Un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Chicago, la Universidad Rice y el Instituto de Tecnología de California arroja nueva luz sobre el delicado equilibrio de los ciclos biogeoquímicos que mantienen la Tierra templada, hidratada y próspera.

El ciclo de elementos entre los océanos, la atmósfera y la tierra desempeña un papel en el mantenimiento del clima estable, pero es tan complejo que los científicos suelen aislar partes del conjunto para tratar de comprender mejor cómo funcionan. Sin embargo, un nuevo estudio, publicado en las Proceedings of the National Academy of Sciences el 13 de marzo, ofrece un enfoque diferente.

En cambio, los investigadores ofrecen un punto de vista amplio y simplificado, utilizando un nuevo conjunto de herramientas matemáticas para iluminar las relaciones entre los diferentes ciclos químicos que antes eran difíciles de detectar.

"Nuestro enfoque proporciona una nueva forma de identificar los componentes fundamentales de la estabilidad en los componentes químicos del clima de la Tierra:las formas subyacentes en las que el clima puede estabilizarse a lo largo del tiempo geológico debido al movimiento de elementos a través del océano, la atmósfera y las rocas. reservorios", afirmó Preston Cosslett Kemeny, becario postdoctoral de TC Chamberlain de UChicago y primer autor del artículo.

"Esta es una forma elegante y simplificada de pensar en un problema enorme, que organiza muchas investigaciones previas sobre ciclos elementales en paquetes de reacciones químicas que pueden equilibrarse y comprenderse", dijo UChicago Asst. Prof. Clara Blättler, autora principal del artículo.

Ciclos y clima

A menudo damos por sentado que el planeta Tierra ha sustentado vida compleja durante cientos de millones de años. Pero esta estabilidad ciertamente no estaba garantizada:basta mirar a Marte y Venus, que se formaron aproximadamente a partir de los mismos materiales que la Tierra, pero que actualmente ni siquiera contienen agua líquida. ¿Cuál es el secreto de la Tierra?

Un aspecto clave es el ciclo químico. Elementos como el carbono, el azufre y el calcio se mueven entre la tierra, el océano y la atmósfera de maneras que han mantenido las condiciones en la superficie de la Tierra relativamente estables durante cientos de millones de años.

Por ejemplo, los científicos creen que las temperaturas del planeta se mantienen en parte gracias al carbono que se desplaza gradualmente de un lado a otro entre el océano, la atmósfera y la tierra. Cuando el dióxido de carbono se acumula en la atmósfera y calienta la superficie, hace que las rocas se descompongan más rápido, moviendo el carbono al océano y posteriormente a las rocas del fondo marino. A lo largo de millones de años, el planeta se va enfriando gradualmente a medida que el carbono es absorbido de la atmósfera.

Desenredar estos ciclos ha sido un trabajo de décadas. Es un desafío porque los ciclos duran millones de años, cambian sin cesar, tienen lugar en todo el mundo e interactúan entre sí constantemente. Es tan complejo que los científicos a menudo sólo examinan partes del panorama completo, generalmente considerando un número limitado de ciclos de elementos o un pequeño subconjunto de sus interacciones. Pero cuando faltan piezas del rompecabezas, los investigadores tienen que hacer suposiciones para llenar los vacíos.

Kemeny se preguntó si trabajar de esta manera podría tender a nublar el panorama general de cómo las interacciones biogeoquímicas dan lugar a la estabilidad planetaria.

Él, junto con Blättler, Mark Torres de la Universidad Rice y Woodward Fischer de Caltech, dieron un paso atrás. Realizaron un análisis matemático en el que consideraron una amplia gama de reacciones químicas que comprenden ciclos químicos importantes, pero no especificaron cómo o cuánto interactuaban los ciclos entre sí.

El resultado es un marco que identifica todas las combinaciones mayores y menores de reacciones que equilibran el ciclo del carbono de la Tierra y sus relaciones entre sí, algo que faltaba en el campo. Visto de esta manera, el clima de la Tierra puede representarse mediante un conjunto de ecuaciones químicas interconectadas que deben equilibrarse durante ciertos períodos de tiempo.

Los autores dijeron que su trabajo es útil a medida que los científicos continúan estudiando la historia de la Tierra y cómo el clima ha cambiado con el tiempo.

"Por ejemplo, supongamos que está considerando una hipótesis de por qué el clima cambió en el pasado, como el gran enfriamiento de los últimos 65 millones de años", dijo Kemeny. "Se puede tomar este marco y usarlo para decir, bueno, si el proceso X aumentó o disminuyó, entonces también debería haber causado que Y ocurriera, o habría sido necesario equilibrarlo con Z, y que hay que tener en cuenta esos resultados. entonces con esa predicción podemos buscar evidencia del funcionamiento conjunto de todo el sistema geoquímico".

Otras relaciones entre ciclos químicos pueden volverse visibles cuando se observan a vista de pájaro. "Por ejemplo, este análisis identificó una nueva forma de equilibrar los flujos de carbono en el sistema océano-atmósfera mientras se acumula oxígeno en la atmósfera", dijo Kemeny.

En su conjunto, "esperamos que sea una hermosa manera de ayudar a comprender todas las químicas que intervienen en hacer de la Tierra un lugar seguro para que evolucione la vida", afirmó Blättler.