Volcanes vs humanos: la carrera del CO2


Participación Geocarnaval

El impacto de estas emisiones antropogénicas se ha hecho más evidente en fechas recientes, cortesía de la pandemia de coronavirus que irrumpió el escenario mundial desde finales de 2019. El confinamiento, la restricción de eventos masivos, el cierre de establecimientos e industrias, así como la reducción del tráfico terrestre, marítimo y aéreo han generado una drástica reducción en la emisión de gases tóxicos hacia la atmósfera, especialmente de CO2.

En un sentido amplio, el vulcanismo es la expresión superficial del calor interno de la Tierra; es una evidencia de que nuestro planeta es un sistema dinámico y en sano funcionamiento.

De manera similar, la modificación de nuestro entorno en la superficie de la Tierra es evidencia del florecimiento de la civilización humana y de sus avances científicos y tecnológicos. Sin embargo, resulta claro que esta modificación es, la gran mayoría de las veces, poco agradable y saludable para nuestro planeta y sus sistemas. Y qué mejor ejemplo del impacto de la variable e incesante actividad humana que la emisión de toneladas de gases tóxicos hacia la atmósfera. De especial interés son los llamados “gases de efecto invernadero” (GEI’s), que absorben la radiación solar y pueden permanecen largo períodos de tiempo en la atmósfera (de pocos a cientos de años), calentándola. Los GEI’s más importantes por su abundancia e impacto en la temperatura atmosférica global son el dióxido de carbono (CO2), el vapor de agua (H2O), el metano (CH4) y el óxido nitroso (N2O).

Los niveles de CO2 atmosférico han variado notablemente a lo largo de la historia de la Tierra, y han estado estrechamente ligados a eventos geológicos. Se estima, por ejemplo, que durante el período Cámbrico (hace ~500 millones de años) las concentraciones de CO2 en la atmósfera pudieron ser entre 10 y 20 veces más altas que las actuales; estos valores habría disminuido durante los siguientes 200 millones de años hasta el Triásico (hace unos ~200 millones de años), alcanzando niveles 4-5 superiores a los actuales durante gran parte de la era Mesozoica. Desde el Eoceno temprano, hace ~54-48 millones de años, (un momento particularmente cálido en la historia de la Tierra, con concentraciones de CO2 atmosférico estimadas en hasta 2000-3000 ppm), los niveles de CO2 atmosférico habrían sufrido, en términos generales, un descenso gradual, hasta tiempos pre-industriales.

Desde la segunda mitad del siglo XIX, las concentraciones de CO2 en la atmósfera han aumentado de forma rápida y progresiva debido, principalmente, a los combustibles fósiles ricos en carbono (e.g. carbón y petróleo) que la humanidad quema para obtener energía. En 2019, la concentración atmosférica global promedio de CO2 se calculó en >410 partes por millón (ppm), un aumento del 30% respecto a la primera medición continua de CO2 que se efectuó en el Observatorio Mauna Loa en 1958, y que se calculó en 315 ppm. De hecho, se estima que las concentraciones actuales de CO2 son las más altas en al menos los últimos 800,000 años.

Aprovechando los encabezados de noticias acerca de la disminución de la polución en todo el planeta tras el cese de la actividad humana (y la XIII edición del GeoCarnaval que regresa después de casi 5 años de confinamiento), resulta una ocasión ideal para discutir una idea errónea que persiste en gran parte del imaginario colectivo: que la actividad volcánica produce más dióxido de carbono que toda la actividad humana del planeta.

SPOILER ALERT: Pues no, esta carrera la ganamos nosotros…y por mucho… ¡muchísimo!

Para analizar esto apropiadamente, hay que aclarar varios puntos respecto a la distribución del vulcanismo en la Tierra, así como al fenómeno de las erupciones volcánicas y los gases que emiten a la atmósfera.

Generando magma en el interior de la Tierra: ¡Volcanes por todas partes!

Primeramente, hay que decir que existen muchos más volcanes y, por tanto, mucha mayor actividad volcánica (emisión de gases incluidos) de la que vemos y estamos conscientes.

Y para que haya volcanes, primero se necesita generar magma. Los mecanismos de generación de magmas y sus volúmenes están estrechamente relacionados con los diferentes ambientes tectónicos existentes (Grove, 1999; LaFemina, 2015; De Vries & De Vries, 2018; Figura 1): el 75% del magmatismo terrestre ocurre en límites de placa divergentes (donde una placa se separa de la otra), a través de la descompresión adiabática de la astenósfera en ascenso, dando lugar a la formación de dorsales meso-oceánicas (e.g. la Dorsal Meso-oceánica del Atlántico). En cambio, el 20% del volumen magmático se produce en los límites convergentes (donde una placa choca contra la otra), en donde la producción de magma puede generarse de dos formas: (1) en ambientes de colisión continental por calentamiento y descompresión de las raíces continentales (anatexis) debido al engrosamiento cortical o por una subducción continental (delaminación), ambas producidas por el choque de dos placas continentales, o (2) en zonas de subducción (donde una placa oceánica se introduce en el manto superior moviéndose debajo de otra placa -oceánica o continental-) por la adición de fluidos provenientes de la deshidratación de minerales hidratados de la litósfera en subducción (slab) hacia la cuña del manto que la sobreyace, reduciendo la temperatura de fusión de ésta y generando magmas que al ascender forman un arco volcánico -oceánico o continental, según la placa en la que se desarrolle- (e.g. el vulcanismo del llamado “Cinturón de Fuego”). El volumen restante (~5 %) se produce en ambientes intraplaca a través de un mecanismo similar al que ocurre en las dorsales meso-oceánicas, pudiendo afectar corteza oceánica o continental, formando islas oceánicas (e.g. Hawái o Galápagos) o rifts continentales (e.g. el Gran Valle del Rift en África Oriental). El magmatismo es escaso en límites transformantes, en los que está restringido a regiones transtensionales (cuencas pull-apart), donde la descompresión de la base de la corteza induce la fusión y generación de magma.

Magma-ambientes tectónicos
Producción de magma en diferentes ambientes tectónicos. Figura conceptual que muestra la configuración del sistema tectónico de placas con los principales sistemas de generación, transporte y almacenamiento de magma. GPI: Grandes Provincias Ígneas. Modificado de De Vries & De Vries (2018).

Tras su generación, el magma es almacenado y transportado a través de la litósfera en forma de cuerpos boyantes que pueden o no salir a la superficie. De estos volúmenes de magma, se estima que entre el 86 % (en las dorsales oceánicas) y el 93% (en los arcos volcánico) alcanzan la superficie y forman volcanes, mientras que el resto se quedan atrapados en la litósfera, generando cuerpos intrusivos (Perfit & Davidson, 2000).

Por consecuencia, apenas logramos observar cerca del 20% del vulcanismo del planeta, que corresponde a los volcanes que hacen erupción en los continentes e islas oceánicas, mientras que más del 80% del vulcanismo terrestre permanece anónimo para los seres humanos al ocurrir en los volcanes marinos que forman grandes cadenas volcánicas en los océanos.

Gases volcánicos: el motor de las erupciones

El magma contiene una gran variedad de gases disueltos: entre el 80 y el 99% de estos corresponden a H2O, el 10-20% a CO2 y ~5% a dióxido de azufre (SO2); otros compuestos presentes en cantidades inferiores al 2% son el ácido clorhídrico (HCl) y el ácido fluorhídrico (HF), mientras que el nitrógeno (N2) y gases nobles y compuestos del carbono como neón (Ne), helio (He) y metano (CH4) se presentan en cantidades inferiores al 1 %. De todos ellos, el CO2 es el que presenta menor solubilidad en el magma, por lo que es el primero en escapar del magma.

Estos gases, conocidos también como compuestos volátiles, son fundamentales en la dinámica eruptiva, pues su proceso de exsolución dentro del magma es considerado uno de los principales catalizadores de una erupción (Oppenheimer, 2005): a medida que el magma asciende desde su fuente de generación hacia la superficie, la disminución de la presión reduce la solubilidad (cantidad máxima de una sustancia que puede ser disuelta en otra) de los gases en el magma, por lo que estos se separan del fundido (proceso de exsolución) formando pequeñas burbujas en el magma. El aumento en de burbujas en constante expansión disminuyen la densidad magmática, lo que impulsa el desplazamiento vertical del magma (la única dirección en la que las burbujas pueden expandirse libremente) y su eventual erupción (Wallace et al., 2015; Siebert et al., 2015).

Erupción_Etna_2013
Figura 2. Desgasificación activa del Monte Etna (Sicilia, Italia) durante la erupción de julio de 2001. Foto por Jean-Claude Tanguy, 2001 (Universidad de Paris), disponible en: https://volcano.si.edu/volcano.cfm?vn=211060&vtab=Photos

En los volcanes activos (aquellos que han tenido actividad eruptiva en los últimos 10,000 años) la emisión de gases magmáticos ocurre de dos formas: (1) por desgasificación activa, durante eventos eruptivos a través de la formación de columnas piroclásticas (mezcla de rocas volcánicas + gases, Figura 2) o a través de la efusión de flujos de lava; o (2) por desgasificación pasiva, liberando gases magmáticos a través del cráter principal y otros respiraderos secundarios abiertos en los flancos del volcán y sus inmediaciones, provenientes de cuerpos de magma poco profundos, formando fumarolas volcánicas generalmente visibles, aunque difusas (Werner et al., 2019). Estas desgasificaciones visibles son generalmente medibles a través de diversas técnicas directas e indirectas, estimándose emisiones diarias inferiores a las 10,000 toneladas en la mayoría de ellos (Werner et al., 2019; Figura 3).

Los volcanes inactivos también pueden generar emisiones magmáticas de CO2, aunque son menores y, por lo tanto, menos visibles. Éstas se emiten como desgasificación difusa a través de pequeñas fumarolas, suelos y fracturas y a través de aguas termales de baja y alta temperatura. Se estima que la desgasificación de volcanes inactivos y sistemas termales asociados produce entre 13 y 1500 toneladas diarias (Werner et al., 2019).

Emisiones de CO2 de volcanes activos
Figura 3. Emisiones de CO2 de volcanes activos, medidas en plumas volcánicas. Tomada de Werner et al. (2019).

Los gases magmáticos provienen de diferentes fuentes a profundidad, entre las que se incluyen el manto, la litósfera (la corteza y parte del manto superior) y los materiales subducidos. Pero ¿de dónde proviene el CO2 que contienen el magma? El CO2 disuelto en el magma es resultado de la transferencia de carbono entre la superficie y el interior de la Tierra. El vulcanismo y el metamorfismo son los procesos geológicos más importantes en dicha transferencia; en específico, el proceso de subducción juega un papel fundamental, al introducir sedimentos marinos ricos en carbono al manto superior, así como corteza oceánica alterada que ha capturado grandes cantidades de carbono.

En sus marcas, listos… ¡que los números hablen!

  De acuerdo con el USGS, las estimaciones científicas publicadas sobre la tasa de emisión global de CO2 volcánico tanto por desgasificación subaérea (en tierra) como submarina se encuentran en un rango de 130 a 440 millones de toneladas/año, aunque algunas estimaciones proponen hasta 640 millones de toneladas/año. En contraste, la emisión antropogénica estimada de CO2 para 2017 reportada en el sitio Our World in Data (con información del Global Carbon Project -GCP-) fue de poco más 36 mil millones de toneladas. Es decir, considerando las estimaciones mínimas y máximas de CO2 volcánico emitido, los seres humanos generamos anualmente entre 82 a 276 veces más CO2 que todos los volcanes del planeta.

Y cabe destacar, además, que no todo el CO2 que emiten los volcanes llega a la atmósfera. Las emisiones atribuidas al vulcanismo submarino se estima en ~66-97 millones de toneladas/año; sin embargo, el CO2 emitido en las dorsales oceánicas es mayormente consumido en los océanos mismos antes de poder llegar a la atmósfera: la formación de corteza oceánica conlleva reacciones hidrotermales (Mörner & Etiope, 2002), estimándose que la cristalización del piso oceánico en las dorsales podría absorber hasta 150 millones de toneladas/año de CO2, es decir, más toneladas de las que el vulcanismo marino produce.

En la superficie, los volcanes generados por subducción producen mucho más CO2 que los volcanes marinos, debido a que los magmas de los primeros provienen de la fusión de rocas metasomatizadas en el manto litosférico, ricas en H2O y carbón. La estimación de emisiones de CO2 de estos volcanes es de ~66-135 millones de toneladas año (Mörner & Etiope, 2002), aunque algunas estimaciones proponen hasta 270 millones de toneladas/año. En tanto, las estimaciones para los sistemas volcánicos asociados a puntos calientes (e.g. Yellowstone) varían entre 80 y 132 millones de toneladas/año. Adicionalmente, los lagos volcánicos y los volcanes inactivos (o “dormidos”) también emiten grandes cantidades de CO2 a la atmósfera, estimándose en 90 y 180 millones de toneladas/anuales, respectivamente.

Con ello, resulta que los volcanes superficiales podrían emitir hasta 5 veces mayor cantidad de CO2 a la atmósfera que los volcanes marinos. Sin embargo, de manera similar a como sucede bajo los océanos, las rocas volcánicas en los continentes sufren intemperismo a través de procesos químicos que absorben el CO2, estimándose que cerca de 180 de toneladas/año de CO2 atmosférico (i.e. una tercera parte de la cantidad emitida por la actividad volcánica superficial) son capturadas durante este proceso (Dessert et al., 2003).

Ampliando un poco la perspectiva, sólo los volcanes más activos pueden apenas equipararse a la cantidad de CO2 que las grandes urbes del planeta emiten a la atmósfera. Tomemos como ejemplo las estimaciones de las tasas de emisión de CO2 de los dos volcanes activos con mayor desgasificación en el planeta: el Monte Etna  y el volcán Popocatépetl (Mörner, & Etiope, 2002 y referencias), y comparémoslos con las emisiones antropogénicas de CO2 de 2016 reportadas en el sitio Citywide Emissions Map (https://data.cdp.net/Emissions/2016-Citywide-Emissions-Map/iqbu-zjaj).

El Monte Etna, en Sicilia (Italia) además de ser el volcán más activo de Europa (Figura y uno de los más grandes del planeta, también es uno de los principales productores de CO2, expidiendo a la atmósfera entre 4 y 25.5 millones de toneladas/año; considerando las estimaciones más conservadoras, este volcán produciría menos CO2 anualmente que ciudades europeas como París (~5.2 millones de toneladas/año) o Roma y Madrid (~10 millones de toneladas/año cada una), pero sus emisiones son insignificantes frente a las de Londres (40.2 millones de toneladas/año).

El volcán Popocatépetl es uno de los volcanes más activos de México y Norteamérica, presentando una constante desgasificación pasiva (Figura 4) y eventuales eventos activos desde su reactivación en 1994; mediciones realizadas a finales de los noventa, estimaron emisiones de CO2 de entre 3.3 y 14.6 millones de toneladas/año a la atmósfera, aunque algunos autores han sugerido tasas de emisión incluso más altas, de hasta 36.5 millones de toneladas/año (Mörner & Etiope, 2002). Las estimaciones menos conservadoras son considerablemente inferiores a las 23.6 millones de toneladas de CO2 que la Ciudad de México generó en 2016, y palidecen frente a las 49.4 millones de toneladas/año emitidas por Nueva York.

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Figura 4. Desgasificación pasiva del volcán Popocatépetl (México). Fotografía del autor, febrero 2016.

De hecho, incluso si consideramos en la contienda a grandes erupciones volcánicas explosivas recientes (cuya ocurrencia es rara), el resultado no cambiaría demasiado: las erupciones del Monte St. Helens (Estados Unidos) de 1980 o la del Monte Pinatubo (Filipinas) de 1991 (Figura 5), apenas emitieron 10 y 50 millones de toneladas de CO2, respectivamente. En promedio, la actividad antropogénica libera una cantidad de CO2 comparable a la erupción del Monte St. Helens de 1980 cada ~2.5 horas y comparable a la del Monte Pinatubo de 1991 cada 12.5 horas (Gerlach, 2011).

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Figura 5. Columna de gases y cenizas de la erupción del Monte Pinatubo (Filipinas) el 12 de junio de 1991. Fotografía de David Harlow/USGS.

Y tenemos 7700 millones de ganadores…

En resumen, considerando las estimaciones menos conservadoras respecto a la emisión de CO2 volcánico, todos los volcanes del planeta producirían unos 640 millones de toneladas/año de CO2, de los cuales aproximadamente 330 millones de toneladas/año serían capturadas a través de procesos de intemperismo que sufren las rocas tanto en océanos como en continentes. Como resultado, unas 310 millones de toneladas anuales de CO2 de origen volcánico prevalecen en la atmósfera, lo que equivale a la producción anual de CO2 (en 2017, Figura 6) de países como Turquía o Italia; a entre el 70 y 75% de las emisiones de países como Brasil, México o Indonesia; a cerca del 50% de las emisiones de países como Corea del Sur o Alemania; a menos del 6% de las emisiones anuales de los Estados Unidos; a menos del 4% de las emisiones anuales de China…o, en ultimadas cuentas, a menos del 1% del total de CO2 anual emitido por toda la actividad humana del planeta.

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Figura 6. Emisiones nacionales de CO2 producidas en 2017 por combustión de combustibles fósiles y cemento. Tomado de OurWoldinData.org

Sí, deshonrosamente hemos ganado esta carrera de forma indiscutible. Sin embargo, los volcanes aun tienen un as bajo la manga, un arma letal que, a diferencia del CO2 que contribuye al calentamiento global, puede provocar una disminución en la temperatura global, desatando los llamados “inviernos volcánicos”. Pero esa historia será para otro GeoCarnaval.

ESTA HISTORIA CONTINUARÁ…

REFERENCIAS

  • De Vries, B. V. W., & De Vries, M. V. W. (2018). Tectonics and Volcanic and Igneous Plumbing Systems. In Volcanic and Igneous Plumbing Systems (pp. 167-189).
  • Dessert, C., Dupré, B., Gaillardet, J., François, L. M., & Allegre, C. J. (2003). Basalt weathering laws and the impact of basalt weathering on the global carbon cycle. Chemical Geology202(3-4), 257-273.
  • Gerlach, T. (2011). Volcanic versus anthropogenic carbon dioxide. Eos, Transactions American Geophysical Union, 92(24), 201-202.
  • Groove, T. L. (1999). Origin of magmas. En Sigurdsson (Ed.) Encyclopedia of Volcanoes (First edition) (pp. 133-147) EE. UU.: Academic Press.
  • LaFemina, P. C. (2015). Plate Tectonics and Volcanism. En Sigurdsson (Ed.) Encyclopedia of Volcanoes (Second edition) (pp. 65-92) EE. UU.: Academic Press.
  • Mörner, N. A., & Etiope, G. (2002). Carbon degassing from the lithosphere. Global and Planetary Change33(1-2), 185-203.
  • Oppenheimer, C. (2005). Volcanic degassing. En: Rudnick, R.L. (Ed.), The Crust, vol. 3. (pp. 123-166) Amsterdam: Elsevier:
  • Perfit, M. R., & Davidson, J. P. (2000). Plate tectonics and volcanism. Encyclopedia of Volcanoes, 89-113.
  • Siebert, T. L., Cottrell, E., Venzke, E., Andrews, B. (1999). Earth’s Volcanoes and Their Eruptions: An overview. En Sigurdsson (Ed.) Encyclopedia of Volcanoes (First edition) (pp. 239-255) EE. UU.: Academic Press.
  • Wallace, P. J., Plank, T., Edmonds, M., Hauri, E. H. (2015). Volatiles in Magmas. En Sigurdsson (Ed.) Encyclopedia of Volcanoes (Second edition) (pp. 163-183) EE. UU.: Academic Press.
  • Werner, C., Fischer, T. P., Aiuppa, A., Edmonds, M., Cardellini, C., Carn, S., … & Allard, P. (2019). Carbon Dioxide Emissions from Subaerial Volcanic Regions. In Deep Carbon Past to present. Cambridge University Press.

FUENTES DE CONSULTA

https://volcanoes.usgs.gov/vhp/gas_climate.html

https://volcanoes.usgs.gov/vhp/gas.html

https://www.ucsusa.org/resources/each-countrys-share-co2-emissions

https://ourworldindata.org/annual-co2-emissions

https://www.livescience.com/37821-greenhouse-gases.html

https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases

https://data.cdp.net/Emissions/2016-Citywide-Emissions-Map/iqbu-zjaj

https://www.ncdc.noaa.gov/global-warming/early-eocene-period

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