Los científicos cuantifican el venteo volcánico global de CO2; estiman el carbono total en la Tierra

Los volcanes, las placas continentales y oceánicas que colisionan y se extienden, y otros fenómenos reestudiados con innovadoras herramientas de alta tecnología, aportan nuevas e importantes perspectivas sobre el funcionamiento más interno de la Tierra, dicen los científicos.

El equipo de 500 miembros del Observatorio de Carbono Profundo (DCO), que se prepara para resumir y celebrar los 10 años del programa en la Academia Nacional de Ciencias, en Washington DC, entre el 24 y el 26 de octubre, ha destacado varios hallazgos clave que abarcan desde el presente hasta miles de millones de años atrás, desde el núcleo de la Tierra hasta su atmósfera, y desde volcanes individuales hasta los cinco continentes.

Entre los muchos hallazgos de gran alcance, esbozados y resumidos en una serie de artículos publicados en la revista Elements:

• Sólo dos décimas del 1% del carbono total de la Tierra, unas 43.500 gigatoneladas (Gt), se encuentra en la superficie de los océanos, en la tierra y en la atmósfera. El resto se encuentra en el subsuelo, incluyendo la corteza, el manto y el núcleo, un total estimado de 1.850 millones de Gt
• El CO2 emitido a la atmósfera y a los océanos hoy en día por los volcanes y otras regiones magmáticamente activas se estima en 280 a 360 millones de toneladas (0,28 a 0,36 Gt) al año, incluyendo el liberado a los océanos desde las dorsales oceánicas
• Las emisiones anuales de carbono de la humanidad a través de la quema de combustibles fósiles y bosques, etc., son de 40 a 100 veces mayores que todas las emisiones volcánicas
• El ciclo profundo del carbono de la Tierra a través del tiempo profundo revela una estabilidad equilibrada y a largo plazo del CO2 atmosférico, puntuada por grandes perturbaciones, incluyendo inmensas y catastróficas liberaciones de magma que ocurrieron al menos cinco veces en los últimos 500 millones de años. Durante estos eventos, se expulsaron enormes volúmenes de carbono, lo que llevó a una atmósfera más cálida, océanos acidificados y extinciones masivas
• De forma similar, un impacto de meteorito gigante hace 66 millones de años, el bólido de Chicxulub en la península de Yucatán en México, liberó entre 425 y 1.400 Gt de CO2, calentó rápidamente el planeta y coincidió con la extinción masiva (>75%) de plantas y animales -incluidos los dinosaurios. En los últimos 100 años, las emisiones procedentes de actividades antropogénicas, como la quema de combustibles fósiles, han sido entre 40 y 100 veces mayores que las emisiones geológicas de carbono de nuestro planeta
• Un cambio en la composición de los gases volcánicos, que pasa de ser un gas maloliente (parecido a las cerillas quemadas), el dióxido de azufre (SO2), a un gas más rico en CO2, inodoro e incoloro, puede ser detectado por estaciones de control o drones para advertir de una erupción, a veces con horas, a veces con meses de antelación. Los sistemas de alerta temprana de erupciones con monitorización en tiempo real están avanzando para explotar el descubrimiento de la relación entre el CO2 y el SO2, reconocido por primera vez con certeza en 2014

Dice la científica del DCO Marie Edmonds, de la Universidad de Cambridge (Reino Unido): «El carbono, la base de toda la vida y la fuente de energía vital para la humanidad, se mueve por este planeta desde su manto hasta la atmósfera. Para asegurar un futuro sostenible, es de suma importancia que comprendamos todo el ciclo del carbono de la Tierra»

«La clave para desentrañar el ciclo natural del carbono del planeta es cuantificar cuánto carbono hay y dónde, cuánto se mueve -el flujo- y con qué rapidez, desde los depósitos de las profundidades de la Tierra hasta la superficie y viceversa»

Añade su colega Tobias Fischer, de la Universidad de Nuevo México (EE.UU.): «El Observatorio del Carbono en las Profundidades ha avanzado en la comprensión del funcionamiento interno de la Tierra. Su conjunto de más de 1.500 publicaciones no sólo ha aumentado lo que se conoce, sino que ha establecido los límites de lo que se puede conocer, y tal vez de lo que no se puede conocer».

«Al tiempo que celebramos los avances, subrayamos que la Tierra profunda sigue siendo una frontera científica muy impredecible; realmente sólo hemos empezado a mellar los límites actuales de nuestro conocimiento».

¿Cuánto carbono contiene la Tierra?

Los científicos saben desde hace tiempo que el carbono dentro de la Tierra existe en forma de una diversa gama de sólidos, fluidos y gases. Algunos de estos materiales implican combinaciones de carbono con oxígeno (por ejemplo, el dióxido de carbono), con hierro (por ejemplo, los carburos), con hidrógeno (por ejemplo, el kerógeno, el carbón, el petróleo y el metano) y otros elementos (por ejemplo, el silicio, el azufre y el nitrógeno), además del carbono elemental (por ejemplo, el grafito y el diamante).

Los científicos del Observatorio del Carbono Profundo subrayan que el conocimiento del carbono total en el manto inferior y en el núcleo es todavía especulativo y que las cifras seguramente evolucionarán en precisión a medida que la investigación continúe. Dicho esto, los expertos (especialmente Lee et al., 2019) estiman los depósitos de carbono en la Tierra de la siguiente manera:

Según las cifras: Las mejores estimaciones actuales, el carbono en la Tierra

1,85 mil millones de gigatoneladas (1,85 x 1 mil millones x 1 mil millones de toneladas): Carbono total en la Tierra

Desglose:

• 1.845.000.000 (1.845 billones) Gt: carbono total bajo la superficie
• 1.500.000.000 (1.500 millones) Gt: Carbono en el manto inferior:
• 315.000.000 (0,315 mil millones) Gt: Carbono en las litósferas continental y oceánica
• 30.000.000 (0,03 mil millones) Gt: Carbono en el manto superior
• 43.500 Gt: Carbono total por encima de la superficie — en los océanos, en la tierra y en la atmósfera (2/10 del 1% del carbono total de la Tierra)
• 37.000 Gt: Carbono en las profundidades del océano (85,1% de todo el carbono de la superficie)
• 3.000 Gt: Carbono en los sedimentos marinos (6,9%)
• 2.000 Gt: Carbono en la biosfera terrestre (4,6%)
• 900 Gt de Carbono en la superficie del océano (2%)
• 590 Gt: Carbono en la atmósfera (1,4%)

Liberación de CO2 de los volcanes

La emisión total anual de CO2 de la Tierra a través de los volcanes y de otros procesos geológicos, como el calentamiento de la piedra caliza en los cinturones montañosos, ha sido estimada recientemente por los expertos en DCO en unos 300 a 400 millones de toneladas métricas (0.Los volcanes y las regiones volcánicas emiten por sí solos unos 280-360 millones de toneladas (0,28 a 0,36 Gt) de CO2 al año. Esto incluye la contribución de CO2 de las chimeneas volcánicas activas, de la liberación difusa y generalizada de CO2 a través de los suelos, las fallas y las fracturas de las regiones volcánicas, los lagos volcánicos y el sistema de dorsales oceánicas.

En muchas regiones del mundo, la desgasificación tectónica (emisiones de los cinturones montañosos y otros límites de placas), especialmente en las temperaturas nocturnas frías, puede causar niveles peligrosos de CO2 cerca del suelo, lo suficiente como para asfixiar al ganado.

Según los investigadores del DCO, con raras excepciones a lo largo de millones de años la cantidad de carbono liberada del manto terrestre ha estado en relativo equilibrio con la cantidad devuelta a través de la subducción descendente de las placas tectónicas y otros procesos.

Catástrofes de carbono

Si bien el volumen de carbono enterrado a través de la subducción y el liberado por los volcanes y las fracturas tectónicas se encuentran normalmente en un estado estable, unas cuatro veces en los últimos 500 millones de años este equilibrio se ha visto alterado por la aparición de grandes eventos volcánicos: 1 millón o más de kilómetros cuadrados (la superficie de Canadá) de magma liberado en un plazo de unas decenas de miles de años hasta 1 millón de años.

Estas «grandes provincias ígneas» desgasificaron enormes volúmenes de carbono (estimados en hasta 30.000 Gt, lo que equivale a cerca del 70% de los 43.500 Gt de carbono estimados sobre la superficie hoy en día).

El desequilibrio del ciclo del carbono puede causar un rápido calentamiento global, cambios en la tasa de meteorización de los silicatos, cambios en el ciclo hidrológico y, en general, rápidos cambios en el hábitat que pueden causar una extinción masiva mientras la Tierra se reequilibra.

Catástrofes de carbono similares han sido causadas por asteroides / meteoros (bólidos), como el impacto masivo de Chixculub en la zona de Yucatán de América Central hace 65 millones de años – un evento al que se ha atribuido la extinción de los dinosaurios y de la mayoría de otras plantas y animales de la época.

Según los investigadores australianos Balz Kamber y Joseph Petrus: «El evento de Chicxulub … perturbó en gran medida el presupuesto de los gases climáticamente activos en la atmósfera, lo que llevó a un enfriamiento abrupto a corto plazo y a un fuerte calentamiento a medio plazo.»

«Así, algunos grandes impactos de bólidos son comparables a los observados en el Antropoceno en términos de perturbación rápida del ciclo del C (carbono) y de superar potencialmente un tamaño crítico de perturbación.»

Calentando a los volcanes

Los expertos de la DCO estiman que unos 400 de los 1500 volcanes activos desde la última Edad de Hielo hace 11.700 años están ventilando CO2 en la actualidad. Otros 670 podrían estar produciendo emisiones difusas, con 102 ya documentadas. De ellos, 22 volcanes antiguos que no han entrado en erupción desde el Pleistoceno (hace 2,5 millones de años hasta la Edad de Hielo) están emitiendo gases. Por tanto, todos los volcanes, los jóvenes y los muy antiguos, pueden estar emitiendo CO2.

Hoy en día se cuantifican las tasas de emisión de CO2, dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno de muchos de los volcanes más activos del mundo gracias, en parte, al desarrollo de instrumentos en miniatura, duraderos y baratos.

Y varios volcanes han sido conectados con estaciones permanentes de monitorización de instrumentos de gas para obtener lecturas de datos en tiempo real, mejorando la monitorización por parte de los gobiernos y las universidades de Estados Unidos, Italia, Costa Rica y otros países. En la actualidad, existen unas 30 estaciones de monitorización de gases en volcanes de los cinco continentes que funcionan en colaboración y que controlan continuamente las emisiones.

Promovidas por los científicos del subgrupo DECADE (Deep Earth Carbon DEgassing) de DCO, las tecnologías e instalaciones han ayudado a revolucionar la recogida de datos en lugares volcánicos inaccesibles o peligrosos. Los datos obtenidos se combinan con las lecturas de sistemas terrestres y satelitales establecidos desde hace tiempo.

Investigaciones recientes han revelado el número de volcanes que se cree que emiten cantidades medibles de CO2 en la actualidad. Estimados en 150 en 2013, los investigadores de DECADE confirman que más de 200 sistemas volcánicos emitieron volúmenes medibles de CO2 entre los años 2005 y 2017. De ellos, se han documentado varias superregiones de desgasificación difusa (por ejemplo, Yellowstone, en Estados Unidos, el Rift de África Oriental, en África, y la provincia volcánica de Technong, en China, por nombrar algunas). La desgasificación difusa se reconoce ahora como una fuente de CO2 comparable a los respiraderos volcánicos activos.

Entre los legados del DCO: una nueva base de datos (http://www.magadb.net) para capturar información sobre los flujos de CO2 de fuentes volcánicas y no volcánicas en todo el mundo.

Susurros volcánicos: Los cambios en la relación entre el SO2 y el CO2 emitidos pueden advertir de las erupciones

Las investigaciones realizadas en un número creciente de volcanes bien controlados en todo el mundo han proporcionado nuevos e importantes conocimientos sobre el momento en que se producen las erupciones en relación con la composición de los gases volcánicos.

El seguimiento durante todo el año de cinco volcanes reveló que el nivel de dióxido de carbono en relación con el dióxido de azufre en los gases volcánicos cambia sistemáticamente en las horas o meses anteriores a una erupción. Entre los volcanes en los que se han documentado estos patrones se encuentran el Poás (Costa Rica), el Etna y el Stromboli (Italia), el Villarica (Chile) y el Masaya (Nicaragua). (Véase también http://bit.ly/2Ssk2UN).

Así mismo, la relación entre el CO2 y el SO2 cambió drásticamente entre meses y años antes de las grandes erupciones en el Kilauea (Hawái) y el volcán Redoubt (Alaska), en Estados Unidos, lo que sugiere que la monitorización de la composición de los gases, a menudo en penachos invisibles, ofrece una nueva herramienta de previsión de erupciones que, en algunos casos, precede a los aumentos en la sismicidad del volcán o la deformación del suelo.

«El carbono, el sexto elemento, desempeña un papel único en nuestro dinámico y cambiante planeta. Constituye la base química de la vida, es la fuente principal de nuestras necesidades energéticas, inspira una serie de nuevos materiales extraordinarios y desempeña un papel desproporcionado en el incierto y cambiante clima y medio ambiente de la Tierra. Estos aspectos polifacéticos del carbono han inspirado décadas de intensa investigación, la mayor parte de la cual se ha centrado en el ciclo del carbono cercano a la superficie: los océanos, la atmósfera y la biosfera que presentan cambios rápidos y que están más influenciados por las actividades humanas. La investigación sobre el carbono profundo adopta una visión global a más largo plazo al considerar el 90% del carbono de la Tierra que se estima está oculto en el interior del planeta. Exploramos las formas, las cantidades, los movimientos y los orígenes del carbono secuestrado en el núcleo inaccesible de la Tierra, que cicla en el manto profundo, reacciona en los fluidos profundos y se esconde en una fascinante biosfera subterránea. No podemos entender el carbono en la Tierra -no podemos situar el cambiante mundo de la superficie en su contexto- sin la necesaria línea de base que nos proporciona la investigación del carbono profundo»
– Robert H. Hazen, Director Ejecutivo del Observatorio del Carbono Profundo; Científico Principal del Laboratorio Geofísico de la Institución Carnegie; Autor: Sinfonía en C, El carbono y la evolución de (casi) todo

«Durante miles de millones de años, la Tierra parece haber encontrado un equilibrio entre el carbono subducido en las profundidades del interior y el emitido por los volcanes, procesos que ayudan a estabilizar el clima y el medio ambiente. Pero, ¿hasta qué punto es estable ese ciclo incesante? Ninguna ley natural exige que la cantidad de carbono que desciende… deba ser exactamente igual al carbono devuelto a la superficie por los volcanes y otros medios menos violentos. Ninguna cuestión es más importante para el Observatorio del Carbono Profundo que este equilibrio entre lo que baja y lo que sube».
– Cin-Ty Lee, Universidad de Rice, EE.UU.

«La Tierra es única entre los planetas de nuestro sistema solar porque tiene agua líquida en su superficie, fomenta la vida y tiene placas tectónicas activas. Identificar todos los vínculos entre estos fenómenos es un paso importante en la búsqueda permanente de la humanidad para entender los orígenes de la habitabilidad de la Tierra. Sin embargo, una certeza absoluta es que el carbono desempeña un papel rector. Por ejemplo, el ambiente clemente de la Tierra está relacionado con la química atmosférica, que es lo suficientemente cálida como para estabilizar el agua líquida en su superficie pero lo suficientemente fría como para permitir la tectónica de placas, y es un hecho incontrovertible que el contenido de carbono de nuestra atmósfera y océanos está directamente relacionado con el clima de la Tierra»
– Sami Mikhail, Universidad de St Andrews, U.Andrews, Reino Unido.

«Los importantes resultados del DCO son modelos de estado estacionario con nuevos y potentes datos para evaluar los flujos contemporáneos entre los depósitos de carbono en las profundidades de la Tierra y sus efectos en todo, desde la evolución de la vida hasta el aire que respiramos. Armados con esta comprensión, podemos evaluar mejor las perturbaciones o las no linealidades en el sistema de la Tierra a través del tiempo profundo.»
– Celina Suárez, Universidad de Arkansas, EE.UU.

«Hemos logrado una imagen mucho más completa de la desgasificación volcánica de dióxido de carbono en la Tierra, reforzando la importancia de los volcanes activos, pero descubriendo que la sutil liberación sobre grandes provincias hidrotermales y áreas de rifting continental son también regiones dominantes de desgasificación planetaria.»
– Cynthia Werner, contratista del Servicio Geológico de los Estados Unidos

Apéndice:

Carbono profundo 2019: Lanzamiento de la próxima década de la ciencia del carbono profundo

Del 24 al 26 de octubre, la National Academy of Sciences en Washington, DC

Las cuatro comunidades del Deep Carbon Observatory:

Reservorios y flujos

Objetivos de la década

• Establecer flujos de información continuos y de acceso abierto sobre la emisión de gases volcánicos y la actividad relacionada.
• Determinar las formas químicas y la distribución del carbono en el interior más profundo de la Tierra.
• Determinar el presupuesto de carbono del fondo marino y las tasas globales de entrada de carbono en las zonas de subducción.
• Estimar la dirección neta y la magnitud de los flujos de carbono tectónicos desde el manto y la corteza a la atmósfera.
• Desarrollar un modelo global robusto del ciclo del carbono a través del tiempo profundo, incluyendo la Tierra más temprana, y la coevolución de la geosfera y la biosfera.
• Producir modelos cuantitativos del ciclo global del carbono a varias escalas, y a la escala planetaria (convección del manto), a la escala tectónica (zona de subducción, orogenia, rift, volcán), y a la escala de reservorio (núcleo, manto, corteza, hidrosfera).

Preguntas orientadoras

• ¿Cuánto carbono contiene la Tierra?
• ¿Cuánto carbono emiten los volcanes activos y las zonas tectónicas activas?
• ¿Cómo se recicla el carbono entre la atmósfera y la corteza, el manto y el núcleo de la Tierra?
• ¿Cuáles son las formas químicas del carbono en las profundidades de la Tierra y cómo se distribuyen?
• ¿Cuál es la naturaleza de todo el ciclo del carbono de la Tierra y cómo ha cambiado a lo largo de su historia?

En cifras

• 504 científicos
• 39 países
• 102 proyectos
• 372 publicaciones

Instituciones de investigación participantes

• Universidad Tecnológica de Calmers, Suecia
• INGV, Italia
• Universidad Nacional de Costa Rica/Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica/Universidad de Costa Rica
• Observatorio Vulcanológico de Rabaul, Papúa Nueva Guinea
• Universidad de Bayreuth, Alemania
• Universidad de Bristol, Reino Unido
• Universidad de Cambridge, Reino Unido
• Universidad de Heidelberg, Alemania
• Universidad de Mainz, Alemania
• Universidad de Nuevo México, EEUU
• Universidad de Palermo, Italia
• Universidad de Padua, Italia
• Instituto Oceanográfico Woods Hole, EE.UU.
• Universidad del Colegio de Londres, Reino Unido
• Universidad de Arkansas, EE.UU.
• Universidad de Sidney, Australia
• Universidad de Alberta, Canadá
• Institución Carnegie para la Ciencia, EE.UU.
• Instituto Gemológico de América, EEUU
• Servicio Geológico de EEUU

https://deepcarbon.net/community/reservoirs-and-fluxes

Energía profunda

Dedicados a desarrollar una comprensión fundamental de los entornos y procesos que regulan el volumen y las tasas de producción de hidrocarburos abiógenos y otras especies orgánicas en la corteza y el manto a través del tiempo geológico.

Objetivo decenal, preguntas orientadoras:

https://deepcarbon.net/communities/deep-energy

Física y química extremas

Dedicada a mejorar nuestra comprensión del comportamiento físico y químico del carbono en condiciones extremas, como las que se encuentran en el interior profundo de la Tierra y otros planetas.

Objetivo decenal, preguntas guía:

https://deepcarbon.net/index.php/community/extreme-physics-and-chemistry

Vida profunda

Dedicada a evaluar la naturaleza y extensión de la biosfera microbiana y viral profunda.

Objetivo decenal, preguntas orientadoras:

https://deepcarbon.net/index.php/community/deep-life

Papeles seleccionados, depósitos y flujos de DCO:

• Fischer et al (2019) Science Advances (en revisión)
• Tamburello G, Pondrelli S, Chiodini G, Rouwet D (2018) Global-scale control of extensional tectonics on CO2 earth degassing. Nature Communications doi: 10.1038/s41467-018-07087-z
• de Moor JM, Aiuppa A, Pacheco J, Avard G, Kern C, Liuzzo M, Martínez M, Giudice G, Fischer TP (2016) Short-period volcanic gas precursors to phreatic eruptions: Insights from Poás Volcano, Costa Rica. Earth and Planetary Science Letters doi: 10.1016/j.epsl.2016.02.056
• McCormick Kilbride B, Edmonds M, Biggs J (2016) Observando erupciones de magmas ricos en gas y compresibles desde el espacio. Nature Communications doi:10.1038/ncomms13744
• Johansson L, Zahirovic S, Müller RD (2018) La interacción entre la erupción y la meteorización de las Grandes Provincias Ígneas y el ciclo del carbono en tiempo profundo. Geophysical Research Letters doi: 10.1029/2017GL076691
• Kelemen PB, Manning CE (2015) Reevaluando los flujos de carbono en las zonas de subducción, lo que baja, mayormente sube. PNAS doi: 10.1073/pnas.1507889112
• Elementos número especial sobre Perturbaciones catastróficas del ciclo del carbono de la Tierra. En prensa, previsto para el 1 de octubre de 2019. Los artículos se pueden previsualizar en http://bit.ly/2mzTR2s
• Werner C, Fischer TP, Aiuppa A, Edmonds M, Cardellini C, Carn S, Chiodini G, Cottrell E, Burton M, Shinohara H, Allard P (2019) Carbon Dioxide Emissions from Subaerial Volcanic Regions: Two Decades in Review. Deep Carbon: Past to Present. Cambridge University Press
• Hauri EH, Cottrell E, Kelley KA, Tucker JM, Shimizu K, Le Voyer M, Marske J, Saal AE (2019) Carbon in the Convecting Mantle. Deep Carbon: Past to Present. Cambridge University Press
• Lee C-T A, Jiang H, Dasgupta R, Torres M (2019) A Framework for Understanding Whole-Earth Carbon Cycling. Deep Carbon: Past to Present. Cambridge University Press

Ilustraciones:

Figura reproducida de Werner et al., 2019:

Los nuevos datos de flujo de CO2 de los volcanes mostraron que los volcanes inactivos, así como los volcanes activos, emiten grandes flujos de CO2 previamente «no vistos», derivados de la desgasificación de cuerpos de magma en la corteza inferior. Estos flujos difusos de CO2 contribuyen en gran medida al flujo total de carbono de desgasificación volcánica.

http://bit.ly/2mVki2U

El vulcanólogo del DCO Brendan McCormick instalando un dispositivo de monitorización DECADE MultiGAS en el volcán Rabaul, en Papúa Nueva Guinea. Imagen cortesía de Emma Liu, Universidad de Cambridge.

http://bit.ly/2mNBkzM

Utilizando los dispositivos de monitorización permanente de gases DECADE, los científicos del DCO observaron cambios notables en la composición de las emisiones de gases antes de las erupciones en los volcanes Póas y Turrialba en Costa Rica. En la imagen, el lago del cráter del volcán Póas en 2014. Crédito: Katie Pratt, Universidad de Rhode Island, Estados Unidos

http://bit.ly/2kVHZaM

Muestreo de gases en el volcán Lastarria (norte de Chile) durante la expedición Trail by Fire (http://www.trailbyfire.org/). Crédito: Yves Moussallam, Observatorio de la Tierra Lamont Doherty

http://bit.ly/2lp0MeK

Los vulcanólogos utilizan cada vez más vehículos aéreos (también conocidos como drones) para hacer volar sus equipos de muestreo a través de plumas de gas volcánicas que de otro modo serían inalcanzables. Preparándose para un vuelo en el borde del cráter del volcán Lascar (norte de Chile) durante la expedición Trail by Fire (http://www.trailbyfire.org/). Crédito: Yves Moussallam, Observatorio de la Tierra Lamont Doherty

http://bit.ly/2mUuWHc