Historical development of geochemical cycles

Desarrollo histórico de los ciclos geoquímicos El material de esta revista se basa en parte en su presentación en Mackenzie et al. (2004).

Las percepciones de muchos procesos naturales como ciclos están sin duda arraigadas en los cambios del día y la noche, las estaciones del año y las observaciones astronómicas en la antigüedad, a partir de las cuales surgió el concepto de ciclos y epiciclos de los movimientos planetarios. Otro fenómeno cíclico de gran importancia es el ciclo del agua en la Tierra, que también es responsable de la circulación y el transporte de muchos materiales cerca y en la superficie terrestre. Una descripción temprana del ciclo del agua se atribuye a veces a un versículo del libro de Eclesiastés (i, 7), que se cree fue escrito en el siglo III a.C., que habla de los ríos que corren hacia el mar y regresan desde allí a su lugar de origen (pero no se menciona la sal ni la evaporación y precipitación del agua). El concepto moderno del ciclo global del agua es el resultado de observaciones de precipitación atmosférica, su infiltración en el suelo, el caudal de los ríos y experimentos sobre evaporación del agua realizados en los años 1600 en Francia e Inglaterra. Estos conceptos fueron ampliamente aceptados para la época de la primera edición de los Principios de Geología de Charles Lyell. En 1872, Lyell se refirió a un ciclo, “el ciclo completo de cambios vuelve a sí mismo”, en su descripción de generaciones alternantes de reproducción asexual y sexual entre ciertas clases de invertebrados marinos, a las que comparó con la metamorfosis de los insectos.



Los descubrimientos anteriores de que las plantas utilizan dióxido de carbono para crecer en la luz solar y lo devuelven a la atmósfera en la oscuridad deben haber sido las primeras observaciones científicas del ciclo del carbono. Las plantas vivas utilizan dióxido de carbono para crear sus tejidos y, cuando mueren, se convierten en materia orgánica en el suelo y el agua, que luego se descompone en dióxido de carbono. El descubrimiento del dióxido de carbono como un gas que se forma por fermentación y quema de carbón vegetal, bajo el nombre de spiritus silvestris, se atribuye a Jan Baptista (o Baptist) van Helmont, un hombre de medicina, alquimia y química temprana en los entonces Países Bajos Españoles, en la primera mitad de los años 1600. La formación de materia orgánica a partir de dióxido de carbono y agua bajo la acción de la luz, el proceso conocido como fotosíntesis, se ha estudiado desde la última parte de los años 1700, cuando se descubrió oxígeno molecular en el proceso y se identificó el dióxido de carbono como un componente del aire.

Varios autores han proporcionado breves historias de los descubrimientos sucesivos en la fotosíntesis, desde finales de los años 1700 hasta el siglo XX. La presentación del primer esquema general de los ciclos del carbono y el nitrógeno se atribuyó al químico francés Jean Baptiste André Dumas en 1841. Dumas (1842) describió el ciclo de consumo y producción de CO2 por respiración, señalando las fuentes de “ácido carbónico” en el aire y el suelo, donde se forma a partir de la descomposición del estiércol o los fertilizantes orgánicos. Hizo estimaciones del tiempo de residencia del oxígeno atmosférico en relación con la respiración animal y señaló que la respiración animal que consume oxígeno y produce dióxido de carbono causaría cambios muy pequeños en el contenido de oxígeno de la atmósfera a escala temporal de siglos. De manera significativa, también señaló que la atmósfera primordial de la Tierra debe haber contenido todo el dióxido de carbono y nitrógeno que han sido capturados por los organismos vivos.

En cuanto a los ciclos geoquímicos, un tratamiento temprano del tema apareció en 1875, donde se incluyeron varios capítulos sobre los ciclos de elementos químicos en un libro sobre la historia de la Tierra escrito por Friedrich Mohr, profesor de la Universidad de Bonn, con breves capítulos sobre los ciclos del silicio y el carbono, entre otros. Desde entonces y hasta principios del siglo XX, la naturaleza cíclica de los principales procesos geológicos, que implican la formación de la superficie terrestre por fuerzas tectónicas y el flujo de material rocoso fundido desde la profundidad hasta la superficie, debe haberse convertido en un concepto ampliamente aceptado.

DESDE ENTONCES (1875)Y HASTA PRINCIPIOS DEL SIGLO XX, LA NATURALEZA CÍCLICA DE LOS PRINCIPALES PROCESOS GEOLÓGICOS (...) DEBE HABERSE CONVERTIDO EN UN CONCEPTO AMPLIAMENTE ACEPTADO.

El término biogeoquímico refleja el hecho de que los procesos biológicos, físicos y químicos desempeñan roles importantes e interactúanentresíenlosciclosdeelementos que son mediados por la producción primaria fotosintéticaylarespiraciónomineralización de la materia orgánica.

En la última parte del siglo XIX y En la década de 1920, los ciclos principios del siglo XX, el concepto de los elementos químicos que de ciclos de los elementos están involucrados en los procesos biológicamente importantes se biológicos, como el carbono, amplió para incluir los diversos el nitrógeno y el fósforo, y que procesos físicos, químicos, también se transportan entre el geológicos y biológicos en la Tierra, suelo, las rocas, la atmósfera, las aguas y los flujos de materiales entre los terrestres y oceánicas y el interior de la organismos vivos y su entorno, así Tierra, ya eran reconocidos según como entre diferentes reservorios los estándares modernos. ambientales.

El libro de Alfred Lotka, “Elementos ciclo que reflejaba el conocimiento de Biología Física”, publicado en de los contenidos de los reservorios 1925, incluye capítulos sobre los ígneos y sedimentarios y algunos ciclos del dióxido de carbono, de los flujos entre reservorios en el nitrógeno y el fósforo, que ese momento. Este tratamiento presentan un tratamiento moderno sistemático temprano, si no el de lo que hoy llamamos los ciclos primero, de los ciclos geoquímicos biogeoquímicos. Además, escribió presentaba diagramas de los que sus ideas sobre los ciclos de reservorios geoquímicos como elementosnutritivosyeltratamiento cajas y los flujos entre ellos, así como matemático de los problemas tabulacionesdelasconcentraciones biogeoquímicos se desarrollaron ya o masas elementales en algunos de en 1902 y se publicaron a partir de los reservorios individuales. 1907. Las décadas siguientes generaron Para 1950, los ciclos geoquímicos el conocimiento que tenemos hoy de los elementos en el interior sobre la especiación química de de la Tierra y en su superficie se los elementos en los diferentes convirtieronenmaterialdetexto,con compartimentos de la Tierra, sus un grado variable de detalle en cada abundancias y los mecanismos

responsables de sus flujos. Mientras que los modelos anteriores de los ciclos biogeoquímicos globales de elementos individuales eran estáticos, describiendo los ciclos sin su evolución en el tiempo, los desarrollos en el tratamiento matemático de sistemas multi reservorios dependientes del tiempo encontraron aplicación en el análisis de los ciclos geoquímicos. Desde entonces, ha habido una gran proliferación de modelos de ciclos, y en particular de modelos de ciclos de carbono, en diferentes escalas físicas y temporales, destinados a la interpretación de la evolución de los ciclos en el pasado y su proyección hacia el futuro para el mundo en su conjunto, así como para reservorios globales como la atmósfera, la tierra, la zona costera oceánica y el océano abierto. Se prestó considerable atención al ciclo sedimentario global y al ciclo de sales en el océano como resultado de las estimaciones de la edad de la Tierra realizadas por Kelvin entre 1864 y 1899, que oscilaban entre 24 y 94 millones de años, y las estimaciones de la edad del océano a partir de la tasa de acumulación de sodio transportado por los ríos, como hizo, por ejemplo, Joly (1899), cuya edad del océano era de aproximadamente 90 millones de años.

Gregor (1988, 1992) resumió y La composición química del océano analizó en detalle los argumentos fue analizada como un equilibrio geológicos de la segunda mitad del entre los aportes de materiales siglo XIX y principios del siglo XX disueltos desde tierra y la formación sobre el reciclaje de los sedimentos mineral en los sedimentos oceánicos después de su deposición oceánicos por Mackenzie y Garrels y sobre los sumideros existentes de (1966). Garrels y Mackenzie (1971) sales disueltas en el agua oceánica, presentaron en forma de libro los como su eliminación por adsorción conceptos del ciclo sedimentario en arcillas, atrapamiento en agua de materiales que habían estado intersticial de los sedimentos y inactivos durante algunos años, y formación de evaporitas, lo cual en 1972 estos autores desarrollaron contradecía la idea anterior de que un modelo cuantitativo del ciclo el océano se llenaba continuamente completodelasrocassedimentarias. de sales disueltas. Los descubrimientos de Gregor en 1988 y 1992 contradecían la idea de que el océano se llenaba continuamente de sales disueltas.

Se realizaron estimaciones cuantitativas de las tasas de reciclaje de los sedimentos, basadas en distribuciones de masa-edad de los sedimentos, por Gregor (1970, 1980) y Garrels y Mackenzie (1971, 1972): la masa total de sedimentos tiene una edad media de 600 millones de años. Las tasas diferenciales de meteorización de diferentes tipos de rocas dieron una edad media de 600 millones de años para las pizarras y areniscas, más larga que las edades de las rocas más fácilmente meteorizables, como los carbonatos con una edad media de 300 millones de años y las evaporitas con una edad de aproximadamente 200 millones de años. Trabajos posteriores mostraron que las tasas de reciclaje de la litosfera sedimentaria y los diversos tipos de rocas dentro de ella son principalmente una función de las tasas de reciclaje de las áreas tectónicas, como las cuencas de margen activo, la corteza oceánica y el basamento continental, en las cuales los sedimentos se acumularon.