Reactividad Química en el Océano, Universidad de las Palmas de Gran Canaria

ULPGC

Universidad de Las Palmas de Gran Canaria

REACTIVIDAD QUÍMICA EN EL OCÉANO

Temario

Luis Miguel Alemán Sánchez Master Interuniversitario en Oceanografía

Índice

1. TEMA 1

   3

2. TEMA 2

   4

   Torio

   Especiación inorgánica del torio

   Especiación orgánica y rol de los coloides

   Dinámica de sorción y distribución del torio

   Importancia de los coloides y TEP

   Aplicaciones y perspectivas futuras

3. TEMA 3

   8

   Artículo. Ciclo del nitrógeno

4. TEMA 5

   12

   Artículo 1

   Artículo 2

5. TEMA 6

   16

   Equilibrios

   Metales traza

TEMA 1

El documento aborda aspectos biogeoquímicos relacionados con los ciclos de elementos en el océano, centrándose particularmente en el aluminio como trazador químico. Se introducen los modelos biogeoquímicos como herramientas para analizar los flujos de materiales y energía entre los diferentes compartimentos ambientales, como la atmósfera, los océanos y los sedimentos. Estos modelos se basan en el principio del balance de masa, fundamental para estimar las tasas de transferencia y las transformaciones dentro de cada reservorio.

El aluminio desempeña un papel central en el documento, con un enfoque en su ciclo global. Sus principales fuentes de entrada al océano son la deposición de polvo atmosférico, donde entre el 1 y el 5% del polvo depositado se disuelve en la capa superficial del océano. El tiempo de residencia del aluminio varía según el entorno: de 3 a 5 años en aguas superficiales y de 50 a 150 años en aguas profundas. En las zonas costeras, gran parte del aluminio de origen fluvial es eliminado mediante procesos de adsorción irreversible, conocidos como "scavenging", lo que impide que este metal llegue al interior del océano.

El aluminio se presenta como un trazador químico útil debido a varias características únicas. Este elemento no se produce de manera significativa a través de la remineralización de materia orgánica particulada, lo que permite considerar sus concentraciones en aguas profundas como casi conservativas a corto plazo. Además, sus niveles en las aguas superficiales están correlacionados con la deposición de polvo atmosférico, lo que permite rastrear dinámicas y orígenes. Sin embargo, su uso como trazador químico presenta limitaciones que deben considerarse, como la influencia de la advección superficial, las variaciones estacionales y la profundidad de la capa de mezcla.

Entre los modelos biogeoquímicos destacados en el documento se encuentra el desarrollado por Measures y Brown en 1996. Este modelo relaciona la concentración de aluminio disuelto en aguas superficiales con los procesos de entrada y eliminación. También incluye estimaciones de solubilidad del polvo y tasas de "scavenging", con un tiempo de residencia promedio de 5 años para el aluminio en las aguas superficiales. A pesar de su utilidad, este modelo debe utilizarse con precaución, ya que no considera completamente procesos como la advección superficial del agua.

El documento también analiza las implicaciones biogeoquímicas del aluminio. Su interacción con la materia orgánica, tanto disuelta como particulada, afecta su tiempo de residencia y distribución en las capas superficiales del océano. Además, se compara el comportamiento del aluminio con otros elementos trazadores, como el hierro, destacando que mientras el aluminio refleja bien las entradas de polvo, el hierro está más influenciado por procesos biológicos.

En conclusión, el aluminio se presenta como un trazador valioso para estudiar la dinámica de las masas de agua y las entradas de polvo atmosférico en el océano. Sin embargo, para una comprensión más completa, es necesario refinar los modelos biogeoquímicos existentes, integrando mejores procesos como la advección y las variaciones estacionales. Este enfoque permitirá un análisis más preciso de los ciclos de elementos en los océanos y su impacto en el medio marino.

TEMA 2

El documento aborda la reactividad de los elementos en las aguas superficiales, el transporte de material particulado y su segregación en el océano profundo, con un enfoque particular en los isótopos del uranio y del torio como trazadores biogeoquímicos.

Comienza discutiendo las actividades relativas de los isótopos de la serie del uranio en el agua de mar, destacando desequilibrios químicos entre elementos debido a sus diferentes reactividades. Por ejemplo, el uranio-238 y el uranio-234 están casi uniformemente distribuidos en el océano porque el uranio ocurre principalmente en forma de ion soluble. Por otro lado, el torio, debido a su alta reactividad con las partículas, es rápidamente eliminado de la columna de agua, lo que lo convierte en un trazador ideal para los flujos de partículas.

Los isótopos del torio, como el torio-234 y el torio-230, son particularmente útiles para estudiar diferentes procesos oceánicos debido a sus diferentes vidas medias. El torio-234, con una vida media corta, es un trazador excelente para procesos que ocurren en escalas de tiempo de meses en el océano superficial. Por su parte, el torio-230, con una vida media mucho más larga, permite estudiar procesos en el océano profundo y velocidades de sedimentación. El desequilibrio entre estos isótopos y sus precursores, como el uranio-238, permite inferir tasas de eliminación de partículas y flujos en diferentes profundidades oceánicas.

El documento describe modelos que cuantifican la variación temporal de las concentraciones de torio-234 en función de su producción, desintegración y eliminación por partículas. Estos modelos integran el flujo de partículas en la base de la zona eufótica, que es clave para estimar la exportación de carbono. La relación entre el carbono orgánico particulado (POC) y el torio-234 permite calcular la exportación de carbono, un parámetro esencial para entender los ciclos biogeoquímicos marinos.

Se discuten desafíos en la estimación de estos flujos, como la variabilidad en el tamaño y la densidad de las partículas, así como la influencia de procesos biológicos y químicos en la interacción del torio con las partículas. También se analizan diferencias regionales en las relaciones entre carbono y torio, destacando mayores valores en latitudes altas y regiones costeras.

Además, se examinan las trampas de sedimento como herramientas para estudiar la exportación de partículas al fondo oceánico. Aunque útiles, estas presentan limitaciones como variabilidad en las estimaciones debido a diferentes modelos, flujos horizontales que afectan su eficacia y la actividad biológica dentro de las trampas.

Finalmente, se concluye enfatizando la importancia de protocolos específicos para medir el torio-234 particulado, la necesidad de modelos no estacionarios que integren fenómenos físicos y la relevancia de estudiar en detalle las interacciones del torio con las partículas, incluyendo sus propiedades biofísicas y cómo estas son afectadas por la actividad biológica a lo largo del tiempo. Estos avances son esenciales para mejorar la comprensión de los flujos de carbono y partículas en el oceano, contribuyendo al conocimiento de los ciclos biogeoquímicos globales.

Torio

El torio (Th) desempeña un papel crucial en la investigación oceanográfica, actuando como un trazador para estudiar procesos como el transporte de partículas, el flujo de carbono y la dinámica de las partículas suspendidas en el agua de mar. Esta capacidad se debe a sus propiedades químicas y su reactividad con partículas y coloides presentes en el entorno marino. En este contexto, la especiación del torio y su interacción con diversas fases inorgánicas y orgánicas son fundamentales para comprender los mecanismos que controlan su distribución y uso como herramienta biogeoquímica.

El torio es un elemento compuesto por 25 radioisótopos, de los cuales el 232Th es el más abundante debido a su larga vida media. En el agua de mar, también están presentes isótopos como el 234Th, que es producido por la desintegración del uranio 238. Este isótopo es particularmente útil debido a su vida media corta (24,1 días) y su capacidad de asociarse rápidamente con partículas, lo que permite rastrear procesos de sedimentación y exportación de carbono desde la zona fótica hacia las profundidades oceánicas.

Especiación inorgánica del torio

En condiciones normales de pH oceánico (~8), el torio IV (Th(IV)) forma complejos predominantemente con grupos hidroxilos y carbonatos, así como con otros ligandos como fosfatos y ácidos húmicos. Su fuerte reactividad con partículas se atribuye a la formación de complejos internos que no son sensibles a la fuerza iónica del medio. La solubilidad del torio en el agua de mar es extremadamente baja (aproximadamente 10-12 M para el 232Th), y su afinidad por superficies minerales y óxidos metálicos, como la hematita, depende del pH y la composición del medio.

Especiación orgánica y rol de los coloides

La especiación orgánica del torio está menos estudiada, pero se sabe que este elemento forma complejos estables con ácidos húmicos y polisacáridos ácidos. Los coloides marinos, que representan la fracción de materia orgánica entre 1 nm y 1 um, tienen un papel destacado en la retención y transporte del torio. Estos coloides contienen polisacáridos ácidos y otras biomoléculas que actúan como ligandos, proporcionando sitios de unión para el torio.

Un aspecto importante es la asociación del torio con sustancias exopolisacáridas (EPS) y partículas exopolisacáridas transparentes (TEP), que son producidas por organismos como bacterias y fitoplancton. Estas sustancias anfifílicas, compuestas por regiones hidrofóbicas e hidrofílicas, facilitan la coagulación y formación de agregados, contribuyendo al transporte vertical de materia orgánica y torio.

Dinámica de sorción y distribución del torio

La sorción del torio a superficies y coloides se trata clásicamente como un proceso reversible, donde la distribución alcanza un equilibrio entre las fases disueltas, coloidales y particuladas. Sin embargo, estudios han demostrado que este equilibrio está influenciado por factores como la concentración de coloides y la naturaleza química de las partículas. Los experimentos sugieren que los ligandos en las partículas orgánicas tienen una afinidad particularmente alta por el torio, con constantes de estabilidad condicional que superan a las de los ligandos inorgánicos.

En los sistemas marinos, el transporte del torio está vinculado al flujo de carbono orgánico. La relación entre carbono orgánico particulado (POC) y 234Th se utiliza para estimar la exportación de carbono desde la superficie oceánica. Sin embargo, esta relación varía en función de factores como la concentración de polisacáridos ácidos y las condiciones ambientales.