¿Cómo influyen los árboles en el clima?: ¿es solo mediante la fotosíntesis? Understand article

Los árboles son factorías químicas increíbles que capturan dióxido de carbono y producen el oxígeno que necesitamos para respirar. Pero también producen otro montón de compuestos, cuyos efectos en la atmósfera necesitamos entender para sacar el máximo partido de las iniciativas de…

En el siglo XXI, el cambio climático y la calidad del aire se han convertido en temas acuciantes. Ambos están asociados a la quema de combustibles fósiles o biocombustibles, que produce dióxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y distintos tipos de partículas. Es sabido que una mala calidad del aire perjudica a la salud de personas, animales y plantas, que se verá también afectada por el cambio climático. Las predicciones de temperaturas y precipitaciones medias a nivel mundial dependen de una buena comprensión de los compuestos aerotransportados y el cambio que cabe esperar que experimenten sus concentraciones con el aumento de la población y los cambios en políticas y temperaturas.

Plantación mundial de árboles

El principal gas de efecto invernadero, responsable de que el calor quede atrapado en la atmósfera, es el dióxido de carbono (CO2). Un modo de contrarrestar el cambio climático es la plantación mundial de árboles, [1] que convierten el CO2 en glucosa mediante la fotosíntesis (Ecuación 1).

\[{\text{6 CO}_\text{2}}\text{(g)}+\text{6 H}{ }_\text{2}\text{O}\text{(l)}⇄\text{C}{ }_\text{6}\text{H}_\text{12}\text{O}{ }_\text{6}\text{(aq)}+\text{6 O}{ }_\text{2}\text{(g)}\]

Con la posterior transformación de la glucosa en celulosa, el CO2 queda atrapado hasta que la madera se queme o se pudra. La actuación inmediata para reforestar unos 900 millones de hectáreas (ha) podría eliminar (secuestrar) hasta 200 gigatoneladas de CO2. [1]  Eso equivale a aproximadamente un 25 % de toda la carga de carbono atmosférica mundial actual. Los estudios indican que esa estrategia sería particularmente eficaz en los trópicos.

Vista panorámica de la jungla tropical de los montes Nilgiri, en la India
Imagen: Madhaabiii/Wikimedia, CC BY-SA 4.0

Pero los árboles influyen en la atmósfera terrestre de más maneras que eliminando CO2 a través de la fotosíntesis. Proporcionan frescor y sombra en los meses veraniegos; abrigo de los vientos y las lluvias durante el invierno. Sus raíces y el aporte de materia orgánica por la putrefacción de la hojarasca mejoran la estructura del suelo, aumentan su estabilidad de agregación y promueven la actividad fúngica dando lugar a una mayor porosidad. Además, los árboles producen y liberan distintos compuestos químicos como parte de su ciclo vital: los que dan a los pinares su olor característico, por ejemplo. En presencia de contaminantes como los NOx, algunos de esos compuestos —como el isopreno y los terpenos— pueden actuar como compuestos orgánicos volátiles biogénicos (COVB).  Pueden reaccionar con oxidantes presentes en la atmósfera [p. ej., los radicales hidroxilo (•OH), el ozono (O3) o los radicales nitrato (NO3•)] y crear contaminantes secundarios, como más ozono (O3, un gas de efecto invernadero de vida corta con efecto conocido también de reducción de los rendimientos agrícolas) y aerosoles orgánicos secundarios (AOS) que pueden tener un impacto significativo en el clima. Estos contaminantes secundarios son de vida corta pero afectan también a la capacidad de la Tierra para reflejar la energía térmica de vuelta al espacio. Los posibles efectos a corto y a largo plazo de estos compuestos en el cambio climático, los distintos hábitats, la seguridad alimentaria y el uso de la tierra son un motivo de preocupación importante derivado de la plantación de árboles en zonas urbanas si no se controlan al mismo tiempo las emisiones de NOx.

Términos clave

TérminoSignificado
AerosolUna suspension de gotas líquidas o partículas sólidas finas en un gas o en el aire.
Compuestos orgánicos volátiles biogénicos (COVB)Moléculas naturales a base de carbono que forman fácilmente vapores y pueden reaccionar con otros compuestos de la atmósfera.
Gases de efecto invernaderoGases —como el dióxido de carbono, el metano, el vapor de agua y el óxido nitroso (N2O)— que atrapan la radiación infrarroja en la atmósfera dando lugar a su calentamiento.
Radical libre hidroxilo (HO•)Una especie muy reactiva que contiene un electrón desapareado y que se forma en la atmósfera; ataca a la mayoría de moléculas orgánicas.
NOxUna mezcla sumamente contaminante de gases óxidos de nitrógeno —principalmente dióxido de nitrógeno (NO2) y monóxido de nitrógeno (NO)— producto de la combustión a alta temperatura.
Ozono (O3)Una forma (alótropo) tóxica de oxígeno. En las regiones altas de la atmósfera, la capa de ozono limita la cantidad de radiación UV que alcanza la superficie de la Tierra. En la región más baja (la troposfera), en cambio, el ozono que se forma en distintas reacciones entre NOx y COV es un gas de efecto invernadero.
Aerosoles orgánicos secundarios (AOS)Compuestos químicos producidos tras varias rondas de oxidación de una molécula orgánica precursora.
Contaminantes secundariosContaminantes que se forman por reacciones con los contaminantes primarios.
TerpenosUna clase de compuestos (predominantemente) vegetales con fórmula (C5H8)n. Existen más de 30 000 terpenos.
TeratoneladaUn billón de toneladas

Antes de lanzar un programa de restauración de árboles a nivel mundial, hay muchos factores a tener en cuenta. Tenemos que saber qué compuestos químicos producen esos árboles a distintas temperaturas y cómo van a influir en el clima y la calidad del aire sus productos de descomposición. Por ejemplo, a menudo se promueven proyectos de plantación de árboles en entornos urbanos para eliminar partículas contaminantes y ofrecer espacios verdes que mejoren el bienestar de las personas. Pero, en presencia de concentraciones elevadas de gases NOx (p. ej., procedentes del tráfico), la liberación de COVB por parte de los árboles puede acelerar la formación de O3 troposférico y afectar de forma negativa a la calidad del aire y al clima. [2] Eso no quiere decir que el impacto global de la plantación de árboles en entornos urbanos vaya a ser necesariamente negativo, dado que los árboles siguen cumpliendo funciones importantes en zonas urbanas, pero sí que es necesario tener ese efecto adicional de la contaminación por NOx en cuenta y controlar las emisiones de NOx.

Principales COVB

Isopreno

El isopreno es un hidrocarburo insaturado de origen vegetal con una emisión global de >500 teratoneladas al año. [3] A concentraciones de NOx muy bajas (menos de 50 partes por billón), puede resultar útil al catalizar sus productos de degradación la formación de HO., un «detergente químico» atmosférico que acelera la eliminación de contaminantes orgánicos y reduce la presencia de gases de efecto invernadero como el metano (CH4). [4–7] Sin embargo, si hay altas concentraciones de NOx en torno a los árboles, el isopreno puede dar lugar a la formación de contaminantes secundarios.

Isopreno

Terpenos

Esta familia de compuestos químicos, principalmente de origen vegetal, incluye monoterpenos y sesquiterpenos, con emisiones estimadas de alrededor de 150 y 30 teratoneladas al año respectivamente. [3] Si bien los árboles solo emiten isopreno durante las horas de luz diurna, siguen emitiendo terpenos todo el día. Estos hidrocarburos insaturados, muy reactivos, cumplen numerosas funciones en las plantas: atracción de polinizadores, cicatrización de heridas, atracción de organismos para eliminar depredadores, comunicación, maduración, protección frente a la radiación UV y eliminación de especies oxigenadas reactivas, en particular O3, mediante reacciones rápidas. [8,9]  Los terpenos se acumulan a menudo en estructuras especializadas como los conductos resinosos, [9] desde donde se evaporan reaccionando rápidamente con vidas que oscilan de minutos a horas según la estructura, la ubicación y el nivel de oxidantes. En la materia vegetal muerta suelen quedar niveles residuales de terpenos; eso aumenta la combustibilidad del mantillo, por lo que los terpenos juegan también un papel en la aceleración de los incendios forestales. Por el contrario, pueden resultar beneficiosos al alterar la composición química troposférica y refrescar el ambiente mediante la formación de AOS que actúan como semillas de siembra de nubes. [10]

MonoterpenoFuentes HabitualesEjemplos de uso
MircenoTomillo silvestre, lúpulo, cannabis, cardamomoPrecursor de varias moléculas de fragancia
α-PinenoPinos europeos, romero, cannabis, eucalipto, aceite de corteza de naranjaDisolvente, repelente de insectos, precursor de algunas fragancias
SabinenoOrégano, pícea de Noruega, encinaTratamiento de la inflamación cutánea y las dermatofitosis; antibacteriano eficaz contra bacterias Gram-positivas
LimonenoPresente en aceites de cítricosDisolvente, aromatizante alimentario, fragancias, insecticida
CanfenoPresente en muchos aceites esencialesPrecursor de fragancias y aditivo aromatizante alimentario
Tabla 1. Ejemplos de monoterpenos, sus fuentes y usos habituales

La importancia de los terpenos como especies químicas no se limita a los entornos tropicales, sino que influyen en todo el planeta. En el verano de los bosques boreales del hemisferio Norte, donde hay luz diurna perpetua, los terpenos juegan un papel crucial en la modificación del clima mediante la formación de aerosoles. Esto podría alterar el equilibrio radiativo de esas regiones, pasando de refrescar a calentar la atmósfera local.

Se han definido (Figura 1) cinco grupos de monoterpenos producidos por los árboles en función de los principales intermedios carbocatiónicos implicados en las reacciones químicas por las que se forman. Según va cambiando la temperatura, las emisiones de monoterpenos pasan de un grupo a otro al activarse o desactivarse distintas rutas bioquímicas en respuesta a las condiciones existentes.

Figura 1. Clasificación en grupos de las emisiones de monoterpenos a partir de las hojas. Las flechas rojas indican las rutas preferentes a altas temperaturas y las flechas azules las de menor temperatura. El GPP es el pirofosfato de geranilo. Datos obtenidos de la Ref. [11].
Imagen: Christina Hof/Science in School, CC-BY

Un estudio reciente realizado en el Amazonas mostró cómo, a medida que la temperatura de las hojas subía de 27 a 35 °C, los monoterpenos de los grupos 4 y 2 dejaban de ser las principales especies presentes (caían del aproximadamente 80 % al 45 %) mientras que aumentaba la proporción de los del grupo 1 (subían del aproximadamente 10 % al 50 %). [11]

¿Qué importancia tiene eso? En la mayoría de los modelos de química atmosférica empleados para predecir el cambio climático se suele tener en cuenta el impacto de tan solo uno o dos monoterpenos del grupo 2, ya que se pensaba que eran las especies predominantes. Ahora se ha visto que no es el caso a temperaturas más elevadas.

Los desafíos actuales

No es fácil entender los mecanismos por los que se descomponen estos compuestos, y nuestra comprensión dista mucho de ser completa. Un modelo mecanístico más completo de la descomposición de moléculas COVB muestra que los productos de descomposición de segunda, tercera y posiblemente hasta cuarta generación pueden tener algún efecto en el clima: el enfriamiento podría ser mucho más importante de lo inicialmente estimado. [12]  Saber cuáles son los productos de descomposición que aparecen en cada paso, y cuánto persisten en la atmósfera, permitirá obtener cálculos más exactos del efecto en el clima. Se cree que las emisiones de compuestos del grupo 1 pasan a ser predominantes cuando aumenta la temperatura, lo que hace necesario estudiar en mayor profundidad sus productos de descomposición (en los cálculos con los modelos climáticos actuales se utilizan compuestos del grupo 2, los predominantes a baja temperatura). Si bien los monoterpenos reaccionan rápidamente con los oxidantes presentes en la atmósfera, las vidas de las distintas especies varían de forma significativa. Así, variará también drásticamente su papel a la hora de conformar las composiciones químicas locales, regionales e incluso mundiales. Por ejemplo, en las condiciones limpias (bajísimas concentraciones de NOx) que se dan en los bosques tropicales, la vida de los terpenos del grupo 1 es mucho más corta que las de las demás clases; [13–17] eso reduce la distancia a la que sus productos de descomposición pueden tener algún efecto.

Hayedo ancestral en Biogradska Gora (Montenegro)
Snežana Trifunović/Wikipedia, CC BY-SA 3.0

Lo importante no es solo plantar más árboles, sino plantar las especies correctas a cada latitud. Si no conseguimos restaurar los bosques o, peor aún, seguimos esquilmándolos, eso tendrá un impacto que va más allá del aumento de los niveles de CO2. La deforestación hará que suban las temperaturas superficiales, lo que a su vez hará aumentar la emisión de compuestos químicos como los que venimos discutiendo. A día de hoy, nuestra comprensión de los efectos climáticos de la plantación de árboles se ve mermada por la falta de conocimiento de los mecanismos de descomposición química correspondientes a los cinco grupos de terpenos. Disponer de esa información permitiría incorporarla a los modelos predictivos del cambio climático para mejorar su exactitud.


References

[1] Bastin JF et al. (2019) The global tree restoration potential. Science 365: 76–79. doi: 10.1126/science.aax0848

[2] Zhao DF et al. (2017) Environmental conditions regulate the impact of plants on cloud formation Nature Communications 20: 1–­8. doi: 10.1038/ncomms14067

[3] Guenther AB et al. (2012) The Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature version 2.1 (MEGAN2.1): an extended and updated framework for modeling biogenic emissions Geoscientific Model Development 5: 1471–­1492. doi: 10.5194/gmd-5-1471-2012

[4] Bates KH, Jacob DJ (2019) A new model mechanism for atmospheric oxidation of isoprene: global effects on oxidants, nitrogen oxides, organic products, and secondary organic aerosol Atmospheric Chemistry and Physics 19: 9613–9640. doi: 10.5194/acp-19-9613-2019

[5] Jenkin ME et al. (2019) The CRI v2.2 reduced degradation scheme for isoprene Atmospheric Environment 212: 172–182. doi: 10.1016/j.atmosenv.2019.05.055

[6] Lelieveld, Jet al. (2008) Atmospheric oxidation capacity sustained by a tropical forest Nature 452: 737–740. doi: 10.1038/nature06870

[7] Muller JF, Stavrakou T, Peeters J (2019) Chemistry and deposition in the model of atmospheric composition at global and regional scales using inversion Techniques for trace gas emissions (MAGRITTE v1.1.)-Part 1: chemical mechanism Geoscientific Model Development 12: 2307–2356. doi: 10.5194/gmd-12-2307-2019

[8] Pinto DM et al. (2010) Plant volatile organic compounds (VOCs) in ozone (O3) polluted atmospheres: the ecological effects Journal of Chemical Ecology 36: 22–34. doi: 10.1007/s10886-009-9732-3

[9] Holopainen JK (2011) Can forest trees compensate for stress-generated growth losses by induced production of volatile compounds? Tree Physiology 31: 1356–1377. doi: 10.1093/treephys/tpr111

[10] Ranero Celius K (2010) Clouds: puzzling pieces of climate Science in School 17: 54–59.

[11] Jardine KJ et al. (2016) Monoterpene ‘thermometer’ of tropical forest-atmosphere response to climate warming Plant, Cell & Environment 40: 441–452. doi: 10.1111/pce.12879

[12] Khan MAH et al. (2017) A modeling study of secondary organic aerosol formation from sesquiterpenes using the STOCHEM global chemistry and transport model JGR Atmospheres 122: 4426–4439. doi: 10.1002/2016JD026415

[13] Atkinson R, Aschmann SM, Pitts JN Jr. (1986) Rate constants for the gas-phase reactions of the OH radical with a series of monoterpenes at 294 ± 1 K International Journal of Chemical Kinetics 18: 287–299. doi: 10.1002/kin.550180303

[14] Atkinson R, Aschmann SM, Arey J (1990) Rate constants for the gas-phase reactions of OH and NO3 radicals and O3 with sabinene and camphene at 296±2 K Atmospheric Environment 24: 2647­–2654. doi: 10.1016/0960-1686(90)90144-C

[15] Gill KJ, Hites RA (2002) Rate Constants for the Gas-Phase Reactions of the Hydroxyl Radical with Isoprene, α- and β-Pinene, and Limonene as a Function of Temperature Journal of Physical Chemistry A 106: 2538–2544. doi: 10.1021/jp013532q

[16] Atkinson R, Hasegawa D, Aschmann SM (1990) Rate constants for the gas-phase reactions of O3 with a series of monoterpenes and related compounds at 296 ± 2 K International Journal of Chemical Kinetics 22: 871–887. doi: 10.1002/kin.550220807

[17] Atkinson R, Winer AM, Pitts JN Jr. (1982) Rate constants for the gas phase reactions of O3 with the natural hydrocarbons isoprene and α- and β-pinene Atmospheric Environment 16: 1017–1020. doi: 10.1016/0004-6981(82)90187-1

Resources

Author(s)

Tim Harrison, el Dr. Anwar Khan y el Prof. Dudley Shallcross son integrantes del grupo de investigación en química atmosférica de la Escuela de Química de la Universidad de Bristol (Cantock’s Close, Reino Unido).


License

CC-BY
Text released under the Creative Commons CC-BY license. Images: please see individual descriptions