La liberación masiva de dióxido de carbono (C02) está provocando
un fenómeno submarino que pocos han percibido: el agua de los océanos se
está poniendo ácida y los esqueletos de los animales marinos se
debilitan porque están hechos de carbonato de calcio. En contraste, las
algas marinas se reproducen masivamente porque están siendo fertilizadas
con mucho carbono. Ese cambio en el nivel de acidez (o pH) del agua
marina produce una menor disponibilidad de calcita, dragonita y otros
carbonatos con los que se forman los arrecifes, los esqueletos y las
conchas de muchas especies marinas.
Los océanos que cubren dos terceras partes de la superficie de la
tierra, contienen las nueve décimas partes de los recursos de agua y el
90 por ciento de la biomasa viviente del mundo y son fuente primaria de
alimento para más de tres mil millones y medio de personas. Además son
un recurso económico vital que proporciona sus medios de vida a millones
de personas en todo el mundo. Junto con los organismos que alberga
contienen en total alrededor de 38.000 Gt Carbón. Esto representa
aproximadamente el 95% del carbón total que se encuentra en los océanos,
atmósfera y sistema terrestre, constituyendo un reservorio substancial
de carbón (Riebesell U. et al., 2010). Esto demuestra el papel integral
que desempeñan los océanos en los procesos naturales del ciclo del
carbón a escala mundial (Turley C. 2010).
Los océanos intercambian carbón en forma de CO2 con la atmósfera y
proporcionan un importante sumidero de CO2. El intercambio de dióxido de
carbón es un proceso bidireccional, ya que el océano y la atmósfera se
encuentran en todo momento absorbiendo y liberando CO2 (Kleypas et al.,
1999,).
Las aguas superficiales de los océanos son ligeramente alcalinas, con un
pH promedio alrededor de 8.2, aunque esto varía en los océanos
alrededor de ±0.3 unidades, debido a las variaciones estaciónales,
locales y regionales. El parámetro pH refleja el estado termodinámico de
todo el sistema ácido-base presente en el agua de mar, en particular
respecto al sistema geoquímica del CO2 y es indicativo de procesos
biológicos como fotosíntesis y respiración.
El dióxido de carbono en la atmósfera se disuelve en las aguas
superficiales de los océanos y establece una concentración en equilibrio
con la concentración de la atmósfera. Las altas concentraciones de
dióxido de carbono en el planeta no solamente afectan a la atmósfera y
generan el calentamiento global; también ocasionan graves daños en los
océanos, cuyas aguas se vuelven ácidas por el exceso de ese contaminante
(IPCC, 2001).
La acidificación oceánica (bajando el pH-la medición de la acidez), se
consideró por primera vez como un tema de gran importancia en el año
2005, con la publicación del informe de Royal Society (2005). Aunque ya
existían referencias sobre esta problemática en la literatura, incluso
desde los años 70, éstas aumentaran en número desde unos diez años antes
de publicarse dicho informe.
Los ecosistemas oceánicos juegan un papel importante en el cambio
climático actuando como moderador del clima (Sommer M., 2009). El océano
funciona como un almacén de la energía solar que recibe y la distribuye
por medio de la circulación oceánica entre el ecuador y los polos y
entre la superficie y el fondo (Fig.1). Por otro lado, el océano actúa
modificando la concentración de C02 en la atmósfera que es el gas
invernadero más importante después del vapor de agua.
La liberación masiva de dióxido de carbono (C02) está provocando un
fenómeno submarino que pocos han percibido: el agua de los océanos se
está poniendo ácida y los esqueletos de los animales marinos se
debilitan porque están hechos de carbonato de calcio. En contraste, las
algas marinas se reproducen masivamente porque están siendo fertilizadas
con mucho carbono. Ese cambio en el nivel de acidez (o pH) del agua
marina produce una menor disponibilidad de calcita, dragonita y otros
carbonatos con los que se forman los arrecifes, los esqueletos y las
conchas de muchas especies marinas (Riebesell U. et al., 2010).
Desde el final de la primera Revolución Industrial (Fig. 2), en los años
1830s, la quema indiscriminada de combustibles fósiles, la
deforestación y la producción de cemento han emitido a la atmósfera más
de 440.000 millones de toneladas de C02 (la mitad de ellos durante los
últimos 30 años) (Keeling et al., 1995, Khatiwala et al., 2009).
El trabajo de Havenhand J.N. et al., (2008), publicado en la revista
Current Biology, afirma que el pH del agua de la superficie del mar ha
disminuido hasta en un 25% desde el inicio de la industrialización. Este
aumento de la acidez, aseguran estos expertos, amenaza la viabilidad de
muchas especies marinas.
Aproximadamente el 50 por ciento de las emisiones permanecen en la
atmósfera, el otro 50 por ciento es secuestrado por el océano y la
vegetación terrestre (Bates et al., 2007). Por tanto, el océano se
comporta como un sumidero de CO2 secuestrando y jugando un papel como
depósito de CO2, conteniendo unas 50 veces más que la atmósfera y 20
veces más que la biosfera (Fig.2). Las concentraciones atmosféricas de
C02 se sitúa en torno a 390 ppmv y el pH superficial del océano en 8.1
(Ríos, A... 2009, Takahashi et al., 2002).
Actualmente hay un consenso científico en que la acidificación oceánica
es un hecho real y supone una amenaza importante para la vida marina.
Por ejemplo, la Declaración sobre la Acidificación Oceánica del Panel
Inter-Académico de Asuntos Internacionales (2009) afirma que aún con la
estabilización del C02 atmosférico en 450 ppmv, la acidificación
oceánica tendrá impactos trascendentales en muchos ecosistemas marinos
(Fig.3).
Se predice que los niveles de CO2 continuarán incrementándose de manera
drástica durante el siguiente siglo y probablemente durante mucho más
tiempo, y a menos que se reduzcan sustancialmente las emisiones, podría
llegar a niveles superiores a 1000 ppm para el año 2100, algo superior a
lo experimentado en la Tierra durante varios millones de años (Langdon
et al., 2003, Hall-Spencer et al., 2008). Se necesita una reducción
rápida de al menos el 50 por ciento de las emisiones globales de C02
para el año 2050. En la historia de la tierra el equilibrio ácido base
del océano ha sido relativamente constante. Las burbujas atrapadas en
las capas de hielo proporcionan un registro de los niveles pretéritos de
C02 atmosférico, a partir de los cuales se puede calcular el pH del
océano. Los testigos extraídos del hielo pueden leerse de forma parecida
a los anillos de los árboles: las capas superficiales reflejan las
condiciones más recientes mientras que las más profundas fueron
depositadas hace mucho tiempo. Estos testigos muestran que durante los
últimos 800.000 años, hasta mediados de los años 1800s, los niveles
atmosféricos de C02 nunca superaron las 280 ppmv, mientras el pH del
agua de mar se mantenía alrededor de 8,2. El artículo de Zeebe et al.
(2008) en la revista Science subraya que la reducción de las emisiones
de CO2 no sólo ayudaría a combatir el cambio climático, sino también la
acidificación de los océanos. En cualquier caso, los científicos
recuerdan que una vez que el pH del océano ha descendido, llevará miles
de años revertir el cambio, aunque se asuman medidas para reducir las
emisiones de CO2. Por ello, algunos expertos recomiendan prepararse para
posibles impactos negativos que puedan afectar, por ejemplo, a las
pesquerías.
Otras publicaciones se muestran más cautelosas y no atribuyen al ser
humano toda la responsabilidad de la acidez oceánica, se describen que
hay un gran afloramiento de agua más ácida proveniente de la
profundidad. Las aguas del océano profundo son más frías que las aguas
superficiales y contienen más carbono que se mezcla con el agua marina y
forma ácido carbónico.
La acidificación oceánica es muy distinta del cambio climático. El
cambio climático representa un conjunto mucho más amplio de
consecuencias para las actividades humanas afectando a diferentes
procesos cuya frecuencia, escala y efectos varían desde niveles
predecibles hasta algún altamente incierto. Las implicaciones podrían
llegar a ser tan importantes como las asociadas con el calentamiento
global. De hecho mientras éste último resulta un tanto elusivo y es
difícil de monitorizar, la acidificación oceánica puede ser
cuantificada, es predecible y es progresiva
Hay factores que pueden influenciar de manera local las principales
reacciones químicas del CO2 con el agua de mar y sumarse a los efectos
de la acidificación oceánica. La figura 4 muestra las presiones
impuestas por el hombre en las zonas costeras. Las aguas costeras se ven
afectadas también por el exceso de aporte de nutrientes, principalmente
nitrógeno, procedente de la agricultura, los fertilizantes y las aguas
residuales. La eutrofización resultante promueve grandes proliferaciones
de plancton, que cuando se colapsan y sedimentan al fondo del mar,
estimulan la acción bacteriana sobre toda esta materia y provoca un
descenso del oxigeno disuelto en el agua de mar y un incremento del CO2
(que reduce el pH) (Sommer M., 2010).
Cuando el CO2 emitido a la atmósfera se disuelve en el agua de mar,
tienen lugar una serie de reacciones químicas que resultan ser conocidas
por el proceso de la acidificación oceánica, también denominada el
problema del CO2 (Fig.5-1). El ciclo del carbono en el océano, en sus
formas orgánicas e inorgánicas está gobernado por procesos físicos y
biológicos. Estos procesos son conocidos como bomba física (o de
solubilidad) y bomba biológica. Ambas bombas actúan incrementando las
concentraciones del CO2 dentro del océano (Takahashi, K., 1989).
Cabe destacar dos reacciones importantes.
Primeramente, la formación de ácido carbónico, con la consiguiente liberación de iones hidrógeno (Fig. 5-2,3).
En está reacción la liberación de iones hidrógeno incrementa la acidez,
reduciendo el pH. Esta disolución de CO2 ha bajado el pH promedio de los
océanos cerca de 0.1 unidades desde los tiempos pre-industriales
(Caldeira, K. y Wickett, M. E., 2003.). Este valor puede parecer
pequeño, pero debido a la forma en que se mide el pH, este cambio
representa un aumento del 30% en la concentración de los iones de
hidrógeno, lo cual es una considerable acidificación del océano. El
aumento de la concentración atmosférica de CO2 conducirá a una mayor
acidificación de los océanos (Barker y Elderfiel, 2002).
Es importante tener presente que cualquier cambio en los procesos
biológicos en las aguas superficiales del océano también afectará a las
aguas más profundas. Esto se debe a que los organismos y el hábitat que
viven en los niveles más bajos de los océanos -lejos de la luz del sol-
se basan principalmente en los productos creados por las diferentes
formas de vida en las aguas superficiales. Posteriormente se produce una
segunda reacción (Fig.5-3), entre los iones carbonatos el dióxido de
carbonato y el agua que produce iones bicarbonato. El efecto combinado
de estas reacciones no solamente aumenta la acidez sino que además
reduce la disponibilidad de iones carbonato. Estos iones son necesarios
para el proceso de calcificación, mediante el cual se produce las
conchas y esqueletos calcáreos de muchos organismos. La Red Europea de
Excelencia para el Análisis de los Ecosistemas Oceánicos (EUR-OCEANS, http://www.eur-oceans.eu/)
recuerda que los océanos del Sur y el Ártico, más fríos y ácidos,
podrían volverse totalmente inhóspitos a finales de este siglo para este
tipo de organismos.
El impacto de la creciente concentración de CO2 y posteriormente la
acidificación del océano, puede afectar en un mediano plazo a todas las
formas de vida. Como un efecto indirecto sin embargo casi inmediato
encontramos el impacto sobre los organismos marinos, dichos efectos son
derivados de los cambios en la disponibilidad ó la composición de
nutrientes como resultado del aumento de la acidez (Feely et al., 2004).
El ciclo del carbono en sus formas orgánicas e inorgánicas está
gobernado por procesos físicos y biológicos. Estos procesos son
conocidos como bomba física (o de solubilidad) y bomba biológica. Ambas
bombas actúan incrementando las concentraciones de CO2 dentro del océano
(Takahashi, K., 1989).
La bomba física (Fig.6) está conducida por el intercambio
de CO2 en la interfase atmósfera océano y por el proceso físico que
transporta CO2 al océano profundo. El CO2 atmosférico entra en el océano
por intercambio gaseoso dependiendo de la velocidad del viento y de la
diferencia de las presiones parciales entre la atmósfera y el océano. La
solubilidad del CO2 en agua de mar es muchas veces mayor que la de
otros gases como el nitrógeno o el oxígeno.
Esta diferencia es debida a la reacción con el carbonato:
Esta reacción tiene una constante de equilibrio muy grande que hace que
la mayoría del CO2 que entra al océano se convierta rápidamente en
bicarbonato.
Cuanto más fría es el agua de mar más CO2 se disuelve en ella. Mientras
que en mares tropicales y subtropicales se desprende dióxido de carbono a
la atmósfera.
Groenlandia y los océanos antárticos tienen una notable importancia para
la bomba física, pues mediante el hundimiento de las aguas
superficiales se va transportando el CO2 de la atmósfera a las aguas
profundas, luego de años por surgerencia esas aguas vuelven a subir a la
superficie.
Bomba biológica (Fig. 7) consiste en un transporte de CO2 desde
la superficie del océano hacia el fondo mediante la producción
fitoplanctónica. Las aguas superficiales oceánicas están habitualmente
sobresaturadas debido al oxígeno liberado durante la fotosíntesis. Cerca
del fondo de la zona fótica hay un balance entre la cantidad de carbono
que el fitoplanctón fija por fotosíntesis y la cantidad que disipa por
respiración. La profundidad a la que este balance tiene lugar se
denomina profundidad de compensación, debajo de esta no hay crecimiento
fitoplanctónico neto.
Parte del fitoplanctón entra en la cadena trófica y otra se muere. La
materia orgánica en forma de desechos biogénicos es transportada a las
capas más profundas de los océanos vía sedimentación gravitatoria donde
se oxida y se descompone. La mayor parte de los desechos biogénicos
están compuestos de carbono, tanto la materia orgánica blanda como los
esqueletos calcáreos compuestos por carbonato cálcico, tales como las
conchas de los moluscos. Una parte de la materia orgánica alcanza el
lecho marino incorporándose a los sedimentos como consecuencia de la
bomba biológica las aguas del fondo de los océanos contienen mucho más
CO2 y están sobresaturadas. Este desequilibrio se mantiene gracias a la
estratificación vertical de la densidad en la columna de agua. El CO2
queda atrapado en las aguas frías y profundas de los océanos.
La contra-bomba de cal
La tercera, la contra-bomba de carbonato actúa en forma contraria a las
otras dos bombas y lleva a la liberación de dióxido de carbono en la
atmósfera. Comienza con la formación de capas de cal de organismos
marinos, sobre todo de corales y algas de cal plancticas. Aunque parezca
que las formaciones de cal enlacen grandes cantidades de dióxido de
carbono, en realidad sucede lo contrario: con la formación de cal se
produce CO2. La misma está condicionada por la reacción química,
formándose de cada dos HCO3, una molécula de cal (CO2), agua y CO2
correspondientemente. Por tal motivo la formación de cal conduce a un
aumento de la concentración de CO2 en el mar, que se nivela con la
concentración atmosférica, mientras se libera dióxido de carbono.
Cálculos recientes muestran que la formación de cal en arrecifes es
aproximadamente cuatro veces más grande que en las algas de cal. Ya que
los arrecifes se encuentran en mares cálidos pocos profundos, además que
la solubilidad del dióxido de carbono es escasa en aguas cálidas y el
gas abandona tanto más rápido el agua de mar.
Una de las implicaciones más importantes de la acidificación de los
océanos se refiere al hecho de que muchos organismos marinos
fotosintéticos y animales, tales como foraminíferos, cocolitofóridos,
corales de agua cálida y fría, moluscos terópodos, equinodermos, algunos
crustáceos y macro algas forman sus conchas y placas de carbonato de
calcio (CaCO3) (Fig.9). Además de la calcificación, la acidificación
podría provocar diversos efectos negativos directos en la fisiología y
reproducción de los seres vivos, como por ejemplo hipercapnia (presencia
excesiva de CO2 en los fluidos corporales). Otras consecuencias podrían
ser más indirectas, pero no menos preocupantes, como el descenso de los
recursos alimenticios o la destrucción del hábitat de ciertas especies,
como las que viven en los arrecifes de coral.
Se ha observado en zonas tropicales o en el mar Mediterráneo, que la
alteración del pH y la temperatura de los mares y océanos promoverán la
proliferación de las especies con mayor capacidad de adaptación,
mientras que las criaturas más especializadas, que han basado su
estrategia evolutiva en su ajuste a las condiciones estables de los
océanos durante millones de años, serán los principales perjudicados.
Como también ocurre con la vida en tierra firme, los ojos de la opinión
pública se centran en el drama que se experimenta en los arrecifes de
coral, olvidando otras criaturas igualmente valiosas para el
mantenimiento de los ecosistemas marinos, en este caso el plancton
microscópico, situado en la base de una compleja cadena alimentaría de
la que dependen por igual criaturas marinas y millones de personas. Pero
la reducción drástica de las principales especies de fitoplancton
podría tener consecuencias no sólo sobre la vida marina, sino sobre el
clima de la Tierra.
El proceso de calcificación, el cual para algunos organismos marinos es
importante para su biología y supervivencia, se ve obstaculizado
progresivamente a medida que el agua se acidifica (se vuelve menos
alcalina). Este efecto negativo sobre la calcificación es uno de los más
evidentes y, posiblemente, el más grave de los impactos ambientales del
cambio climático (Barker y Elderfiel, 2002).
Los corales son uno de los indicadores confiables del cambio climático y
el efecto antropogénico en el ciclo del CO2. Veron en su libro A Reef
in Time (2010) se cuestiona el futuro de los arrecifes de coral del
mundo y concluye que los arrecifes de coral no son más que los canarios
de los océanos y su deplorable estado augura el empeoramiento de la
salud de los ecosistemas marinos.
Veron recuerda que, en las últimas décadas, se han escrito decenas de
artículos sobre las numerosas amenazas para los arrecifes de coral. En
las décadas de los 60 y 70, el riesgo fue personalizado en la corona de
espinas, una especia invasiva de estrella de mar que se alimenta de
coral.
En los 80 y 90, pese a que la presencia de la corona de espinas
continuaba multiplicándose, los artículos sobre el futuro de los
arrecifes se centraron en nuevas amenazas, tales como la erosión y
escorrentía de sedimentos, el empobrecimiento de los nutrientes, la
sobrepesca y la destrucción del hábitat en general. Ahora, sin embargo,
la amenaza es mucho mayor, según Veron. "Nada se acerca a la devastación
que está a punto de ocurrir". En esta ocasión, no se trata de amenazas
que minan poco a poco el futuro de zonas concretas de un ecosistema
complejo.
El origen del coral comienza cuando la larva ciliada llamada plánula,
abandona el medio planctónico y se fija en una superficie resistente
para transformarse en pólipo. Cambia entonces el cilio o flagelo, que le
servía para nadar, por una boca central rodeada por una corona de
tentáculos (Fig. 10).
El pólipo absorbe los iones de calcio y carbonato disueltos en el agua,
con los que construye su propio esqueleto, un resistente abrigo de
piedra caliza. Este esqueleto de carbonato de calcio conforma
generalmente una estructura hexameralmente simétrica. Por lo tanto un
coral es una construcción biológica conformada por los esqueletos
calcáreos de madréporas, agrupadas en colonias de pólipos y algas a lo
largo de las costas tropicales de aguas cálidas y poco profundas. Las
partes vivas forman una biocenosis compleja en la que encontramos
vegetales y animales, la parte animal que son los pólipos, viven fijos
por uno de sus extremos al sustrato, y en el otro extremo tienen la
boca, rodeada de tentáculos (Ginsburn, 1994).
El coral hospeda dentro de sus células diminutas algas unicelulares
llamadas zooxantelas que, mediante su fotosíntesis, son una fuente
importante de carbono para el coral y para su calcificación
(estructuración del esqueleto). Los experimentos indican que en la
mayoría de los casos hay una disminución de la tasa de calcificación del
coral cuando los niveles de CO2 aumentan; por tanto es evidente que la
subida de CO2, en lugar de protegerlas, en realidad disminuye la
capacidad de los corales para construir sus esqueletos y, por lo tanto,
su capacidad para soportar tormentas. Esto indica que, tarde o temprano,
el crecimiento será menor que la erosión natural y por tanto esos
arrecifes terminarán desapareciendo (Langdon, C et al., 2003). Se estima
que el 25 por ciento de las especies del océano pasan al menos una
parte de sus ciclos de vida en los arrecifes.
Entre las especies amenazadas por la acidificación del océano se
encuentran los corales tropicales y profundos, el plancton calcáreo y
los pterópodos de vida libre, debido a una mayor dificultad a la hora de
construir y mantener sus esqueletos y caparazón. Estas especies juegan
un papel clave en el océano, ya sea porque construyen estructuras
tridimensionales, como arrecifes de coral, que hospedan una diversidad
biológica considerable y actúan como protección costera o bien por ser
componentes clave de las cadenas tróficas y los ciclos biogeoquímicos
marinos (p.ej. plancton, calcáreo, pterópodos).
La vida en el océano se ha recuperado de numerosos episodios de
extinción repentinos gracias a la adaptación y evolución de nuevas
especies, pero las escalas de tiempo necesarias para la extinción y la
repoblación son de millones de años, no de unos pocos siglos. La
acidificación oceánica producida por el hombre está afectando al océano
de manera mucho más rápida que el ritmo de recuperación natural de la
tierra. La tasa actual de acidificación es 10 veces más rápida que
cualquier otra experimentada desde la era de los dinosaurios hace 65
millones de a años (Takahashi et al., 2009). Es un complicado proceso de
retroacción entre el presupuesto de carbono del mar y el clima. En el
caso del calentamiento por el efecto invernadero, podría disolverse
menos CO2 en el océano. La “bomba física” seguirá debilitándose porque
por medio del calentamiento del agua y la reducción del contenido de sal
producida por el deshielo de los glaciares y de las capas polares,
disminuyen la formación de aguas profundas en aguas cercanas a las zonas
polares; es decir que el agua superficial se volverá muy caliente y muy
liviana para hundirse. Según publicaciones paleooceanograficas, existen
incluso evidencias de que extinciones masivas ocurridas en la historia
de la Tierra, como la ocurrida hace 251 millones de años, fueron
acompañadas de eventos pretéritos de acidificación oceánica, que habría
contribuido en causar la mortalidad de especies que no pudieron resistir
el cambio. Los estudios de estos períodos del pasado proporcionan
información muy valiosa sobre lo que podría ocurrir en el futuro si
continuamos empujando la acidificación de los océanos hacia límites
todavía más extremos.
El concepto de Desarrollo Sustentable ofrece una mirada distinta en la
búsqueda de un desarrollo equilibrado entre economía, sociedad y
ambiente. La oceanología tiene mucho que aportar para comprender el
pasado y rediseñar el futuro.
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