Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2010 (18.1) – 33ISSN: 1132-9157 – Pags. 33-46

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osCiclo del carbono y clima: la perspectiva geológica

Carbon Cycle and Climate: the geological perspective

Javiermartín-ChiveletDepartamento de Estratigrafía, Instituto de Geología Económica (CSIC-UCM), Facultad de Ciencias Geológicas, Universidad Complutense de Madrid, 28040 Madrid. C/e: j.m.chivelet@geo.ucm.es

Resumen ElciclodelcarbonoaglutinalosalmacenesdeeseelementoenelsistemaTierra(litosfera,hidrosfera,biosfera,atmósferayrizosfera)ylosflujosqueseproducenentreellos.Lascapacidadesdeesosalmacenesylastasasdeintercambioentreellossonextraordinariamentediversasporloque,segúnlaescalatemporalconsiderada,encontraremosdiferentes“ciclos”delcarbono.Aescalastemporalesdemillonesdeaños,losflujossonlentosyseproducenentrelalitosferayel“sistemadesuperficie”,definiendoelciclodelcarbonodelargotérmino,unconceptodiferentedelmásdifundidociclodelcarbonoaescalastemporalesbreves(deañosasiglos),querecogelosrápidosflujosentrelaatmósfera,lahidrosfera,labiosferaylarizosfera,yquehoyesanalizado“entiemporeal”.Entreesasperspectivastemporalesextremasexistensituacionesintermedias,queprecisandeladefinicióndenuevosciclosrelativosaesasescalasdetiempo.

Enestetrabajonoscentramosenelciclodelcarbonodelargotérmino,analizandolosmecanismosquelocontrolanylasconsecuenciasquehantenidosobrelahistoriaambientaldelaTierraduranteelFanerozoico.Tambiénanalizamossituacionesdecambioenelciclodelcarbonoaescalastemporalesintermedias,comoloshipertermalesylasglaciacionesdelCuaternario.Entenderelciclodelcarbonodesdeunaperspectivageológicaresultahoyesencialparavalorarlaperturbaciónglobalqueelcicloestáexperimentandoenlaactualidadysusposiblesconsecuenciasfuturas.

Palabrasclave:Ciclodelcarbono,cambioclimático,CO2,paleoclimatología

Abstract The carbon cycle involves the carbon reservoirs in the Earth system (i.e., lithosphere, hydrosphere, biosphere, atmosphere, and rhizosphere) and the carbon fluxes occurring among them. The capacity of each reservoir and the exchange rates are strongly diverse, and because of this, depending on the considered time perspective, different “cycles” will arise. At time scales of millions of years, carbon fluxes are slow and take place essentially between the lithosphere and the “surface system”, these defining the long-term carbon cycle, notably different to the more popular short-term carbon cycle (time scales of years to centuries) which involves the fast fluxes occurring among the biosphere, the oceans, the soils, and the atmosphere. Between the long- and the short-term cycles, many intermediate-scale situations appear which need of new cycle definitions according to time scales.

This review concentrates in the long-term carbon cycle, its controlling mechanisms and its consequences during the environmental history of the Fanerozoic. Also, intermediate time-scale carbon perturbations are considered, as the so-called hyperthermals and the Quaternary glaciations. A firm understanding of the carbon cycles from a geological perspective is critical for understanding and evaluating the global perturbation that the cycle is now experiencing, as well as its future consequences.

Keywords: Carbon cycle, climate change, CO2, paleoclimatology .

CO2: PRESENTE Y PASADO

El rasgodefinitoriodelcambioclimáticoactualeselascensodetemperaturasacaecidoduranteelsiglo XX. Este ascenso, que ha afectado de formadesigualalatitudesmediasybajasyazonasconti-

nentalesymarinas,seestimaen0,8°Cdepromedioglobal,valorqueasciendea1,0°CsiconsideramosúnicamenteelHemisferioNorte(Joneset al.,2010),yquesubeaúnmásparalatitudesmediasconclimacontinental,comoelcentrode laPenínsula Ibérica(>2°C,Moreno,2005).Estecalentamientoseasocia

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esencialmentealincrementodelefectoinvernadero,inducidoporlainyeccióndeingentescantidadesdeCO2enlaatmósferamediantelaquemadecombus-tiblesfósilesydeotrasactividadeshumanas(IPCC,2007). A pesar de que existe un fuerte consensoentreloscientíficossobreestosaspectos,endeter-minadosámbitoslos“escépticos”sobrelarelaciónentrecambioclimáticoydióxidodecarbonoaludenconfrecuenciaalpasadogeológicoyenconcretoaetapasen lasque laconcentracióndelCO2atmos-férico pudo ser muy superior a la actual (hasta deunordendemagnitud),yenlasquelascondicionesparalavidaenlaTierrapudieronsertanbuenas(oquizásno)como lasactuales.Enesta revisiónnoscentraremosenelCO2comofactorde forzamiento

climáticoenelpasadoyenelciclodelcarbonocomomotordelasvariacionesdelCO2atmosféricoadis-tintasescalastemporales.Yanalizaremoslasimpli-cacionesnadahalagüeñasquetienenuestroconoci-mientodelpasadoenlasituacióndecambioactual.

Lasmedicionesdirectasdelaconcentraciónat-mosféricadeCO2reflejanunincrementodeun22%para losúltimos50años (de317hasta387ppmv,Figura1).Setratadeunasubidamuyrelevante,queseproduceenunlapsodetiempomuybreve.Cabepreguntarsecómovalorarlayparaellonecesitamosencuadrarla en el tiempo. Desgraciadamente lasmedidasinstrumentalesnovanmásalládemedia-dosdelSXX.¿Cómohacerloentonces?Recurrimosa lapaleoclimatología,disciplinaemergenteen lascienciasdelaTierraqueresultadelesfuerzosinérgi-codegeólogos,biólogos,geoquímicos,geofísicos,arqueólogos, etc., y que analiza la variabilidad cli-mática del pasado, sus causas (factores de forza-miento climático) y sus consecuencias (impactosambientales,biológicosysociales).

UNA APROXIMACIÓN METODOLÓGICA

Es fácil entender que los climas del pasado sereconstruyen a partir de la información paleoam-bientalquenosdanlosfósiles,lasrocasolosrestosarqueológicos, pero ¿cómo se estiman las concen-traciones de CO2 en la atmósfera de las distintasépocas geológicas, de las más remotas a las másrecientes?Lasaproximacionespuedensermuydife-rentes,ynosiempremuyintuitivas.Losresultadostambiénsonvariables:

Indicadores directos: aire fósil Nos dan información directa sobre la concen-

tración de gases de efecto invernadero (GEI) en laatmósferaentiemposremotos.Elejemplomásob-viosonlaspequeñasburbujasdeairequequedanatrapadas en el hielo glaciar una vez que la nievede precipitación se ha compactado. Esas burbujasquedan totalmente aisladas del aire del entorno yconformanpequeñosvestigiosde laatmósferadelpasado. La cronoestratigrafía del hielo nos permi-te situar esa composición atmosférica relicta en eltiempoy,conello,reconstruirlasvariacionesenlaconcentracióndeGEI.Peroesemétodotienelalimi-tación del rango del registro: el hielo más antiguoinvestigadohastaahoraesdehace800.000años,unapequeñaproporcióntemporalsilacomparamosconlahistoriadenuestroplaneta.

Indicadores indirectos: sedimentos, fósiles...Se trata de información indirecta que obte-

nemosapartirde“proxies”:elementosgeológi-cosquefueronsensiblesalosnivelesdeCO2dela época en que se desarrollaron. Son métodosmás complejos que los anteriores y la informa-

Fig. 1.-Cambios en la concentración de CO2 atmosférico a diferentes escalas temporales, desde las últimas décadas a los últimos 500 millones de años. Fuentes de los gráficos: a) Modelo GEOCARB III (Berner y Kothavala, 2001); b) Sondeo de hielo antártico de Vostok (Petit et al., 1991); c) Gráfica sintética de varios sondeos de hielo realizados en Gorenlandia y la Antártica, completado con los datos instrumentales de Mauna Loa (http://www.climate.unibe.ch/gallery_co2.html); d) Datos instrumentales del observatorio Mauna Loa en Hawai (NOAA Earth System Research Laboratory Scripps Institution of Oceanography, http://www.esrl.noaa.gov).

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ción que se obtiene es mucho más incompleta.Algunos ejemplos desarrollados en las últimasdécadas:

– Análisis de los estomas de plantas continen-tales fósiles (McElwainet al., 1995;Retallak,2001;BeerlingyRoyer,2002).Hoysabemosqueelíndiceestomatalde lashojas (relacióndecélulasepidér-micasquesonestomas)demuchasplantasactualesguardaunarelacióninversaconlaconcentracióndeCO2enelaire(aunquetambiéndepende,enmenormedida, de otros factores como la humedad y latemperatura).Conociendoesarelación,elíndicees-tomatalpuedemedirseenhojasfósilesyasíobtenerunaestimacióndelCO2atmosféricodelaépocaenquecrecieronlasplantas.Lógicamentelafortalezadelaestimaciónserámayorcuandolosrestosfósi-lesconsideradoscorrespondanataxonesexistentesen la actualidad, y menor cuando esto no ocurra,encuyocasodebemosbuscarlamayorproximidadtaxonómicaymorfológicaconplantasactuales.

–Análisis de la relación isotópica 13C/12C en sue-los fósiles(Cerling,1991;Ekartet al.1999).El13Cesunisótopoestablequeseencuentraenlanatura-lezaenunporcentajedel1,07%(frenteal98,93%delmáshabitual,el12C),perocuyaproporciónrealesmuydiferenteenloscompuestosorgánicosylosinorgánicos, dado que durante la fotosíntesis lasplantastomandemaneramuypreferenteel12CO2frente al 13CO2. En los suelos fósiles la relaciónisotópica13C/12C(quepuedemedirseenloscarbo-natosdeorigenedáfico)puedereflejarlarelaciónentrelosaportesatmosféricosybiológicosdelCO2yconelloconseguimosunaestimacióndelacon-centración paleoatmosférica del CO2. El principalproblemaqueentrañaelmétodoesladificultaddesepararotrosfactoresquetambiénintervienenenlacomposiciónisotópicadelossuelos(temperatu-ra,hidrología,cantidadytipodevegetación,etc.).–Análisis de la relación isotópica 13C/12C en biomar-cadores orgánicos procedentes de rocas sedimen-tarias marinas, en concreto, de alkenones proce-dentesdemicroalgas.EstemétodosehaaplicadoesencialmenteamaterialesdelCenozoicoysebasaen la relación entre el CO2 atmosférico, el CO2 di-sueltoenelagua,yelfraccionamientoisotópicodematerialorgánicodurantelafotosíntesis(Paganiet al.,2005).Elprocesoescomplejoypresentanume-rosas dificultades, especialmente para conseguirindividualizarlaseñaldelCO2atmosféricodeotrosfactoresquepuedeninfluirenlarelaciónisotópica(crecimiento celular, nutrientes, temperatura, alte-racióndiagenética...)

CO2 atmosférico a partir de modelos climáticosLos modelos climáticos generan simulaciones

matemáticasmásomenosrealistasdelsistemacli-máticoactual,quepuedenproyectarse,cambiandolas condiciones de contorno, tanto hacia el futuro(sonlabasedelapredicciónclimáticaacortoyme-

dioplazo)comohaciaelpasado(entoncespasanadenominarse “modelos paleoclimáticos”). En estesegundocaso,lascondicionesdepartidadebenmo-dificarse para acoger la paleogeografía y paleoto-pografía del periodo geológico a analizar, y otrosfactoresdeforzamientoclimáticocomolaradiaciónsolar,elalbedo,elefectoinvernaderoyeltransportelatitudinaldecalorenlosocéanos.Comoelclimadelaépocaesconocidoapartirdedatospaleoclimáti-cos, haremos que nuestra simulación se aproximelomásposiblealosdatos,paralocualmodificamoslas variables hasta conseguir el mejor ajuste posi-ble.BarronyMoore(1994),enuntrabajopionero,estimaron que durante el Cretácico medio (haceunos100millonesdeaños,unaépocaglobalmentecálidayconbajogradientetérmicoentreecuadorypolos) lasconcentracionesdeCO2en laatmósferanodebíandeexcederlas1000ppmv,contrariamen-teaotrasestimacionesqueduplicabanestevalor.Estasotrasestimacionessebasabanenelsupuestodequelaselevadastemperaturascretácicasenlospolosprecisabandeunelevadoefectoinvernadero.Sinembargo,alintroducireseforzamientoenelmo-delo, se obtenían a su vez altísimas temperaturasparalazonaecuatorial,norespaldadasporlosda-tospaleoclimáticosyquepodríaninclusoimposibi-litarlavidaoceánicatalycomohoylaconocemos.La resolución de esta paradoja se encontró en laenormeefectividadenlatransmisióndecalordesdelatitudesbajashacialospolosatravésdelosocéa-noscretácicos.Cuandoesefactorseintroducíaenelmodelo,eldesequilibriotérmicolatitudinalseredu-cíaenlasimulaciónylacantidaddeCO2atmosfériconecesariaparareproducirlastemperaturaspolaresdescendíaaesas1000ppmv.

Modelos del ciclo del carbono Son modelos que intentan reproducir los ba-

lancesdemasasglobalesenelciclodelcarbonoa lo largo del tiempo. Se basan en una serie deformulacionesrelativamentesencillasconlasquese cuantifica, de acuerdo con datos geológicos,geoquímicos,biológicosyclimatológicos,latrans-ferenciadecarbonoentreunosyotrosalmacenesdelcicloadistintasescalastemporales.ConestosmodelosseobtienencurvasdevariacióndelCO2atmosféricoalolargodelostiemposgeológicos.Su principal limitación reside en que la informa-cióndelosflujosdecarbonoqueintentanrepro-ducirsebasaasuvezenindicadoresgeológicosindirectos cuya cuantificación es compleja y ensupuestosqueenlaactualidadsonmuydifícilesdecomprobar.Estodeterminaquelosresultadosobtenidospordiferentesmodelossean,aveces,muy diferentes entre sí, sobre todo para épocasremotas en las que la estimación de las fuentesylossumiderosdelcarbonoydelosmecanismosquecontrolansusflujosestánpobrementepreci-sados.Estasimprecisionesasociadasalosmode-

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loshanprovocadodurascríticas (BoucotyGray,2001) que nos recuerdan la necesidad de situarsiemprelosresultadosdelosmodelosenelmar-codesuslimitaciones.

CICLO DEL CARBONO Y ESCALAS TEMPORALES

Elconceptodeciclodelcarbonorecogeelflujodelcarbonoylosprocesosfísicos,químicosybioló-gicosquelocontrolanentrelosdiferentesalmace-nesdeeseelementodelsistemaTierra.Esosalma-cenesseencuentranenlaatmósfera,lahidrosfera,labiosfera, larizosferay la litosfera.Sucapacidaddealmacenamientoesmuyvariable,oscilandohoyentre los6250•1018molesdecarbonoenlasrocassedimentarias y los 0,05•1018 moles de carbonoen la biosfera continental (ver Tabla 1). Tambiénlas tasas de intercambio entre los almacenes (quefuncionancomofuentesosumideros)sonextrema-damentevariablesyefectivasaescalastemporalesasimismomuydiferentes:desdeunospocosañososiglosadecenasdemillonesdeaños.Portodoello,segúnlaescalatemporalqueconsideremos,losme-canismosqueintervienenenelciclodelcarbonosondistintos. Esto lleva a considerar “distintos” ciclosdel carbono. En una primera aproximación, pode-mosdiferenciardosextremos:unciclodelcarbonode corto plazo (o de escalas temporales breves) yunciclodelcarbonodelargoplazo,degranescalatemporal,(Figura2).

De estas dos visiones del ciclo del carbono, laprimera es el objetivo de muchos de los estudiosdirigidosacaracterizarelcambioclimáticoactualysuevoluciónfuturaaescalastemporalesdegenera-cioneshumanas.Setratadeentenderycuantificarlos rápidosflujosdelcarbonoqueseproducenenelsistemaclimáticoacortoplazo,yqueinvolucranfuentesysumiderosdelahidrosfera,laatmósfera,labiosferaylossuelos(Figura2).Frenteaellos,elpapeldelalitosferaesmuypequeñoaestaescala

Almacén o flujo Masa(1018 mol)

Flujo(1018 mol/ma)

Carbonoenrocascarbonáticas(calizas,dolomías) 5000

Carbonoorgánicoenrocas(carbón,hidrocarburos) 1250

Carbonoinorgánicodisueltoenelocéano 2,8

Carbonoenlossuelos(incluidascalcretas) 0,3

CO2atmosférico 0,06

Biosferacontinental 0,05

Biosferamarina 0,0005

Enterramientodecarbonoorgánicoensedimentos 5

TomadeCO2pormeteorizacióndesilicatos 7

AportedeCO2pordesgasificaciónvolcánica 3-9

Tabla 1.- Masas de carbono involucradas en el ciclo global del carbono de pequeña y gran escala temporal (comparadas con algunos flujos de carbono del ciclo de gran escala). Fuente: Berner (2004).

Fig. 2. Ciclos del carbono de largo y corto plazo, representados en forma de diagramas de flujo. Las flechas indican los flujos de carbono entre los diferentes almacenes, ilustrados en forma de cajas. En ellas se incluye una estimación de la cantidad de carbono almacenado, x1018 mol. El ciclo de largo plazo enfatiza los flujos entre la litosfera y el sistema superficial, mientras que en el ciclo de corto plazo son fundamentales los flujos entre los subsistemas atmósfera, hidrosfera, biosfera y rizosfera. En el ciclo de corto plazo no se ha incluido la actividad humana. Esta actividad genera una importante perturbación al introducir factores del ciclo de largo término (como la quema de combustibles fósiles = meteorización de la materia orgánica de las rocas o la fabricación de cemento = descomposición térmica de los carbonatos) en el de escalas temporales más breves. Basado esencialmente en Berner, 1999.

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temporal. Aunque este ciclo es hoy analizado “entiemporeal”,tambiénesaplicableatiempospasa-dos,siemprequenosmovamosenescalastempo-ralesbreves.

Lasegundavisióndelciclodelcarbonoestárefe-ridaaescalasdemillonesodecenasdemillonesdeaños, y recoge mecanismos de intercambio lentosperoinexorables,quealalargapuedenresultarde-terminantesenlahistoriaclimáticayambientaldelaTierra(Figura2).Esosserefierenfundamentalmentea latransferenciadecarbonoentre la litosferayel“sistemasuperficial”(queagrupalaatmósfera,losocéanos,labiosferaylossuelos).Dadalabajaca-pacidad de almacenamiento de estos subsistemas(ensuconjunto4,2•1018molC,en losocéanosensumayorparte),losflujosnetosentreellosaesca-lasdemillonesdeañossonmuypocoimportantes(Berner,1999).

Entre estas dos visiones extremas del ciclo delcarbonoencontramossituacionesintermedias,enlasquetantoprocesosdelargocomodecortoplazopue-denintervenirsimultáneamenteenelciclodelcarbo-no.Enelregistrogeológicoesassituacionessonfre-cuentesenescalastemporalesdedecenasacientosdemilesdeaños.BuenosejemplossonlosperiodoshipertermalesdelFanerozoicoolasglaciacionesdelCuaternario,alosquenosreferiremosmásadelante.Paraesassituacionestendremosquebuscarnuevos“ciclos”queseancapacesderecogerlosprocesosylosflujosefectivosdelcarbono:serán losciclosdelcarbonodemedioplazo(odemesoescala).

CICLO DEL CARBONO DE LARGO PLAZO

Describimos a continuación los mecanismosfundamentales que controlan los intercambios decarbonoenelciclodelargoplazoentrelalitosferayel“sistemasuperficial”queenglobabiosfera,rizos-fera,océanosyatmósfera.

Fuente de CO2: desgasificación litosféricaConstituyelaprincipaltransferenciadecarbono

desdeelinteriordelaTierrahaciaelsistemasuper-ficial(Figura3).LosgasesdeorigenvolcánicoestánformadosesencialmenteporH2OyCO2(ademásdeSO2,H2,CO,S2,O2,N2yotroscompuestosminorita-rios),yconstituyenlaprincipalfuentedeCO2atmos-féricoaescalademillonesdeaños.

Laactividadvolcánicaglobal,queseconcentraenloslímitesdelasplacas,varíaenintensidadalolargodeltiempoy,conello,tambiénelprocesodedesgasificación.Así,lasépocasgeológicasdomina-dasporlosprocesosdecongregacióncontinentalyformación de supercontinentes están caracteriza-das por una menor actividad volcánica; es el casodelCenozoicoydelPaleozoicosuperior.Porelcon-trario,enlosintervalosdominadosporladisgrega-ción continental, los procesos de rifting, elevadas

tasasdeacreciónoceánica,yelvulcanismoglobal(ylainyeccióndecarbonoalaatmósferaylosocéa-nos)vanasermuyintensos;eselcasodeliniciodelPaleozoicoytambiéndel inicioydegranpartedelMesozoico, cuando las tasas de acreción oceánicaeran en promedio un 50% más rápidas que en elmundoactual(Rudimann,2001).

Ademásdelaasociadaalvulcanismo,tenemosdesgasificación relacionada con metamorfismo (ydiagénesis profunda) de rocas sedimentarias. Así,los carbonatos sedimentarios pueden descompo-nerse térmicamente durante su enterramiento, loqueredundaenlaliberacióndegasescarbonosos.

Sumidero de CO2: meteorización de silicatosSetratadeunprocesocomplejoporelcualse

transfiere, de forma muy lenta pero efectiva, CO2desde la atmósfera y los suelos hacia la litosfera(Ruddiman y Kutzbach, 1991). Los silicatos no tie-nencarbonoynoformanpartedeningúnreservoriodentrodelciclo,perocontienencalcioyotrosionesque si se liberan pueden combinarse con CO2 delalmacéndesuperficieparagenerarcalizasuotroscarbonatosdeorigensedimentario.

En el proceso intervienen múltiples mecanismos(Figura4):1)ElaguadelluviadisuelveCO2atmosféricoyedáfico(enformadeácidocarbónicoH2CO3);2)EsaaguameteóricaricaenH2CO3interaccionaensuperfi-cieconrocasricasensilicatos(porejemplo,unarocamagmáticaconfeldespatoscálcicos),produciendosualteración química (meteorización); 3) Fruto de esaalteraciónelmineraloriginalesdestruidoysegeneraotromineralmásestableenlascondicionesdesuper-

Fig. 3. Estimación de los aportes de CO2 hacia el sistema superficial procedentes de la desgasificación magmática. Gráfica basada en Berner (1991).

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ficie(mineralesdelaarcilla,sílice...)yunaguaresidualconionesbicarbonatoHCO3

-;4)Elaguaresidualdrenahaciaelocéanodondeelbicarbonatosecombinaconelcalcioparadarlugaracarbonatos(esteprocesopue-deserbiológicamenteinducido,comoenlasconchasdelosmoluscos)yéstosasuvezasedimentoscarbo-náticos;5)Conelenterramientodeesossedimentos,el carbono es finalmente retirado hacia la litosfera,quefuncionacomosumidero.Estecomplejoproceso,devitalimportanciaenelciclodelcarbonoaescalasdemillonesdeaños,funcionacondiferenteintensidadsegúnlaépocageológicaconsiderada.Distintosfacto-resfavorecenunamayormeteorización(yretiradadeCO2atmosférico)aescalaglobal.Entreellos:1)Mayorextensióndelasáreasemergidas,sobretodoenlati-tudesmediasybajas;2)Mayorafloramientoderocassilíceas(ysobretododeorigenvolcánico,másricasenfeldespatoscálcicos);3)Mayorrelievetopográfico(ca-denasorogénicas);4)Tipoydesarrollodelacoberteravegetalsobreloscontinentes(actividadradicular);5)Elevada concentración de CO2 en la atmósfera, quefavorece la meteorización al acidificar las aguas me-teóricasycontribuyealcrecimientovegetal;y6)Climaglobalmentecálidoyhúmedo(altatemperaturaypre-cipitaciónaceleranlaalteraciónmineral).

De todos estos mecanismos destaca el papelde las plantas superiores a través de su actividadradicular (Berner, 1997; Beerling y Berner, 2005).Las plantas aceleran la retirada de CO2 durante lameteorizaciónatravésdevariosmecanismoscomo

lasecrecióndeácidosorgánicosporlasraícesylamicroflora simbiótica asociada, la recirculación deaguaportranspiracióny laretencióndelsueloporpartedelasraícesfrenteaunaerosióndemasiadorápida.

Losgrandeseventosevolutivosdelmundovege-talduranteelFanerozoicohansidodecisivosenlaevolucióndelCO2atmosférico¡porsuinfluenciaenlameteorizacióndelossilicatos!Laexpansióndelasplantasvascularesporloscontinentes,queseiniciaenelSilúrico,aceleróelprocesodemeteorizacióny retirada de CO2, y fue clave en los cambios queacaecieron al final del Devónico (Berner, 1999; Ta-ylor,2008).Delmismomodo,laapariciónyelpos-teriordominiodelasangiospermasenelCretácicomediodebiódesuponerunanuevaestimulacióndelproceso(Volk,1989),aunqueésteesmuycomplejodecuantificar.

La meteorización de los silicatos puede habersido muy efectiva, a escala geológica, en la regu-lación del CO2 atmosférico, del efecto invernaderoy de la temperatura global. En épocas de calenta-mientoglobalyelevadaconcentracióndeCO2enlaatmósfera,laactividadvegetalterrestreaumenta,lameteorizaciónse incrementa,yconella la retiradadelCO2,interviniendoenlamitigacióndelclima.

Berner (1999)proponeotrosprocesosdereali-mentaciónnegativa inducidosporelprocesoregu-lador descrito. Así, una meteorización intensa nosoloaportamáscarbonoalosocéanoscomosehacomentado,sinoquetambiénincrementaelflujodeotros elementos, como fósforo y hierro. Y la llega-da de éstos a las aguas oceánicas determina unafertilización del fitoplancton en su superficie. Unaproductividad primaria elevada y persistente en eltiempoinduceasuvezunamayordecantación,se-dimentaciónyenterramientodelamateriaorgánicay,conello,unmayorflujodecarbonodesdeelsiste-masuperficialhacialalitosfera.

PuederesultarchocantelaimportanciaqueseledaenelciclodelcarbonoagranescalaalaalteracióndelossilicatoscomosumiderodelCO2atmosférico,frente a la meteorización de otras rocas como loscarbonatos,tambiénmuyabundantes.LociertoesqueduranteelFanerozoicoysiempreconsiderandoescalasdemillonesdeaños,laaportacióndelame-teorizacióndeloscarbonatosalciclodelcarbonoes,ensuconjunto,pequeña.Adiferenciadelossilica-tos,loscarbonatostienenunorigenesencialmenteexógenoyposeencarbonocomocomponentequí-micomayoritario(poresoyaformanpartedelciclo,noasílossilicatos).LadisolucióndelcarbonatoporlasaguasmeteóricascargadasdeCO2atmosféricoyedáfico liberamomentáneamentenuevocarbono(eionesbicarbonato)alaguameteórica,peroestosderivan finalmente en la precipitación de nuevoscarbonatos en las cuencas sedimentarias, sin quehayaunagananciaopérdidanetadecarbonoporelsistemasuperficialenelconjuntodelproceso.

Fig. 4. Estimación de la tasa de meteorización a lo largo del Fanerozoico (según Berner y Kothavala, 2001) y gráfico ilustrando el proceso por el cual, a través de la meteorización de los silicatos, se retira a escala de millones de años de forma muy efectiva el CO2 atmosférico.

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Sumidero de CO2: “fotosíntesis geológica” La retirada de CO2 desde la atmósfera a través

delafotosíntesisesunprocesoquetienemuchare-levanciaenelciclodelcarbonoacortoplazo(hoysehabla de plantaciones extensivas de árboles o de lafertilizaciónde losocéanoscomomedidaspaliativasdelincrementoactualdelCO2atmosférico),peroquecareceensímismadeimportanciaenelciclodelargoplazo,anoserqueeseprocesoentrelaatmósferaylabiosferaestéacompañadodeunaretiradaefectivademasabiológicaatravésdelasedimentaciónyelente-rramiento(Figura5).Esteprocesosedatantoenzonascontinentales(conacumulaciónsedimentariaenlagosyzonaspantanosas)comoenzonasmarinas(funda-mentalmenteendeltasyenlaszonasexternasdelaplataformacontinental),yhasidobautizadoporalgu-nosautorescomofotosíntesis“neta”o“geológica”.

Lógicamente, el flujo de carbono que es reti-rado de la atmósfera a través del sumidero de la“fotosíntesis geológica” ha sido muy variable a lolargodelFanerozoico.LacolonizacióndelastierrasemergidasporplantassuperioresenelPaleozoicosuperior,porejemplo,determinóunflujomasivodecarbonoorgánicohacialalitosferaduranteelCarbo-nífero,quizáelmayordetodalahistoriadelaTierra.De forma similar, una parte del Mesozoico (funda-mentalmenteelCretácico)tambiénestuvocaracte-rizadaporunaretiradamuyimportantedecarbono,que se acumuló en cuencas oceánicas con fondosanóxicos y en vastos humedales continentales. Enla actualidad, la mayor parte de los combustiblesfósilesqueutilizamos(carbón,gas,petróleo)tienensuorigenenlabiomasadeesasépocas,uncarbonoque lentamentefueretiradode laatmósferayqueahora le está siendo devuelto de forma masiva yaceleradaporlaactividadhumana.

Lafotosíntesisgeológicatieneunasegundacon-secuenciavitalparaelsistemaTierra.Mientrasquelamateriaorgánicaesenterrada,elproductodedese-chodelafotosíntesis,eloxígeno,permaneceenlaat-mósfera.Estohacequenuestroaireestéoxigenado:almismotiempoquela litosferahaacumuladoCO2atravésdela“fotosíntesisgeológica”,laatmósferahaganadoenoxígeno.Enestesentido,alolargodelFanerozoicolamayorconcentracióndeoxígenoenlaatmósferahatenidolugarcoincidiendoconlosperio-dosdemayorretiradadeCO2(p.ej.:Berner,2009).

Fuente de CO2 por “respiración geológica” Elprocesonaturaldeexhumaciónyerosiónde

lasrocassedimentariasricasenmateriaorgánicaatravésdelciclogeológicodeterminaunmecanismocontrario al descrito anteriormente. La exposicióndelamateriaorgánicafósilaunmediooxidantepro-voca su oxidación y la consiguiente devolución deCO2alaatmósfera:

CH2O+O2→CO2+H2O

Esteproceso,enelquelalitosferafuncionacomofuentedeCO2,seconoceconfrecuenciacomo“respi-racióngeológica”.Estimarlaintensidaddeesteproce-soalolargodelFanerozoicoesotrofactorimportanteparaentenderlavariacióndelCO2atmosférico.Podría-mospensarqueunamayorconcentracióndeoxígenoenelairepodríaconduciraunamayortasadeoxida-cióndelamateriaorgánicaexpuestaensuperficie.Sinembargo,eseprocesoesmuyrápidoylaproporcióndeoxígenoenlaatmósferaes,inclusoenlasépocasmenosoxigenadas,másquesuficienteparaproducirlo(Boltonet al.,2006).Porello,lamayoromenortasadela“respiracióngeológica”vaaestarcontroladaporlacantidaddemateriaorgánicaexpuestayporlastasasglobalesdeerosión.Cuantomásrápidasealadenuda-ción,máscantidaddemateriaorgánicaseráoxidadaymayorseráelflujodeCO2devueltoalaatmósfera.

CO2 Y CLIMA DURANTE EL FANEROZOICO

Losdatosprocedentesdelosindicadoresgeoló-gicosylosresultadosdelosmodelospermitenavan-zarenlareconstruccióndelaconcentracióndelCO2atmosféricoalolargodelosúltimos560millonesdeaños. Se trata de una labor ardua, a la que le que-damuchocaminoporrecorrer.Losresultadosdelosindicadores geológicos son todavía muy escasos eimprecisos,ylosmodelospierdenresolucióncuandonosalejamoseneltiempo.HaymuchosfactoresdelosexpuestosanteriormentequesonmuydifícilesdeestimarparaelPaleozoico,comolatasadedesgasifi-

Fig. 5. Estimación de las tasas de enterramiento de carbono orgánico a través de las cuencas sedimentarias, proceso que se conoce con el nombre de “fotosíntesis geológica”. Basado en Berner, 1987).

40 – Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2010 (18.1)

cación.Yotros,comoelpapeldelmetamorfismo,sonesencialmente desconocidos para cualquier épocageológica. Por esos motivos, los resultados que seexponenaquínodebennuncasepararsedelaslimi-tacionesdelosmétodosquelosgeneran.

La Figura 6 incluye resultados de dos modelosdelciclodelcarbono(GEOCARB-IIIyGEOCARBSULF),ambosdiseñadosporRobertBernerysuequipodela universidad de Yale (Berner y Kothavala, 2001;Berner,2006).LafiguramuestratambiéndoscurvasdevariaciónenelCO2atmosféricobasadasenlain-tegración de indicadores geológicos, fundamental-mentepaleosuelosyrestosvegetalesfósiles(Royeret al.2004;Royer,2006).Apesardelasdiferenciasapreciablesentrelascurvas,sereconocenunaspau-tascomunes,presentesentodasellas.EsaspautasmuestranvaloresdeCO2atmosféricomuyelevadosparaelPaleozoicoInferior(hasta20-25veceslacon-centración actual), una importante caída durante el

Devónico,queseprolongaduranteCarboníferoyPér-mico(conconcentracionesdeCO2muybajas,simila-resalasdelCuaternario),denuevovaloreselevadosduranteelMesozoico(aunquesiempremásmodera-dosquelosdelPaleozoicoInferior),yfinalmenteundescenso gradual que se inicia en el Jurásico (hace170Ma)yqueseprolongahastalaépocaactual,ca-racterizadaporvaloresmuybajos.

ComparandoestacurvaconlasdelasFiguras4,5y6,apreciamoslasensibilidaddelaconcentraciónatmosféricadeCO2aloscambiosenladesgasifica-ciónvolcánica,lameteorizacióndelossilicatosylafotosíntesis geológica. La buena correlación entreindicadoresymodelos,señalaquelasestimacionesvanporbuencamino.

Así,duranteeliniciodelFanerozoico(haceunos500millonesdeaños),enplenoprocesodedisgrega-cióncontinentaldelsupercontinentedelProterozoicosuperior, la desgasificación volcánica debió de serintensa,yelsistemaclimáticopocoeficazensutam-ponamiento,conlossumiderosdeCO2asociadosalameteorizacióndesilicatosyelenterramientodema-teria orgánica poco activos (dada la inexistencia decobertera vegetal). Todos los resultados revelan al-tísimasconcentracionesdeCO2enlaatmósferaparaesa época, si bien el modelo GEOCARBSULF otorgavaloresmásmoderados.Estoesdebidoalaincorpo-raciónenesemodelodeunparámetroquediferencialameteorizacióndelasrocasvolcánicas:éstasfueronposiblementemuyabundantesenaquellaépocaysumayoralterabilidadensuperficieyriquezaensilica-tosconcalcioymagnesio,pudodeterminarunsumi-derodeCO2másefectivoatravésdelameteorización(Berner,2006).

A partir del Devónico, el proceso de desgasifi-caciónseralentizaaescalaglobal,enconcordanciaconelnuevomarcogeodinámicoqueconduciríaalaconvergenciadeloscontinentesyalaformacióndePangea.Además,aeseprocesoseleibaaunirotro,detipobiológico,queejerceríaapartirdeentoncesuncontrol fundamentalenel ciclodel carbono:setratadelaexpansióndelasplantasvascularesporlas tierras emergidas. Aquella vegetación iba a in-terveniren losflujosdecarbonodeunadoble for-ma:favoreciendolosprocesosdemeteorización(atravésdelaactividadradicular)eincrementandola“fotosíntesis geológica” (mediante enterramientodegrandesmasasdemateriavegetalcontinental).

Para el final del Paleozoico, tanto los modeloscomo los indicadores geológicos postulan un rápi-doincrementoenelCO2atmosférico(Berner,2005),unidoafuertesinestabilidadesenelciclodelcarbo-no(Montañezet al.,2008).Eseincrementoseaso-cia a un vulcanismo continental intensificado, queprovocódrásticoscambiosambientalesenocéanosycontinentes(yquedebiódeserdecisivoenlagranextinción biológica del final del Pérmico). La des-trucción generalizada de los bosques paleozoicos(y su reemplazamiento por vegetación herbácea)

Fig. 6. Las gráficas permiten comparar las concentraciones inferidas de CO2 atmosférico para el conjunto del Fanerozoico (últimos 560 millones de años) y la evolución climática. Los datos de concentraciones atmosféricas de CO2 proceden tanto de modelos geoquímicos como de indicadores geológicos (Berner y Kothavala, 2001; Royer et al., 2004; Berner, 2006; Royer, 2006). Se puede apreciar una buena correspondencia entre las diferentes curvas lo que indicaría la solidez de los resultados. A título informativo, se incluye también la curva de la evolución de la luminosidad del Sol para el Fanerozoico (Gough, 1981). Obsérvese como la luminosidad del Sol crece de forma casi lineal al mismo tiempo que los niveles de CO2 atmosférico descienden de forma neta desde el comienzo del Paleozoico hasta la actualidad. Los datos sobre las épocas climáticas están basados fundamentalmente en Scotese (2008), Royer et al. (2004) y Cronin (2010).

Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2010 (18.1) – 41

debió de inducir una apreciable reducción de losprocesosdeenterramientodelamateriaorgánicaydemeteorizacióndelossilicatos.ElclimaáridodelinteriordePangea,laescasezdehumedalesdondeacumularmateriaorgánica,yunvulcanismopersis-tentequeanunciabalanuevaetapadedisgregacióncontinental, contribuyeron al advenimiento de unanuevaépoca.

Durante el Mesozoico los niveles atmosféricosdeCO2fueronelevados,multiplicandoporcincolaconcentraciónactualdepromedio,aunquefluctua-rondemaneranotable.Hayquereseñarquemode-loseindicadoresnoconcuerdannienlafrecuencianien laamplituddeesoscambios.EsposiblequelosvaloresmáselevadossealcanzasenenelJurási-coyque,apartirdeesemáximo,seiniciaseunalen-taperoinexorabledisminucióndelCO2atmosféricohastanuestrosdías.

Durante la segunda mitad del Mesozoico, seaceleróelenterramientodemateriaorgánica,tantoenlascuencasmarinas,dondeseacumulabaenlasplataformas continentales (de manera muy inten-sa durante algunos episodios caracterizados poranoxiageneralizadaenlosfondosmarinos;vermásadelanteenestetrabajo),comoenloscontinentes,dondelosbosqueshabíanrecuperadosuesplendory existían grandes cuencas interiores. Además, lasplantasangiospermasfuerondominantessobrelasgimnospermasapartirdelCretácicomedio, loquepudo inducir una aceleración en el proceso globaldemeteorización.

YaenelCenozoico,elpaulatinodesarrollodelacadenaorogénicaalpino-himalaya(enlatitudesba-jasymedias),delcinturónandinoydeotrosarcosvolcánicos,favoreciólameteorizaciónaescalaglo-bal.Almismotiempo,latasadeacreciónoceánicaydevulcanismocontinentalibadisminuyendo,conlaconsiguiente reducción en la inyección de CO2 pordesgasificaciónmagmática.Eldescensogeneraliza-dodelCO2atmosférico, favorecidopor lasumadeesosprocesos,desembocófinalmenteen losmíni-mosnivelesdelNeógenoyCuaternario.

Cabereseñarqueenépocasmuypropiciasparala retirada de CO2 atmosférico, como el Neógeno-Cuaternario, debe existir un mecanismo reguladorque evita que el CO2 caiga por debajo de un um-bral (unas 200 ppmv), lo que impediría el normaldesarrollo biológico. Pagani et al. (2009) sugierenqueestetampóndelCO2puedeencontrarseenlaspropias plantas superiores, que bajo condicionesdeescasezdeCO2,aunconclimascálidos,reducendrásticamentesuactividad,frenandoasíelprocesodemeteorizacióny ralentizandoelflujodeCO2at-mosféricohacialalitosfera.

¿Relación entre el CO2 y los cambios climáticos?En lasúltimasdosdécadassehaavanzadode

formanotableenelconocimientodelahistoriaam-biental de la Tierra (Crowley y North, 1990; Frakes

et al.,1992;Martín-Chivelet,1999;Rudimann,2001;Cronin,2010).Estopermite tenerunpatróndeva-riabilidadclimáticadegranescala temporalconelque comparar los cambios en el CO2 atmosféricoinferidos a partir de los indicadores y los modelospara el Fanerozoico. Esta comparación clima-CO2tienecomoobjetivoanalizarlainfluenciarealdeloscambiosenelCO2enelefectoinvernaderoyenelclimadelaTierra.

LahistoriadelaTierrahaestadomarcada,aes-calas temporalesdedecenasdemillonesdeaños,porlaalternanciadeepisodiosdeglaciaciónconti-nental(periodosdeice-house)conotrosenlosqueelhieloglaciareramínimooinexistenteinclusoso-brelospolos(periodosdegreenhouse).Enestospe-riodosmáscálidoslatemperaturadelaszonaspola-resylosocéanosfueextraordinariamenteelevada:durante el Mesozoico, por ejemplo, grandes dino-saurios poblaban las latitudes continentales másaltas (como Alaska) y la temperatura de las aguasoceánicas profundas se aproximaba a los 15°C demedia, muy por encima de la actual, de sólo unospocosgradoscentígrados.

LaFigura6comparalaevolucióndelCO2atmos-férico,queyahemosanalizado,conalgunospará-metrosquedefinenlasgrandesetapasclimáticasdelaTierra,comoeslapresenciadecasquetesdehielosobre las latitudes más altas y su mayor o menorextensiónhacialatitudesmedias,olaexistenciadesedimentos glacioderivados (relacionados indirec-tamenteconglaciares;unejemploseríandepósitosmarinosprofundosconbloquesderocacuyoorigenseasociaaldesplazamientoyfusióndelosicebergsenlasuperficieoceánica).Lafiguratambiénincluyeunaestimacióndelaevolucióndelastemperaturasmediasplanetarias,adaptadaconciertasmodifica-cionesdeScotese(2008).Estaestimación,aunquemuylaxaycarentededetalles,permitesinembargocomentarunaspectofundamentalsobrelahistoriaclimática:lastemperaturasdelasuperficieterrestrehanvariadoaescalasdemillonesdeañosdefinien-dodiferentesépocasclimáticas,perolohanhechosiempredentrodeunosmárgenesestrechos,enelrangodeaproximadamente±7,5°Cconrespectoaunpromediogeneral.

La comparación clima-CO2 durante el Fanero-zoico revela una buena correspondencia entre lasetapasdegreenhousey lasdemayoresnivelesdeCO2.Cabemencionar,porejemplo,elcalentamientoque experimenta el sistema al final del Paleozoico(Pérmico),unodeloscambiosclimáticosmásdrásti-cosdetodoelFanerozoico,quemimetizaelascensodelosnivelesatmosféricosdeCO2,desde200-300ppmv(similaresalosvalorespreindustriales)hasta2000ppmv.AunqueotrosfactoresdelsistemaTie-rra favorecieron también el calentamiento del Pér-mico,esfácilextraerconclusionesyextrapolarlasalasituaciónactualdecambioclimáticoeincrementoenelCO2atmosférico.

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EsacorrespondenciageneralentreCO2atmosfé-ricoygrandesetapasclimáticasredundaenelpapelfundamentaldeesegasdeefectoinvernaderoenlaevolución climática de la Tierra. Sin embargo, esahistoriaclimáticaestásalpicadaporalgunasexcep-cionesyanomalías,quedesdeluegodebendeserconsideradas.Entreellas:

– “El CO2 atmosférico varía mucho, pero las temperaturas no tanto”: Las temperaturas mediasglobales para los periodos más cálidos del Paleo-zoicoinferiorydelMesozoiconodebierondedife-rirdemasiado.Sinembargo, losmodelospostulanunosnivelesdeCO2enlaatmósferapaleozoicaquecuadruplican a los de la atmósfera mesozoica. Enrespuestaaestaaparenteanomalía,cabeseñalar:1) que el sistema es especialmente sensible a loscambiosenelCO2atmosféricocuandoestossepro-ducenenunaatmósferapobreenCO2(lasensibili-dadsereducecuando laconcentracionessonmuyaltas);y2)quelaradiaciónsolarduranteelPaleo-zoicofuenetamenteinferioraladelMesozoico,deacuerdoa laevoluciónesperabledelSolcomoes-trella, loquedeterminaunfactorquecompensaelforzamiento radiativo de una menor concentracióndeCO2enestasegundaépoca.

–“Las temperaturas varían notablemente, pero el CO2 no tanto”:EselcasodelCenozoicosuperior.La atmósfera parece haber alcanzado niveles muybajosdeCO2bastanteantesdelafasemásrecien-tedeglaciaciónenelHemisferioNorte(losúltimos3millonesdeaños).Enrelaciónaesta“anomalía”cabeseñalarqueloscambiosenlacirculaciónoceá-nicaasociadosaaspectosgeológicoscomolauniónde lasdosAméricasa travésdel istmodePanamádebierondedeterminarunamermaeneltransporteoceánicolatitudinaldeenergíayfavorecieronelde-sarrollodelcasquetepolarsobreGroenlandia.

–“Algunas glaciaciones se producen en etapas muy ricas en CO2”:DuranteelPaleozoicoinferior,enelsenodeunaetapacaracterizadapormuyeleva-dosnivelesdeCO2enlaatmósferaydominadaensu conjunto por condiciones climáticas de green-houseencontramossinembargoeldesarrollode,almenos,unagranglaciación,quetienelugardurantepartedelOrdovícicoydelSilúrico.Enrelaciónaestaaparenteparadojacabeargumentar:esaglaciaciónseviofavorecidaporlaposiciónmuymeridionaldelamasacontinentaldeGondwana.Estacircunstan-ciaylaproximidaddelocéanogeneraronlascondi-ciones térmicasydeprecipitaciónadecuadasparalaacumulacióndehielo.Cuandoelhieloperduróeneltiempo,elalbedoregionalaumentó,provocandounarealimentaciónhaciaelenfriamientoyconello,unambientepropicioparaelcrecimientoglaciar.

Así,aunqueloscambiosclimáticosdelFanerozoi-copuedenengeneralrelacionarseconcambiosenelCO2atmosférico (Beerling,2004),existen intervalostemporalesenlosqueotrosfactoresdeforzamientosonmásimportantesycontrolanelclimaysuvaria-

bilidad a escalas de millones de años. Los cambiosclimáticosglobalesvienendeterminados,ademásdepor cambios en el efecto invernadero, por: a) cam-biosenlaenergíaemitidaporelsol;b)cambiosenelalbedoplanetario (controladospor ladisposiciónde los continentes, la presencia de casquetes po-lares, lacoberteradenubes,etc.);c)cambiosen laórbitaterrestrecapacesdemodificar ladistribuciónespacio-temporal de la radiación solar sobre la Tie-rra;d)cambiosenel transporteenergéticoecuador–polos,fundamentalmenteatravésdelacirculaciónoceánica, controlada a su vez por la disposición deloscontinentesylatectónicadeplacas;ye)cambiospaleogeográficos asociados a la deriva continental,quemodificanelgradientetérmicolatitudinalymodi-ficanlospatronesclimáticosregionales.Todosestosfactores,aunqueaquímencionadosseparadamente,muestran fuertes vínculos entre sí y desencadenanfuertesrealimentacionesenelsistema.

CICLOS DEL CARBONO A MESOESCALA

Losciclosdelcarbonodeescalasintermediases-tánhoyaúnpobrementecomprendidos,resultandofundamentalelprogresoensucaracterización.Invo-lucranprocesosqueoperanaescalastemporalesdemilesadecenasdemilesdeaños.Estoimplicaqueincluyenfactoresquesecontemplanhabitualmenteenel ciclode largoplazo (como ladesgasificaciónvolcánicaoelenterramientodelamateriaorgánica),otrosquesonpropiosdelciclodecortoplazo(comolosintercambiosdecarbonoentrelabiosfera,laat-mósferaylosocéanos),yotrosquelessonpropiosyexclusivos,poroperaraescalastemporalesdema-siadoalejadasdelosextremos.Estosnuevosciclosdemesoescalapermitenconoceralgunosdelosepi-sodiosclimáticosmásextraordinariosdelahistoriade laTierra,comosonloseventoshipertermalesylasglaciacionesdelCuaternario.

Los hipertermalesReciben este nombre periodos relativamente

cortosdetiempo(usualmentededecenasacientosdemilesdeaños)caracterizadosporunastempera-turas globales extraordinariamente altas (3-7°C porencimadelaépocaenlacualseproducen)yporunbajogradienteclimáticoentreelecuadorylospolos.Su desarrollo se produce generalmente en el senodeintervalosdegreenhouse,endecir,deintervalosya de por sí cálidos y caracterizados por la ausen-cia de casquetes polares. Asociados a estos hiper-termales aparecen fuertes anomalías en el sistemaTierra, como la baja oxigenación (o incluso anoxia)en las aguas oceánicas, e importantes perturbacio-nes en la biosfera, incluyendo grandes extincionesenmasa(ylosposterioresperiodosderecuperaciónbiológica).Entreloshipertermalescabedestacaral-gunoseventosdelPaleozoico inferior,el límitePér-

Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2010 (18.1) – 43

mico-Triásico,ellímiteTriásico-Jurásico,loseventosanóxicosoceánicosquesalpicaronlosperiodosJu-rásicoyCretácico,elmáximotérmicodelPaleoceno-Eoceno,yotrosmáximostérmicosdelCenozoico.

Apesardequecadaunodeesoseventospre-sentaunascaracterísticaspropias,hayalgunaspau-tasqueserepitenentodosellos,yquedefinenelcomportamientodelciclodelcarbono.Enconcretolas características comunes serían: 1) abrupto in-cremento del CO2 atmosférico; 2) elevación de lastemperaturasglobales;3)acidificacióndelasaguasoceánicasy,eventualmente,anoxiaoceánica;4)cri-sisbiológica;y5) rápidarecuperaciónpost-eventodelascondicionesoriginales.

ElsúbitoincrementodelCO2atmosféricopuedetenerdiferentesorígenes,talescomounaimportan-te actividad volcánica (Bice y Norris, 2002; Mehayet al., 2009); una aceleración en la subducción decarbonatos(Wilsonet al.,2002);uncalentamientodegrandesdepósitosdecarbónenzonasdefuerteactividadígnea(BeerlingyBrentnall,2007);lalibe-ración de metano atrapado en los fondos marinosenformadeclatratos(Kempet al.,2005);ovariosdeestosprocesosactuandosimultáneamente.Lasestimaciones de entrada de CO2 en la atmósfera-océanoparaalgunosdeestoshipertermalessondemilesdepetagramos(1Pg=1015g)decarbonoenunospocosmilesdeaños.

La elevación súbita del CO2 atmosférico puedefuncionarcomodisparadordecadaepisodiohiper-termal. El mayor efecto invernadero induce un in-crementoenlatemperaturaglobal,laconsiguienteaceleración del ciclo hidrológico, y la acidificacióndelasaguasoceánicas.Aesasaguasoceánicaslle-ganabundantesnutrientesdesdeloscontinentes(atravésderíosmuyactivosyposibleincrementoenlos incendios) y/o desde las profundidades oceá-nicas(atravésdenuevascorrientesdeupwelling).Lascondicionesfavorecenuncambioenlafertilidaddel océano, con el crecimiento de organismos sincaparazóncalcáreo(endetrimentodelplanctoncal-cáreo),yeldescensodelniveldeoxigenacióndelasaguas.Enmuchoscasos,comoloseventosanóxicosdelJurásicoyCretácico,laanoxiaesgeneralizadaenlasaguasoceánicasypermitequeensusfondossepreservemateriaorgánicasinoxidar.Losrestosdeesosorganismossonasíacumuladosenelfondodeformamasiva,dandolugarasedimentosmuyricosenmateriaorgánica(Figura7).Finalmente,estaacu-mulaciónsuponeunaretiradamuyefectivadeCO2delsistemaatravésdelenterramiento,permitiendoqueelsistemarecupere lascondicionesclimáticasde equilibrio anteriores al evento. En esta recupe-ración interviene también la aceleración de la me-teorización (de silicatos y también de carbonatos)enloscontinentesyeldrenajedeionesalocéano,asícomoladisolucióndecarbonatosenlosfondosoceánicos,ambosencaminadosatamponarelpro-cesodeacidificación.

Irónicamente, esas enormes acumulaciones demateriaorgánicaenlosfondosoceánicosdanlugaralasformacionessedimentariasqueconstituyenlarocamadredeunagranpartedelosyacimientosdepetróleo que hoy se explotan en el mundo. El CO2retiradodelaatmósferadeforma“urgente”duranteloshipertermaleseshoydevueltoa laatmósferaylosocéanos,tambiéndeformamuyrápida,atravésdelaquemadelosderivadosdeesepetróleo.

Las glaciaciones del CuaternarioLaépocamásrecientedelahistoriadelaTierra,

elCuaternario(últimos2,6Ma),haestadodefinidaporunintensoice-house,caracterizadoporcasque-tesdehieloenambospolos(glaciaciónbi-polar)yporungradientetérmicoentreecuadorypolosbas-tanteelevado.Enelmarcodeesaetapanetamentefríaexistieronsinembargointervalosalgomáscáli-dos,decortaduración(milesadecenasdemilesdeaños),durante loscuales loscasquetespolaresseretrajeron y el gradiente térmico se debilitó. A no-sotrosnoshatocadovivirenunodeesosintervalos(elHoloceno)queperduradesdehaceunos10.000años,yenelcualseenmarcanuestrahistoriacomo

Fig. 7. Fotos de campo que recogen dos afloramientos en España de capas sedimentarias marinas ricas en materia orgánica generadas durante un evento hipertermal del Cretácico (OAE-1a, Aptiense inferior, Cretácico). a) Formación Patrocinio, en la costa cantábrica, cerca de Cuchía (Cortesía de María Najarro); b) Formación Carbonero, la Este de Valdepeñas de Jaén (Cortesía de Gines de Gea y José Manuel Castro). Información específica puede encontrarse en Najarro et al. (2010) y Gea et al. (2008).

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civilización,desdelosprimerosagricultoreshastalasociedadactual.

LaalternanciadelosintervaloslargosyfríosyloscortosytempladosenelCuaternariohaseguidounaspautasrecurrentesensintoníaconlosciclosorbitalesde precesión, oblicuidad y excentricidad. Estos ciclostienenperiodosdedecenasdemilesdeañosydeter-minan pequeños cambios en la radiación solar querecibecadalatitudencadaépocadelaño.Apesardeesasintonía,estoscambiosenelbalanceradiativosonmínimosy,entodocaso,incapacesporsímismosdeex-plicardichasalternanciasclimáticas,queseencuentranentrelasmásdrásticasdelahistoriadelaTierra.Sólouncomplejopatrónderealimentaciones,enelqueinter-vieneactivamenteelciclodelcarbono,puedeexplicar-las.Así,seríandeterminantesparaeldesarrollodeunaglaciación:1)elincrementodelalbedoproducidoporlaexpansióndelhieloglaciar,lasnubesmásfríasyesta-blesylamayorpresenciadepolvoensuspensiónenlaatmósfera;2)ladisminucióndeltransportedecaloratravésdelacirculaciónoceánica,y3)ladisminucióndelefecto invernadero. Este último factor se conoce muybiengraciasalainformaciónobtenidadelossondeosdehielo.Talycomoseindicabaenelapartadodeaproxi-mación metodológica, las burbujas de aire atrapadasenlosestratosdelhieloantárticopermitenconocerlosnivelesatmosféricosdeCO2(ymetano)delosúltimoscientosdemilesdeaños.Yesosnivelesrevelanunex-traordinariomimetismoconlastemperaturas(Figura8):máximasconcentracionesdegasesinvernaderoduran-te lasetapascálidas(interglaciales)ymínimasduran-

telasetapasfrías(glaciales).Enelcasodelmetanoladisminuciónsuperael50%,loqueserelacionaconelescasodesarrolloenelmundoglacialdeloshumedales(principalemisordeestegas)yconloactivosquees-tánlossumideros,tantoenelpermafrost(suelohelado)comoenlosfondosmarinos,enformadeclatratos.ParaelCO2lareducción,quealcanzael40%,esdebidaesen-cialmentealbombeodecarbonoqueseproduceenlosocéanos.Durantelasetapasglaciales,lasaguasoceáni-cas,muyfrías,soncapacesdedisolvergrancantidaddeCO2ylaproductividadprimariaoceánicaesademásenpromediomuyelevada,graciasalallegadadenutrien-tesdesdelasaguasprofundas(atravésdelupwelling)yporelefectofertilizantedealgunoselementos,comoelhierro,quellegandeformamasivadesdelosdesiertoscontinentalesatravésdelosintensosvientosglaciales.LaactividadbiológicadelasuperficieoceánicaretiraasídeformamuyefectivaCO2delaatmósferahacialaspro-fundidadesmarinas,manteniendoelefectoinvernaderoenvaloresmuybajosdurantemilesdeaños.

IMPLICACIONES PARA EL CAMBIO CLIMÁTICO ACTUAL

La época más reciente (excluyendo los últimos150 años) ha estado caracterizada por una intere-santeestabilidadenelciclodelcarbono,singran-desvariacionesen losflujosentre losdistintosal-macenesdelciclodecortoplazo.Noesdeextrañarqueesosmilenioshayanestadotambiéndefinidospor una notable homogeneidad climática, la cualha permitido e incentivado, entre otros procesos,el desarrollo de nuestra civilización. Esa estabili-dadclimáticahaestadosinembargomoduladaporpequeñoscambiosaescaladesiglosque,porsusafinidades históricas, reciben nombres tales comoPequeñaEdaddeHielo (siglosXVIIaXIX),MínimoMedieval(siglosXIVaXV),MáximoTérmicoMedie-val(siglosIXaXII),PeriodofríodelasEdadesOscu-ras(siglosIVaVI),ÓptimoRomano(siglosIIIadeC.aIId.deC),etc.(p.ej.:Martín-Chiveletet al,enpren-sa). Los cambios térmicos e hidrológicos de esasépocasfueronpequeños,aunquesurepercusiónso-cialenmuchoscasosfuegrande.Suorigenhayquebuscarloenfluctuacionessecularesdelaactividadelectromagnéticadelsolydelacirculaciónoceánicaglobal.ApartirdelsigloXVIII(ymuyespecialmentedelsigloXX)aesosmecanismosdebemosañadirleslaperturbacióndelciclodelcarbonoquesuponelaactividadhumanade laeramoderna:talasaesca-laglobal,quemamasivadecombustiblesfósiles,yotrosprocesos industrialesysocialesque inducenflujosaceleradosdecarbonohacialaatmósferayelocéano. Esta perturbación parece ser responsabledeuncalentamientoanómalopara losúltimosmi-lenios,queeselquehatenidolugarenelsigloXX.

Dadoque laescalatemporaldelcambioclimá-ticoactualesmuypequeña,lasperspectivasgeoló-

Fig. 8. Los registros del sondeo de hielo de Vostok (Antártica) muestran la concentración atmosférica de dióxido de carbono y metano a lo largo de los últimos 400.000 años. Estos se comparan con el registro de paleotemperaturas de la Antártida obtenido a partir de isótopos estables del hielo, en el que se reconocen cinco episodios interglaciales (marcados con flechas). Nótese la excelente correlación entre la concentración de los gases de efecto invernadero y las temperaturas. Basado en Petit et al. (1999).

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gicasdelciclodelcarbonodebenayudarnosaunamejorcomprensióndeesaperturbaciónactualysusconsecuencias.Algunosaspectosclavequesehanmencionadoalolargodeesteartículoson:

1.- A todas las escalas temporales geológicas,desde los cientos de millones de años hasta cien-tosomilesdeaños,elclimaterrestremuestraunaelevadasensibilidadalasvariacionesenelCO2at-mosférico.Parecepocoprobablequeestarelaciónno sea extrapolable a la época actual y al futuropróximo, aunque sean escalas temporales muchomáscortas.

2.-Laperturbacióndelciclodelcarbonoporlaacción humana, que deriva de la quema de com-bustiblesfósiles(carbón,petróleoygas),delapro-duccióndecemento,ydeladeforestación,puedeanalizarsedesdelaperspectivageológicadelciclodelcarbono.Así,laquemadecombustiblesfósilesconlleva una aceleración del proceso de meteori-zación(oxidación)delamateriaorgánicasedimen-taria,queesuncomponentefundamentaldelciclodecarbonodelargotérmino:elprocesonaturaldeexhumación y oxidación de sedimentos ricos enmateriaorgánicaseaceleraexponencialmenteconlaextracciónantrópicaysuquema.Deigualmodo,lafabricacióndecementoimplicaelprocesodede-carbonatacióndelasrocascarbonáticas(comolascalizas),enunprocesoartificialanálogoa lades-gasificaciónpormetamorfismoenelciclodelargotérmino (otro mecanismo que incrementa el flujode CO2 a la atmósfera). Finalmente, la deforesta-ción,queesanálogaa la respiraciónterrestre,esuna perturbación no recogida en el ciclo de largotérmino,perosíenlosdepequeñaymediaescala.Laperturbacióndelaactividadhumanaenelciclodelcarbonoyenelclimadebeser,portanto,anali-zadadesdeunaperspectivaamplia,queconsiderelasdiferentesescalastemporalesyprocesosaso-ciados.

3.-Laperturbaciónantrópicapuedeestardesen-cadenandonuevosflujosymecanismosenelciclodelcarbono,comparablesalosquecaracterizanlosciclosde mesoescala, como serían la desestabilización delmetanoalmacenadoen formadeclatratos, la rápidaacidificación de las aguas oceánicas y los cambiosdrásticos en la biosfera de los hipertermales. Estoseventosdetemperaturasglobalesextremasycambiosdramáticosenlabiosferaconstituyenexcelentesejem-plosdeperturbacionesrápidasenelciclodelcarbonoenelpasado,asociadasainyeccionesabruptasdeCO2enlaatmósfera-océanocomparablesenvolumenein-tensidadalaantropogénicaactual.

4.- En breve tendremos que incluir en el ciclodelcarbononosolofuentesdeCO2antrópicas,sinotambiénsumiderosdeCO2artificiales,destinadosasucapturayalmacenamiento“geológicos”.Intenta-mosreproduciramarchasforzadaselcicloquelen-tamentehagobernadolosflujosdecarbonodurantemillonesdeaños.

AGRADECIMIENTOS

QuieroagradeceralconsejoderedaccióndelarevistaEnseñanzadelasCienciasdelaTierralainvi-taciónparapublicaresteartículo.Estetrabajosurgeengranmedidadelaexperienciadocenteeinvesti-gadoraentornoaloscambiosclimáticosdelpasadoa lo largode losúltimos12años.Miscompañerosdelgrupo“PaleoclimatologíayCambioGlobal”delaUniversidadComplutensedeMadridylosalumnosde la asignatura “Registro Sedimentario y CambioClimático”delaLicenciaturaenCienciasGeológicasdebenconsiderarsecoautoresdeestetrabajo.(Con-tribución a los proyectos CGL2007-60618-BTE, delMinisteriodeCienciae Innovación,yUJA-07-16-41,delaUniversidaddeJaén).

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Este artículo fue solicitado desde E.C.T. el día 17 de diciem-bre de 2009 y aceptado definitivamente para su publica-ción el 21 de junio de 2010.