Conferencias y Seminarios "Ciencias del Sistema Tierra" » 2012/13 » · E. P. Sánchez-Cañete

Defensa de Tesis Doctoral "Ciencias de la Tierra". Doctorado Internacional. Beca Excelencia Junta de Andalucía

CHARACTERIZATION OF CO2 EXCHANGES IN DEEP SOILS AND CAVES AND THEIR ROLE IN THE NET ECOSYSTEM CARBON BALANCE
Dir: Dr. Francisco Domingo Poveda. Estación Experimental de Zonas Áridas (CSIC)
Dir: Dr. Andrew S. Kowalski. Departamento de Física Aplicada (UGR)
Dir: Dra. Penélope Serrano Ortíz. Estación Experimental de Zonas Áridas (CSIC)

Por: Enrique Pérez Sánchez-Cañete
Estación Experimental de Zonas Áridas (CSIC)
enripsc@ugr.es
FICHA del estudiante
CV del estudiante

Jueves,13 de Junio de 2013, 11:30 horas
Salón de Grados, Facultad de Ciencias (UGR)

» Resumen

Abstract

This Thesis arises to response to the anomalous CO2 fluxes detected by the Eddy towers located on two carbonate and semiarid sites in the south-east of Spain. In the soil-atmosphere CO2 exchanges in both El Llano de los Juanes in the Sierra de Gádor and also Balsa Blanca located in the Natural Park of Cabo de Gata-Nijar (Almeria province), significant CO2 emissions to the atmosphere were detected. These emissions could only come from the soil and not from the vegetation, occurring as they did mainly during the summer, with senescent vegetation. For this reason, this Thesis focuses on monitoring and characterization of the soil, distinguishing which are the main factors implicated in CO2 exchanges with the atmosphere.

For the characterization and monitoring of subterranean CO2 soil CO2 profiles were established in both experimental sites with sensors installed at three different depths (0.15, 0.5 and 1.5 m). Furthermore, in El Llano de los Juanes sensors were installed at 0.25 m depth and in a borehole of 7 m depth, which was sealed from the surface to simulate a karst cave.

With the first CO2 data obtained from the borehole, we realized that the deep soil could store large amounts of CO2, because in the first 7 meters we recorded values of up to 18000 ppm. Since we were interested in determining the factors involved in CO2 ventilation from soils and particularly in karstic areas containing numerous cavities, we launched an examination of the literature regarding cave ventilation. This review triggered the first publication of this Thesis (Chapter 1), because we realized that to determine the buoyancy of air masses inside and outside the cave, and therefore its ventilation, scientists were treating both air masses as if they had equal composition. However, both our measurements in the borehole and many others scientists working in other places had found great concentrations of CO2 in soil air, demonstrating a clear difference between the compositions of soil and atmospheric air. These realizations led us to develop formulas to correctly determine the virtual temperature and hence buoyancy of the air masses considering the weight of CO2 in the composition of both air masses.

In Chapter 2 of this thesis, we applied the formulas previously developed for 14 caves and holes around the world. We demonstrate the significant errors that occur when predicting cave ventilation if not taking into account the effect of CO2 air composition. To clarify the calculation tasks, we provided an on-line tool to calculate the virtual temperature from input data comprised of CO2, air temperature and relative humidity.

Having clarified the determination of ventilation between caves and atmosphere, it was necessary to characterize and monitor the main factors involved in soil ventilation and consequent CO2 emissions to the atmosphere. From these measurements arose the publications corresponding to chapters 3 and 4 of this thesis.

In Chapter 3, is shown that in El Llano de los Juanes significant decreases occur in the CO2 molar fraction of both soil (25 cm) and borehole (7 m) when the wind is strong, as represented a high friction velocity. These decreases in the CO2 molar fraction involve CO2 emissions to the atmosphere which are detected by the Eddy Covariance tower. Also, was observed that on days with light winds (calm), CO2 accumulated in the soil, whereas during windy days large quantities of CO2 were emitted to the atmosphere.

Chapter 4 presents observations from the vertical CO2 profile located in Balsa Blanca, with significant variations in the underground CO2 molar fraction in just a few hours. These variations can result in an increase or decrease of 400% compared with previous values. It is observed that changes in the molar fraction are due to changes in atmospheric pressure. There are two patterns in the subterranean CO2 fluctuations, one daily with two cycles per day due to atmospheric tides and another cycle repeating every 3-4 days (atmospheric synoptic scale) due to transitions between low and high pressure systems. Also we observed that synoptic-scale pressure changes can affect the CO2 fluxes detected by an eddy covariance tower. On days with rising pressure, the downward CO2 flux is higher than on days with falling pressure because on these days CO2 respired by plants tends accumulates in the soil.

Resumen

Esta tesis surge para dar respuesta a los flujos de CO2 "anómalos" detectados por las torres de Eddy Covariance situadas en dos sitios carbonatados y semiáridos del Sureste español. En los intercambios de CO2 suelo-atmósfera, tanto en el Llano de los Juanes en la Sierra de Gádor como en Balsa Blanca situada en el Parque Natural de Cabo de Gata-Níjar (provincia de Almería), se detectaron importantes emisiones de CO2 a la atmósfera. Estas emisiones sólo podían provenir del suelo y no de la vegetación ya que ocurrían principalmente durante el verano, cuando la vegetación está senescente. Además, se observó que dichas emisiones "anómalas" llegaban a dominar los procesos de intercambio de CO2 entre la atmósfera y la superficie contribuyendo notablemente en el balance anual de carbono de estos ecosistemas. Por este motivo, esta tesis se ha centrado en la monitorización y caracterización del CO2 del suelo, estudiando los principales factores que intervienen en los intercambios de CO2 con la atmósfera.

Para la caracterización y monitorización del CO2 en el suelo se han instalado en los dos sitios experimentales dos perfiles de CO2 con sensores a tres profundidades (0.15, 0.5 y 1.5 m). Además, en el Llano de los Juanes también se instaló un sensor a 0.25 m y se realizó una perforación de 7 m de profundidad que posteriormente fue sellada en superficie para simular una cavidad kárstica.

Con los primeros datos de fracción molar de CO2 obtenidos en la perforación, nos dimos cuenta que el suelo en profundidad podía almacenar enormes cantidades de CO2, ya que en los 7 primeros metros se llegaron a registrar valores de 18000 ppm. Dado que nos interesaba conocer los factores implicados en la ventilación del CO2 del suelo y sus cavidades, el doctorando inició un trabajo de búsqueda bibliográfica sobre los aspectos relacionados con la ventilación en cuevas. Esta revisión desencadenó la primera publicación de esta tesis (Capítulo 1) al comprobar que para determinar la flotabilidad de las masas de aire del interior y exterior de la cueva, y por tanto su ventilación, los artículos ya publicados consideraban ambas masas de aire con igual composición. Esta suposición era incorrecta en la gran mayoría de los casos donde las elevadas concentraciones de CO2 en suelo marcaban una clara diferenciación en la composición del aire del suelo y la atmósfera. Todo esto nos llevó a proponer una nueva forma de calcular correctamente la flotabilidad de las masas de aire teniendo en cuenta el CO2 en la composición de ambas masas de aire. 

En el Capítulo 2 de esta tesis, se aplicaron las ecuaciones desarrolladas en el capítulo anterior en 14 cuevas y perforaciones de todo el mundo, demostrando los importantes errores que se cometen a la hora de interpretar la ventilación de las cuevas cuando no es tenido en cuenta el efecto del CO2 en la composición del aire. Para facilitar las labores de cálculo, se ofrece gratuitamente y de forma “online” la metodología necesaria para su cálculo de una manera muy simple en la que sólo es necesario aportar los datos de CO2, temperatura del aire y humedad relativa. Una vez conocida la forma de determinar la ventilación entre las cavidades y la atmósfera, se procedió a caracterizar y monitorizar los principales factores implicados en la ventilación del suelo y las emisiones a la atmósfera. Fruto de este estudio se publicaron una serie de artículos científicos que dan origen a los Capítulos 3 y 4 de esta tesis.

El Capítulo 3 se centra en el Llano de los Juanes y concluye que el viento es el principal factor responsable de las emisiones de CO2 en épocas de sequía. En este ecosistema se midieron importantes descensos en la fracción molar tanto del suelo (0.25 m) como de la perforación (7 m) con fuertes vientos y por lo tanto alta velocidad de fricción (>0.3 m s-2). Estos descensos en la fracción molar del CO2 implican emisiones de CO2 hacia la atmósfera que se ven reflejados en la torre Eddy Covariance. De este modo, en días ventosos el CO2 almacenado en el suelo durante los días de calma es emitido a la atmósfera.

El Capítulo 4, centrado en Balsa Blanca, demuestra que en este ecosistema los cambios en la fracción molar de CO2 se deben a cambios en la presión atmosférica. En el perfil vertical de CO2 situado en Balsa Blanca, se registran importantes variaciones en la fracción molar de CO2 en tan sólo unas horas. Estas variaciones pueden suponer un incremento o descenso de un 400% respecto a sus valores anteriores. En este sentido, de diferencian dos patrones en las fluctuaciones del CO2 subterráneo, uno a escala diaria con dos ciclos por día debidos a las mareas atmosféricas y otro a escala sinóptica (3-4 días) debido a la transición entre bajas (borrasca) y altas presiones (anticiclón). También se ha observado como a escala sinóptica los cambios de presión pueden afectar a los flujos de CO2 detectados por la torre Eddy Covariance. En días con incrementos en la presión atmosférica se produce mayor fijación de CO2 que en días con menor presión en los que el CO2 respirado por las plantas tiende a acumularse en el suelo.

» Breve reseña curricular

Enrique Pérez Sánchez-Cañete es Licenciado en Ciencias Ambientales por la Universidad de Granada (2006).Trabajo en una empresa de gestión medioambiental (EGMASA) en colaboración con el departamento de Ecología de la UGR (2006-2007). Trabajo para el departamento de Física Aplicada, dentro del grupo de Física de la Atmósfera de la UGR (2008-2009) donde cursó el Master oficial en Geofísica y Meteorología. La tesis de máster la realizo bajo la dirección de Andrew. S. Kowalski y Penélope Serrano Ortiz, titulada “Comportamiento de los flujos gaseosos de CO2 en el suelo de un ecosistema kárstico. Factores que afectan a su ventilación.” En 2009 obtuvo una beca de Excelencia de la Junta de Andalucía para la formación predoctoral, dentro del proyecto titulado “Balance de carbono en ecosistemas carbonatados: discriminación entre procesos bióticos y abióticos”. Durante este tiempo ha presentado más de 15 aportaciones a congresos nacionales e internacionales y es autor o co-autor de más de 10 artículos  en revistas del ISI-JCR.

última modificación: miércoles, 26 de junio de 2013 18:02 +0200