Concentración de dióxido de carbono en ppm

Como decía en el post anterior voy a explicar en qué consiste la medida de concentración de una substancia en ppm, es decir en partes por millón. Utilizare el ejemplo del dióxido de carbono en la atmosfera terrestre.

¿Qué significa ppm? Rápidamente, es una medida de la proporción relativa de una sustancia respecto a otras. En el caso de gases se utiliza el ppmv y significa la proporción relativa de una sustancia respecto a otras dentro de un volumen determinado. Muchas veces se acostumbra a no diferenciar entre ppm y ppmv. En el caso del dióxido de carbono, que es un gas en la atmosfera terrestre, se utiliza la nomenclatura ppm aunque en realidad ppm son ppmv, es decir, partes por millón en volumen. Se acostumbra a omitir el término “en volumen” por simplicidad, pero no hay que olvidarse de que existe.

La concentración es una medida de la cantidad relativa de una sustancia respecto de otras. En el caso de la concentración de gases en la atmosfera se utiliza la magnitud de microkilogramos de aire por metro cúbico. El significado de ppmv es entonces 0,000001 kilogramos de aire por metro cúbico, que es lo mismo que 0,001 gramos de aire por metro cúbico, que es lo mismo que 0,000001x0,001 Toneladas de aire por metro cúbico.

Esto significa que 380 ppm (simplifico ya ppmv a ppm) significan 380x0,000001x0,001 toneladas de aire por metro cubico. Pero si queremos saber la cantidad de Toneladas de dióxido de carbono hay que saber la relación entre el peso molecular del dióxido de carbono respecto el del aire. Calculemos entonces los pesos moleculares de cada molécula.

Peso molecular del dióxido de carbono: la molécula está compuesta por un átomo de carbono y dos de oxigeno. El peso atómico del carbono es 12 y el peso atómico del oxigeno es 16, tenemos pues que el peso atómico del CO2 = 2x16+12 =44.

Peso molecular del aire: Se considera que el aire está formado en un 79% de nitrógeno, 21% de oxigeno y 1% de gases raros. Hay que tener en cuenta que se trata de nitrógeno y oxigeno molecular, es decir, formado por dos átomos de nitrógeno y dos átomos de oxigeno. El peso molecular del aire será pues el resultado de la siguiente operación, 0,79x2x14+0,21x2x16 = 28,84. Se acostumbra a escoger un valor aproximado de 29 para el peso molecular del aire seco.
La relación entre los pesos moleculares del dióxido de carbono y del aire es pues 44/29. La cantidad de CO2 actual en la atmosfera es de 380 ppm, transformemos esta cantidad en toneladas por metro cubico de aire, se calcula de la siguiente manera

380 ppm significan entonces 0,000000057 Toneladas de dióxido de carbono por metro cubico de aire. Para conocer las toneladas totales en toda la atmosfera tendremos que multiplicar por el volumen de la atmosfera terrestre. Suponiendo la Tierra como una esfera perfecta de radio 6378 km y considerando que la zona donde la atmosfera es densa tiene una altura de 10 km, el volumen será

La cantidad total de toneladas de dióxido de carbono es pues

Resulta que tenemos actualmente unas 2850 Gigatoneladas de dióxido de carbono en la atmosfera. Hay que tener en cuenta que el CO2 no es un gas tóxico, nuestro aliento tiene una concentración de CO2 de 50.000 ppm. En el proceso de respiración devolvemos a la atmosfera 2,5 billones de kilogramos de CO2. Se calcula que se han lanzado a la atmosfera 60 millones de toneladas de CO2 procedente de la quema de combustibles fósiles, esto significa un 2,1% del total de CO2 en la atmosfera.

Otra manera de visualizar el concepto de ppm es a partir de los dibujos en 3D que les pongo.
Esta primera imagen corresponde a 1 ppm, tenemos un cubo de color amarillo en el extremo inferior izquierda (casi no se ve) que corresponde a una parte en un millón del total de cubos amarillos que caben dentro del cubo grande gris.










Esta segunda imagen de la derecha corresponde a 350 ppm. El cubo amarillo esta formado por 350 cubos amarillos de la imagen anterior.








Esta tercera imagen corresponde a una concentración de 5000 ppm. Fijense que el aumento en volumen no es lineal. Un aumento del doble de la concentración en ppm no significa que el cubo amarillo aumente el doble.

Hace 20000 años, durante la última glaciación la concentración de CO2 era de 200 ppm que subió a 280 ppm hace 11000 años durante la última desglaciación. Actualmente tenemos una concentración de 380 ppm. Pero hay que tener en cuenta que es de las veces que la concentración de CO2 es más baja (ver "Temperatura i CO2”). En la época de los dinosaurios estaba a 1800 ppm y en el cámbrico a 7000 ppm.

Se ha determinado experimentalmente que la concentración óptima para el crecimiento de las plantas es de 895 mg/m^3, (biocab) ¿A que concentración en ppm corresponde? Muy sencillo, puesto que la concentración en ppm ya esta indicada en mg/m^3, solamente tenemos que hacer la multiplicación de la relación entre pesos moleculares, 895x29/44 = 590 ppm.

Obtenemos que para que las plantas del planeta crezcan abundantemente es necesaria una concentración de 590 ppm. Es decir, 1,5 veces la concentración actual. Por eso en algunos invernaderos se inyecta CO2 para mejorar el crecimiento de las plantas. Algunos incluso creen que el descubrimiento de la agricultura se debio al aumento del CO2 hace 11000 años, ya que con la última glaciación la concentración de 200 ppm era muy pobre. De esta manera se explica que este descubrimiento se produjera en distintas civilizaciones casi al mismo tiempo.