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Un estudio encuentra que las emisiones de dióxido de carbono pueden desencadenar un reflejo en el ciclo del carbono, con consecuencias devastadoras
Oficina de Noticias del MIT: Por Jennifer Chu | En el cerebro, cuando las neuronas disparan señales eléctricas a sus vecinos, esto sucede a través de una respuesta de “todo o nada”. La señal solo ocurre una vez que las condiciones en la celda superan un cierto umbral. Ahora, un investigador del MIT ha observado un fenómeno similar en un sistema completamente diferente: el ciclo de carbono de la Tierra.
Daniel Rothman, profesor de geofísica y codirector del Centro Lorenz en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias del MIT, descubrió que cuando la velocidad a la que el dióxido de carbono ingresa en los océanos supera un cierto umbral, ya sea como resultado de una estallido repentino o una afluencia lenta y constante: la Tierra puede responder con una cascada de retroalimentación química desbocada, lo que lleva a una acidificación extrema del océano que amplifica dramáticamente los efectos del disparador original.
Este reflejo global provoca enormes cambios en la cantidad de carbono que se encuentra en los océanos de la Tierra, y los geólogos pueden ver evidencia de estos cambios en las capas de sedimentos preservados durante cientos de millones de años.
Rothman examinó estos registros geológicos y observó que durante los últimos 540 millones de años, la reserva de carbono en el océano cambió bruscamente, luego se recuperó, docenas de veces de una manera similar a la naturaleza abrupta de un pico neuronal. Esta “excitación” del ciclo del carbono ocurrió más dramáticamente cerca del momento de cuatro de las cinco grandes extinciones en masa en la historia de la Tierra.
Los científicos han atribuido diversos desencadenantes a estos eventos y han asumido que los cambios en el carbono oceánico que siguieron fueron proporcionales al desencadenante inicial; por ejemplo, cuanto más pequeño es el desencadenante, menor es la lluvia ambiental.
Pero Rothman dice que ese no es el caso. No importaba lo que inicialmente causó los eventos; para aproximadamente la mitad de las interrupciones en su base de datos, una vez que se pusieron en marcha, la velocidad a la que aumentó el carbono fue esencialmente la misma. Es probable que su tasa característica sea una propiedad del ciclo del carbono en sí, no de los disparadores, ya que diferentes disparadores operarán a tasas diferentes.
¿Qué tiene todo esto que ver con nuestro clima moderno? Los océanos de hoy están absorbiendo carbono alrededor de un orden de magnitud más rápido que el peor de los casos en el registro geológico: la extinción del final del Pérmico. Pero los humanos solo han estado bombeando dióxido de carbono a la atmósfera durante cientos de años, en comparación con las decenas de miles de años o más que tomaron las erupciones volcánicas u otras perturbaciones para desencadenar las grandes interrupciones ambientales del pasado. ¿Podría el aumento moderno de carbono ser demasiado breve para provocar una interrupción importante?
Según Rothman, hoy estamos “en el precipicio de la excitación”, y si ocurre, el pico resultante, como se evidencia a través de la acidificación de los océanos, la extinción de especies y más, es probable que sea similar a las catástrofes globales del pasado.
“Una vez que hayamos superado el umbral, puede que no importa cómo hayamos llegado”, dice Rothman, quien publicará sus resultados esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias. “Una vez que lo superas, estás tratando con la forma en que funciona la Tierra, y sigue su propio camino”.
Una retroalimentación de carbono
En 2017, Rothman hizo una terrible predicción: para finales de este siglo, es probable que el planeta alcance un umbral crítico, basado en la rápida velocidad a la que los humanos están agregando dióxido de carbono a la atmósfera. Cuando crucemos ese umbral, es probable que pongamos en marcha un tren de carga de consecuencias, que potencialmente culminará en la sexta extinción en masa de la Tierra.
Desde entonces, Rothman ha tratado de comprender mejor esta predicción y, de manera más general, la forma en que responde el ciclo del carbono una vez que supera un umbral crítico. En el nuevo documento, ha desarrollado un modelo matemático simple para representar el ciclo del carbono en el océano superior de la Tierra y cómo podría comportarse cuando este umbral se cruce.
Los científicos saben que cuando el dióxido de carbono de la atmósfera se disuelve en el agua de mar, no solo hace que los océanos sean más ácidos, sino que también disminuye la concentración de iones de carbonato. Cuando la concentración de ión carbonato cae por debajo de un umbral, las capas de carbonato de calcio se disuelven. Los organismos que hacen que les vaya mal en condiciones tan duras.
Las conchas, además de proteger la vida marina, proporcionan un “efecto de lastre”, que pesa a los organismos y les permite hundirse en el fondo del océano junto con el carbono orgánico detrítico, eliminando el dióxido de carbono de la parte superior del océano. Pero en un mundo donde aumenta el dióxido de carbono, menos organismos calcificantes deberían significar que se elimina menos dióxido de carbono.
“Es una respuesta positiva”, dice Rothman. “Más dióxido de carbon
De lleva a más dióxido de carbono. La pregunta desde un punto de vista matemático es: ¿es tal retroalimentación suficiente para hacer que el sistema sea inestable?
“Un ascenso inexorable”
Rothman capturó esta retroalimentación positiva en su nuevo modelo, que comprende dos ecuaciones diferenciales que describen las interacciones entre los diversos componentes químicos en el océano superior. Luego observó cómo respondía el modelo mientras bombeaba dióxido de carbono adicional al sistema, a diferentes velocidades y cantidades.
Encontró que no importa la velocidad a la que agregó dióxido de carbono a un sistema ya estable, el ciclo del carbono en el océano superior se mantuvo estable. En respuesta a modestas perturbaciones, el ciclo del carbono se desvanecería temporalmente y experimentaría un breve período de leve acidificación del océano, pero siempre volvería a su estado original en lugar de oscilar hacia un nuevo equilibrio.
Cuando introdujo el dióxido de carbono a mayor velocidad, descubrió que una vez que los niveles cruzaban un umbral crítico, el ciclo del carbono reaccionaba con una cascada de retroalimentaciones positivas que magnificaban el disparador original, haciendo que todo el sistema se disparara, en forma de severa acidificación oceánica. . El sistema, finalmente, regresó al equilibrio, después de decenas de miles de años en los océanos de hoy, una indicación de que, a pesar de una reacción violenta, el ciclo del carbono recuperará su estado estable.
Este patrón coincide con el registro geológico, encontró Rothman. La tasa característica mostrada por la mitad de su base de datos es el resultado de excitaciones anteriores, pero cercanas al umbral. Las interrupciones ambientales asociadas con la extinción masiva son valores atípicos, representan excitaciones mucho más allá del umbral. Al menos tres de esos casos pueden estar relacionados con un volcanismo masivo sostenido.
“Cuando superas un umbral, obtienes un tiro libre del sistema respondiendo solo”, explica Rothman. “El sistema está en un ascenso inexorable. Esto es lo que es la excitabilidad y cómo funciona una neurona también “.
Aunque el carbono está entrando a los océanos hoy a un ritmo sin precedentes, lo está haciendo en un tiempo geológicamente breve. El modelo de Rothman predice que los dos efectos se cancelan: las velocidades más rápidas nos acercan al umbral, pero las duraciones más cortas nos alejan. En lo que se refiere al umbral, el mundo moderno se encuentra aproximadamente en el mismo lugar que durante períodos más largos de volcanismo masivo.
En otras palabras, si las emisiones de hoy inducidas por el hombre cruzan el umbral y continúan más allá de él, como Rothman predice que lo harán pronto, las consecuencias pueden ser tan graves como lo que experimentó la Tierra durante sus extinciones en masa anteriores.
“Es difícil saber cómo terminarán las cosas dado lo que está sucediendo hoy”, dice Rothman. “Pero probablemente estemos cerca de un umbral crítico. Cualquier pico alcanzaría su máximo después de unos 10.000 años. Espero que eso nos dé tiempo para encontrar una solución “.
“Ya sabemos que nuestras acciones de emisión de CO2 tendrán consecuencias durante muchos milenios”, dice Timothy Lenton, profesor de cambio climático y ciencia de los sistemas terrestres en la Universidad de Exeter. “Este estudio sugiere que esas consecuencias podrían ser mucho más dramáticas de lo que se esperaba anteriormente. Si presionamos el sistema de la Tierra demasiado lejos, entonces toma el control y determina su propia respuesta; más allá de ese punto, poco podremos hacer al respecto ”.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la NASA y la Fundación Nacional de Ciencia.
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