En este curso, el estudiante aprenderá las bases de la ciencia oceanográfica. Cómo se clasifica y se ha formado el fondo marino, cómo funcionan los actuales sistemas de análisis del mar por satélite, la química del océano y los procesos que han llevado a su formación. Este curso enfoca la meteorología y climatología oceánicas desde la perspectiva de los conocimientos básicos que necesitan los navegantes para participar en una regata como la Barcelona World Race, la única una vuelta al mundo sin escalas con dos tripulantes.
4.3 Vídeo: El sistema carbónico carbonato
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Del curso dictado por Universitat de Barcelona
Oceanografía: una clave para entender mejor nuestro mundo
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De la lección
4. Química oceánica: una industria química con tuberías sin paredes.
En esta sección aprenderás la química oceánica ¿en qué consiste? ¿cómo funciona? ¿qué es el eje vertical de la biosfera y la segregació vertical de los elementos y cómo funciona? ¿qué es el sistema carbónico carbonato y cuál es su relación con la cinta transportadora oceánica?. Las respuestas a todos estos interrogantes nos ayudarán a entender como funcionan los océanos, la importancia para la navegación y su relación con el clima del planeta.
Conoce a los instructores
Jordi Salat
Institut Ciències del Mar, CSIC
Jordi SerraDr.
Grupo de Geociencias Marinas
[MUSIC]
En esta lección vamos a hablar del sistema de carbono.
Mejor dicho, el sistema carbónico y de carbonato.
Digo ésto porque podríamos hablar del ciclo del carbono.
El ciclo del carbono, todo el mundo se imagina lo que es,
tenemos depósitos de carbono en la atmósfera, en los organismos, en el mar.
Y hay unos flujos de carbono entre los distintos compartimentos regulados por
distintos parámetro o dirigidos por distintos procesos.
Sin embargo, para introducir conceptos fundamentales en química marina,
vamos a dedicaros sobre todo a los que es el carbono.
Sobretodo el inorgánico,
y algo de relación básicamente con la vida y con el carbono orgánico,
pero desde el punto de vista de los equilibrios químicos marinos.
En este mapa vemos algo que es el carbono orgánico particulado,
y es interesante desde el punto de vista químico plantearlo así.
Porque realmente carbónico orgánico particulado,
es casi casi un eufemismo para decir organismo, o sea, donde hay biomasa.
Y por lo tanto vemos que la biomasa está concentrada,
como vimos, en zonas digamos más ricas.
Con mayores nutrientes y que también acumulan mayor biomasa.
Ésta sería la parte superficial de los océanos donde hay
esta actividad biológica que procesa carbono.
Y las concentraciones son bastantes bajas, y los lugares
donde son muy altas pueden alcanzar 100, 120 miligramos por metro cúbico.
El sistema carbónico carbonatos se basa en
los flujos y los intercambios de formas del carbono inorgánico, básicamente
el dióxido de carbono, el ácido carbónico, el bicarbonato y el carbonato.
Se pueden escribir una ecuaciones químicas,
en las cuales podemos escribir por ejemplo, cómo el agua
y el dióxido de carbono están en equilibrio con el ácido carbónico.
El ácido carbónico en el agua, digamos cuando está en equilibrio,
es una parte muy pequeña de esta ecuación, es decir, esta ecuación,
sobre todo, estaría en esta forma y habría muy poca concentración de ácido carbónico.
Otra ecuación podría ser el ácido carbónico que
se disocia en bicarbonato y un protón.
Y lo otro sería que este bicarbonato, se disocia en un carbonato y un protón.
Claro, estas ecuaciones están, son cosas que están pasando en un mismo sitio.
Es decir, no están separadas,
sino que todo ésto está pasando y es una forma de escribirlo.
Se puede describir de muchas maneras,
desde el punto de vista de lo que sería la práctica química, de la metodología de los
algoritmos de cálculo de la química, pues se podría escribir de muchas maneras.
Y también podemos sumarlo.
Si nosotros sumamos estas ecuaciones,
es obvio que al sumar, vemos que en este lado,
y en este lado aparecen protones, aquí el ácido carbónico y ácido carbónico.
Y finalmente nos queda una ecuación que es fundamental
para entender los procesos del sistema carbónico.
Es decir, resumiendo, agua
con anhídrido carbónico e iones carbonato está en equilibrio con el bicarbonato.
Alguien ahora podría decir,
es que hemos hechos desaparecer cosas y hemos hecho desaparecer.
el ácido carbónico, que está en muy poca cantidad, esta casi todo en forma de CO2.
Agua, bicarbonato y carbonato, y hemos hecho desparecer los protones.
Y ésto alguien dirá, es que la concentración de protones es muy baja,
lo que pasa es que desde el punto de vista cualitativo es muy importante.
Es decir, el logaritmo de la inversa de la concentración de protones, es el pH.
Es decir, medimos la acidez mediante un cálculo sobre o
tomando un logaritmo del inverso de la concentración de protones.
Por lo tanto, todos sabemos que el pH del agua, la acidez del agua,
es muy importante.
Por lo tanto, vamos a ver que esta es la ecuación
básica y en general lo que se hace es que en la práctica se
usa la suma de dióxido de carbono y ácido carbónico,
como el carbono inorgánico que se llamaría CO2 práctico.
Y que sería el que estaría en equilibrio,
con cierta constante de proporcionalidad, con la presión parcial del CO2.
Ésto si que es interesante, porque el agua es superficial por ejemplo.
El intercambio que tiene de CO2 con la atmósfera,
será en función de la presión parcial de CO2.
Tenderá a equilibrarse.
Pero para equilibrarse necesitará un cierto tiempo,
y esto lo veremos enseguida.
¿Habíamos olvidado los protones?.
No, no los hemos olvidado.
Porque cuando nosotros queremos relacionar este sistema de carbonato,
de bicarbonato, etc.
Con el pH, con la concentración, tenemos que escribir estas ecuaciones,
estas ecuaciones las tenemos y además están muy bien estudiadas.
Tenemos las constantes de equilibrio.
Y nos permiten por ejemplo ver que,
en función del pH, qué formas de carbono inorgánico hay.
Y se puede calcular perfectamente, y por ejemplo, en un pH típico, típico del agua
de mar que es 8.2, pues la mayor parte de carbono está en forma de bicarbonato.
Hay muy poco carbonato y relativamente poco anhídrido carbónico.
Ésto es lo que hay.
Claro, la cuestión está en que ésto son proporciones.
Es decir, proporciones no quiere decir la concentración exacta,
sino que son, en cada uno de los pH, qué proporción hay de las distintas formas.
Pero es interesante pensar que la mayor parte está en forma de bicarbonato.
Un concepto asociado al sistema carbónico carbonatos.
Es lo que se llama la alcalinidad o la reserva alcalina del agua.
Y es una cuestión realmente muy importante, porque precisamente fijaos que
las distintas formas de carbonato, cambiando las
proporciones o las concentraciones de CO2, bicarbonato y carbonato.
Sin cambiar la concentración total de carbono,
se pueden cambiar las cargas eléctricas asociadas a este carbono.
Lo cual quiere decir, cargas eléctricas asociadas a este carbono,
pero que en realidad son cargas eléctricas que pueden estar compensadas,
o bien por protones, O bien por cationes, como el calcio, el magnesio, etc, etc.
Si nosotros en una muestra de agua típica mediana, aproximadamente,
sumamos los moles de carga.
Es decir, moles por metro cúbico de carga, de las principales formas, sodio, potasio,
calcio magnesio o cloruro, sulfato y bromuro.
Pues vemos que estos cationes suman 606.
y estos aniones suman 604.
Y hay dos cargas que son la suma de carbonato y bicarbonato,
ésta es lo que se llamaría la reserva alcalina, ¿por qué?
Porque si nosotros añadimos protones, el prontón se combina con el carbonato,
y sin cambiar la concentración de carbono,
podemos mantener la misma concentración de cargas.
Es decir, un equilibrio eléctrico,
que siempre tiene que estar equilibrada el agua eléctricamente.
¿Y ésto qué quiere decir, que añadimos protones,
que querría decir, aumentamos la acidez?
Pues no, no se aumenta la acidez porque este protón.
Es absorbido por el carbonato.
Es decir, que si el sistema carbónico carbonatos es un tamponador
del pH del agua.
A parte del carbono, es decir, a parte del carbonato y bicarbonato,
en este efecto tamponador juega un papel también los boratos, y otros.
Pero básicamente boratos, bicarbonatos, y carbonatos,
pero los más importantes son el carbonato y bicarbonato.
Y lo que se llama alcalinidad, se mide por los moles de carga
asociados a las concentraciones de bicarbonato y carbonato.
Por lo tanto, tiene mucha importancia el papel
del carbonato en la regulación del ph del agua, en particular del agua de mar.
Hay otro tema realmente interesante que es,
¿cómo se puede cambiar la concentración de CO2, por ejemplo en aguas superficiales?
¿Por qué?, pues
porque las aguas superficiales son las que están en contacto con la atmósfera,
por lo tanto los flujos dependerán de esta cantidad de CO2.
Y este CO2 del agua superficial está relacionado
con todo sistema carbónico carbonato del agua de mar.
Hay algunos procesos que lo que hacen es disminuir la concentración de CO2,
y otros que incrementan la concentración de CO2.
Entre los procesos, que consumen o que hacen disminuir la concentración de CO2,
están la fotosíntesis, la disolución de carbonato cálcico,
y el calentamiento del agua, veremos por qué.
Y los que hacen aumentar la cantidad de CO2
son la respiración de materia orgánica, el quemar carbono produce CO2,
la formación de carbonato cálcico y el incremento de CO2 atmosférico.
Que lógicamente puede hacer aumentar el flujo desde la atmósfera hacia el mar y
por lo tanto aumentar la concentración de CO2 en el mar.
La respiración básicamente podríamos decir que, podríamos resolverla perdón,
la fotosíntesis podríamos resolverla una ecuación de este tipo.
Es decir, tenemos CO2, tenemos agua, tenemos energía,
tenemos un organismo, tenemos nutrientes, tenemos todo esto pero desde
un punto de vista de carbono se transforma el CO2 y el agua en una molécula.
Grandes moléculas, distintas,
grandes de carbono orgánico, es decir, formando parte de más de una partícula.
Obviamente cuando hablamos de carbono orgánico no siempre está en
forma de partícula.
Puede estar disuelto, es decir, un organismo fabrica materia orgánica,
construye su cuerpo con materia orgánica, pero también exuda o segrega
o suelta, o muere y se deshace en materia orgánica disuelta.
Este es un tema sin embargo que ahora no nos tiene que preocupar en absoluto.
Lo que sí es interesante es pensar en esta ecuación la fotosíntesis extrae CO2.
Al extraer CO2, la reacción tiende a desplazarse a este lugar.
Pero al desplazarse hacia aquí, en función de si el carbonato está saturado o no.
Puede ocurrir que simplemente se desplace el equilibrio y aumente la cantidad de
carbonato disuelto.
O si el agua está saturada de carbonato puede haber precipitación de carbonato
cálcico.
Es decir, se pasa de la subsaturación o saturación a la sobresaturación
y precipita.
A parte de esto, hay organismos que you hemos dicho que biogénicamente
generan carbonato cálcico particular, es decir, mineral.
Formando pues, por ejemplo, sus esqueletos o sus caparazones.
La respiración, en cambio, sería un proceso al revés.
Ésto sería la composición media de la materia orgánica
que tenemos particulada en las aguas abiertas.
Fijaos que se representa que el carbono 106, nitrógeno 16,
fósforo hay uno, y si para cada fósforo hay 16 nitrógenos y 106 carbonos,
en una composición donde hay además oxígenos, hidrógenos,etc.
Consumen oxígeno, producen CO2, agua, nitrato y fosfato.
Ésta ecuación es importante conceptualmente.
Y, en la práctica, ¿qué significa la respirar?
Significa que aumenta la cantidad de CO2 que se combina con el carbonato y
al combinarse con el carbonato en medio acuoso da bicarbonato.
Por lo tanto cuando inyectamos CO2 en el sistema, disminuye la cantidad de
carbonato disuelto, pero aumenta la cantidad de bicarbonato.
Y aumenta lógicamente la cantidad de carbón inorgánico total,
porque hemos metido carbón inorgánico producto de la respiración.
Puede ser,
lógicamente que haya respiración y disolución de carbonato sólido.
Es decir, partículas minerales que entran.
Es decir, añadimos además en el sistema carbonato en forma sólido que, gracias
a la respiración que añade CO2 pues lo que hace es disolver también este carbonato.
Las ecuaciones se podrían representar de esta manera,
son algo más complejas pero básicamente es el mismo tipo de fenómeno.
Y finalmente hay una cuestión importante y es relacionar lo que sería Las
concentraciones totales de carbono inorgánico y la concentración de CO2.
La concentración de CO2 que estará relacionada mediante unos parámetros,
digamos, que se obtienen los valores de los parámetros
experimentalmente con la presión parcial de CO2.
Y esto es lo que nos darán los flujos de CO2 entre la atmósfera y el mar.
Pero esta concentración de CO2 está relacionada con carbón inorgánico total,
con la alcalinidad y con ciertos parámetros también aquí.
Por lo tanto la presión parcial de CO2 dependerá de una serie de parámetros y
de las concentraciones de las distintas formas de carbono inorgánico,
carbonato y bicarbonato.
Y carbono total.
Lo cual quiere decir que midiendo la alcalinidad y el carbono total,
etcétera, nosotros podemos saber qué cantidad de carbono,
en forma de dióxido de carbono hay.
¿Cómo es el flujo entre la atmósfera y el océano?
Planteo ésto porque es una de las cuestiones importantes,
y es obvio que si hay gran producción fotosintética,
absorberá CO2, esta es la parte biológica del proceso.
Y si haymucha respiración, habrá una tendencia a que la presión parcial de CO2
en el agua aumente, y habrá salida de CO2.
Pero hay una cuestión más simple que el nivel de los océanos es muy importantes y
es que simplemente.
Si tenemos un agua en equilibrio aquí en la atmósfera, Y enfriamos o calentamos
este agua debido a que la cantidad de CO2 que puede tener el agua depende de la
temperatura, cuanto más caliente menos CO2, cuanto más frío puede tener más CO2.
Cuando nosotros enfriamos el agua,
este agua que estaba en equilibrio, hay un déficit, se crea un déficit.
De CO2 en el agua, y por lo tanto habrá una tendencia a que haya un flujo de
la atmósfera hacia el mar simplemente porque el agua, por ejemplo,
cambia de latitud, va de latitudes bajas a latitudes altas y se va enfriando.
Al enfriarse, arrastra lo que era su concentración de CO2 de latitudes
bajas pero llega a latitudes más altas, se ha enfriado y queda en déficit de CO2,
por lo tanto absorberá CO2 atmosférico que es más o menos el mismo en todas partes.
Si calentamos el agua, es decir, el agua baja por ejemplo de latitud, de latitudes
altas que están frías, va bajando, se va calentando por más insolación, etc.
Lo que pasará es que quedará con un exceso de CO2, este exceso de CO2
hará que haya una salida de CO2 hacia la atmósfera.
Como el ritmo de la circulación marina no es exactamente igual, no va
acompasado perfectamente con el ritmo de circulación atmosférica que es más rápido.
La atmósfera se mezcla más que el mar,
y esto crea unas diferencias entre el tiempo de respuesta y este proceso.
Resultando que evidentemente hay unos flujos y unos transportes de CO2
entre la atmósfera y los océanos, que son importantes.
Lo que es importante aquí,
y por esto lo presento es el mecanismo, es un mecanismo que hay que tener en cuenta.
Finalmente, todos sabemos que el CO2 aumenta.
Y estas observaciones que todo el mundo conoce, por sus fluctuaciones
estacionales, pero con una tendencia clara de aumentar el CO2,
están seguidas o se siguen por el CO2 también, del agua de mar.
Y el CO2 del agua de mar,
aunque el sistema carbónico carbonatos sea realmente tampón.
Es decir, digamos que hace que no haya cambios de ph tan importantes
como pudiera haber si no estuvieran, El pH del agua de mar está bajando.
Y actualmente esto es un tema que es importante para la climatología y
es importante también para la biología marina.
Hay mucha gente dedicada al estudio de cuáles podrían ser los efectos de
este cambio de pH en los océanos.
Y es algo que es investigación, digamos, actual.
Y desde el punto de vista químico también es muy importante,
el mar es un depósito de carbón inorgánico.
Pero este carbón inorgánico que
es producto muchas veces lógicamente de carbón orgánico que baja
que sedimenta y se disuelve en las partes bajas del océano, va cargando el
océano con carbono inorgánico disuelto en sus formas concretas.
Pero hasta qué punto el mar puede mantener una cierta concentración o,
cuál es la concentración máxima que puede tener sin perjudicar ni la vida
ni los equilibrios ambientales de la y de la biosfera.
Esto es una cuestión que forma parte de los estudios futuros,
pero que se basan sobre todo en el conocimiento exacto de cuáles son estos
procesos químicos marinos.
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