Isótopos de Carbono en estudios de Cambio Climático

Laura E. Beramendi Orosco

Instituto de Geología

Galia González Hernández

Instituto de Geofísica

Laboratorio Universitario de Radiocarbono

(LUR)

El Ciclo del Carbono y el Cambio Climático

Intercambio de C entre los diferentes reservorios

Importante en la regulación del clima

Gases Efecto Invernadero (GEI)

- CO2 y CH4

Alteración por la actividad humana

- Transformación del paisaje

- Demanda energética

- Demanda de materias primas

Emisiones importantes de CO2 y CH4

- Deforestación

- Quema de combustibles fósiles

- Cambio en uso del suelo

Concentraciones en atmósfera exceden niveles naturales de los últimos 800,000 años*.

*IPCC (2013). Climate Change 2013: The Physical Science Basis. WG I, Fifth Assessment Report.

Estudiando el Ciclo del C con sus isótopos

¿Cómo determinar el impacto antropogénico al Ciclo del Carbono?

Cada reservorio tiene una firma isotópica característica

Los isótopos de C (13C y 14C) como trazadores biogeoquímicos:

13C:

- Ruta metabólica de plantas (C3, C4, CAM)

- Proxy paleoambiental

- Trazador de fuentes de emisión

14C:

- Geocronómetro (50,000 BP)

- Trazador de fuentes de emisión

Construcción de modelos cronológicos

contextos arqueológicos

secuencias sedimentarias (lacustres, marinas)

- Estrategia de muestreo

- Datación de muestras por ECL

- Interpretación de resultados

- Estadística Bayesiana

– diálogo con investigadores

– modelos sólidos y más precisos

– incorporar edades por otros métodos

– ubicar temporalmente proxies o eventos

Investigación en el LUR

14C como Geocronómetro

Torres et al. (2015) J. Quat.Sci, 30, 88.

Beramendi et al. (2012) UNAM, 111-134

Variaciones de 14C moderno zonas limpias

– distribución del 14C post-bomba

– patrones circulación atmosférica

– Ciclo del C a nivel local

Variaciones de 14C en zonas urbanas

– CO2 derivado de combustibles fósiles

– Anillos de árbol de San Luis Potosí

- Carácter anual de anillos de fresno

- Concentración CO2 fósil para la década de 1960.

Investigación en el LUR

14C como trazador de fuentes de emisión de CO2

Beramendi et al. (2013) Radiocarbon, 55, 833.

11

Beramendi et al. (2010) Radiocarbon, 52, 907.

Estudios de 14CO2 en la Zona Metropolitana de la Ciudad de México

– Entender dinámica del 14C en un ambiente urbano muy complejo

– Distinguir fuentes de emisión de CO2 (fósil, biogénico, quema de biomasa)

– Variaciones temporales

- reconstrucción anual con anillos de árbol (desde 1950)

- monitoreo mensual del 14CO2 atmosférico desde 2009

– Variaciones espaciales (desde 2013)

- resolución estacional

- 6 puntos de la ZMVM

- CO2, pastos y PM

Investigación en el LUR

14C como trazador de fuentes de emisión de CO2

Megaciudad más grande de América del Norte.

Cuenca volcano-tectónica a ~2300 msnm, rodeada de montañas y con un volcán activo.

Más de 20 millones de habitantes.

Más de 30,000 industrias manufactureras (principalmente en zonas norte y este).

5.9 millones de vehículos registrados.

Área urbana: 65.5%

Área conservación: 34.5%

Suelos rurales

Bosques

Pastizales

Principalmente en zona sur.

Zona Metropolitana de la Ciudad de México

Variaciones Anuales de 14CO2

Bosque de Chapultepec (1ra sección).

Bosque urbano con especies nativas

Taxodium mucronatum (ahuehuetes)

Anillos anuales bien definidos

Núcleos tomados a 1.5 m de altura

Taladro Pressler de 12 mm de diámetro

Periodo 1950 – 2011

Árbol “blanco” de zona limpia

a 140 km al N de ZMCM.

Se prepararon y analizaron por AMS

Separación de anillos anuales

Extracción de celulosa.

Variaciones Anuales - Resultados

Valores para zonas limpias:

coinciden con curva internacional reportada por Hua et al. 2013,

concentraciones años del pico significativamente menores en México.

Valores para ZMCM:

bajos respecto a zonas limpias,

alta contribución de CO2 fósil,

Mayor demanda energética últimas décadas

Aumento fuentes de emisión de CO2 con 14C:

quema de biomasa

descomposición de materia orgánica

cambio en uso de suelo

Muestreo CU (sur de la mancha urbana)

Punto de muestreo en área bien ventilada

CO2 – integradas mensuales, solo durante el día,

en solución alcalina

7 m de altura (desde marzo 2009).

Pastos – riego asistido, poda mensual, nivel de

calle.

Stenotaphrum secundatum

Lolium perenne

Variaciones Mensuales de 14CO2

Los valores de D14C variabilidad

Comparación con valores zonas limpias

Niwot Ridge (monitoreo de 14CO2 más cercano*)

Plantas anuales cerca de ZMCM (●).

Mayoría de valores por debajo

– gran volumen de CO2 fósil

– 50 millones de litros diarios

Periodos enriquecidos (hasta 35 ‰).

Época seca → quema de biomasa

combustible zona rural (1.3 ton/año)

Incendios forestales

Época de lluvias → respiración de la reserva ecológica.

Variaciones Mensuales – Resultados

*Turnbull et al. (2008) http://www.esrl.noaa.gov/gmd/dv/iadv/graph.php?code=NWR&program=ccgg&type=ts

Variaciones Espaciales de 14CO2

SAGTLA

MER

UIZCOY

UNAM

Para entender mejor el ciclo del 14C

En estaciones de la red de monitoreo atmosférico ZMCM*

(CO, O3, NO2, SO2 y PM)

Diferentes condiciones de densidad de población y fuentes de CO2.

Muestreo integrado de CO2 en solución alcalina.

Muestreo semanal aerosoles (PM2.5)

Alturas entre 3 y 12 m.

Época seca (Abril) y época de lluvias (Agosto) en 2013 – 2015.

*SIMAT http://www.aire.cdmx.gob.mx/default.php

Variaciones Espaciales – Resultados preliminares

Muestras de CO2:

Más altos que en zonas limpias

Enero – Mayo 2013: 1,157 incendios*

13-14/Abril: 4 grandes incendios

UNAM más cercano a montañas

Congruente con patrón de vientos

Marcadores de quema de biomasa

Muestras de pasto:

Mayor variación (hasta 128 ‰)

Significativamente diferentes al CO2

(excepto COY y MER)

Punto de muestreo – contribución de CO2

del tráfico

COY – jardín dentro de escuela

MER – buena circulación de aire

*Comisión Nacional Forestal: http://www.conafor.gob.mx/portal/index.php/temas-forestales/incendios

Beramendi et al. (2015) Radiocarbon, 57, 363.

La Zona Metropolitana de la Ciudad de México es un ambiente complejo conuna diversidad de fuentes de emisión (falta de regulación).

Entender el ciclo del 14C resulta un reto y hay mucho por investigar aún.

Los resultados obtenidos sugieren que hay que revisar los inventarios de emisión(mayor peso a fuentes no-fósiles: incendios, descomposición materia orgánica).

Estudios en proceso para determinar la firma isotópica de otras fuentes deemisión.

Importante monitorear la concentración del CO2 atmosférico para hacer losbalances de masa isotópicos.

El biomonitoreo (14C en pastos) ofrece ventajas para el muestreo

Necesario determinar tiempo de residencia del C en las hojas (en proceso)

Establecer resolución temporal adecuada y su correspondencia con el periodo de laconcentración de 14CO2 que refleja.

Conclusiones preliminares para la ZMCM

“Reconstructing climate change for the recent past using Mexican tree ringsand cave deposits” (Agosto 2016 – Diciembre 2017)

Colaboración con la Universidad de California e INIFAP (UC MEXUS- CONACyT)

Isótopos en anillos de árbol y espeleotemas (14C, 13C y 18O) del NE de México

Generar registros paleoclimáticos de alta resolución para el pasado reciente.

“Impacto humano en el área de Xochimilco para los últimos 8,000 años”

Colaboración con Inst. Inv. Antropológicas (PAPIIT – Modalidad Grupo 2017)

Desarrollar metodología que combine geoarqueología, dendrocronología e historia

Reconstruir la historia ecológica y relación con procesos humanos (poblamiento,agricultura, urbanización) en la zona.

Proyectos nuevos en el LUR

Gracias