven a reducir el oxígeno oxidado para producir todo la energía que mantiene vivos a los seres vivos.

Pero a pesar del hecho de que estas dos reacciones parecen exactamente opuestos entre sí, incluso hasta los cambios en sus números de oxidación, es importante recordar que son solo resúmenes. Los procesos generales en realidad incluyen muchos pasos que son completamente diferentes entre sí. Ahora, después de que los organismos metabolizan los carbohidratos, el carbono puede volver a liberarse al mundo de varias formas. Por un lado, se libera una gran cantidad de dióxido de carbono como producto directo de la respiración celular: para usted y para mí eso sucede principalmente cuando exhalamos, y los fotosíntesis pueden reciclar el dióxido de carbono de inmediato. Para los organismos que viven en el agua, el carbono que liberan en gran medida termina disuelto en esa agua, y los océanos y otras aguas superficiales también pueden disolver dióxido de carbono directamente del aire. No importa cómo llegue allí, el dióxido de carbono reacciona con el agua para formar ácido carbónico: un ácido débil que se disocia en iones de hidrógeno y bicarbonato.

Los iones de hidrógeno pueden reaccionar con varias rocas y otras sustancias en reacciones de neutralización bastante típicas. Esto da como resultado un desgaste que, además de derretir las caras de las estatuas, produce cosas que forman arcillas. Pero los iones de carbonato tienen un montón de funciones, especialmente en los animales marinos, que los utilizan para construir sus caparazones y esqueletos en forma de carbonato de calcio. El carbono permanece atrapado allí hasta que esos animales mueren y sus estructuras se descomponen, lo que ocurre en escalas de tiempo geológicas enormes y muy lentas.

Y si las condiciones son las adecuadas, como en las presiones y temperaturas súper altas en la corteza terrestre, grandes depósitos de carbonato de calcio pueden eventualmente formar rocas como piedra caliza. Y antes de que empieces a pensar que la roca es aburrida, debes saber que alrededor del 80 por ciento de todo el carbono del planeta está bloqueado de esta manera, como carbonatos inorgánicos en la corteza y el manto o litosfera de la Tierra.

La mayor parte del 20 por ciento restante también se distribuye por toda la litosfera, como carbono orgánico procedente de materia orgánica enterrada. Entonces, ¿esos depósitos de carbonato con los que todo el mundo está tan obsesionado, esos combustibles fósiles que usamos para alimentar todas las cosas? Representan solo el 0,006 por ciento de todo el carbono de la Tierra. Esos depósitos de carbono llegaron allí de los cadáveres de otros organismos, como plantas que lograron no ser devoradas o que su carbono se liberó de alguna otra manera. De ahí el nombre de combustibles fósiles, las cosas muertas que hoy conocemos como carbón, petróleo y gas natural.

La reacción química general para la combustión de esos combustibles es solo un hidrocarburo que reacciona con el oxígeno molecular para formar dióxido de carbono y vapor de agua. Por ejemplo, cada mol de metano, el hidrocarburo más simple, reacciona para formar 1 mol de dióxido de carbono. Y, por supuesto, también se trata de una reacción redox, en la que el carbono se oxida completamente de –4 a + 4, y el oxígeno se reduce de 0 a –2.

La combustión es un tipo de reacción extremadamente común. El único cambio que ocurre de un ejemplo a otro es el hidrocarburo y, obviamente, a medida que se utilizan hidrocarburos más grandes y complejos, aumenta la producción de CO2 por mol de combustible. ¿Qué pasa con la gasolina, por ejemplo? La combustión de octano, un ingrediente principal de la gasolina, produce 8 moles de dióxido de carbono por cada 1 mol de combustible utilizado. Un mol de octano equivale a solo 0,15 litros o 0,041 galones, pero esos 8 moles de CO2 ocupan casi 180 litros de espacio a presión y temperatura estándar. Este dióxido de carbono se libera de nuevo a la atmósfera donde vuelve a entrar en el ciclo del carbono. El problema con todo esto es que el medio ambiente solo puede reabsorber alrededor del 40 por ciento de los 30 millones de toneladas, o gigatoneladas, que los humanos producen anualmente, por lo que tenemos un excedente de aproximadamente 18 gigatoneladas de CO2 cada año, y ese número va cada año.

El exceso permanece en la atmósfera atrapando el calor del sol haciendo que las temperaturas suban. Y sí, también hay otros gases de efecto invernadero: metano, ozono, incluso vapor de agua, por nombrar algunos, pero ninguno de estos está aumentando en abundancia al ritmo que aumenta el dióxido de carbono. La buena noticia es que ahora comprende el problema mejor que hace 10 minutos y comprende las situaciones en el primer paso para mejorarlo. En realidad, eso se aplica a todas las situaciones, no solo a las relacionadas con la química, así que sigue prestando atención a lo que sucede en el mundo que te rodea, sigue aprendiendo ciencias y nunca dejes de preocuparte.

Y gracias por la diferencia que han hecho al ver este episodio de Crash Course Chemistry y todo este curso de Crash Course Chemistry, que espero que hayan visto. En este episodio aprendiste que el ciclo del carbono incluye la fijación del carbono, la respiración tanto celular como macroscópica en los seres vivos y la deposición en la piedra caliza y los combustibles fósiles, y que muchas de las reacciones químicas involucradas en el ciclo del carbono son reacciones redox. Y, finalmente, aprendió, desde la perspectiva de la química, exactamente por qué la quema excesiva de combustibles fósiles daña el medio ambiente.