Introducción

Los límites planetarios tienen el objetivo de definir un espacio operativo seguro en el planeta, de manera que la Tierra continúe en un estado interglacial que permita sostener la vida como la conocemos y evitar llegar a una transición de esos sistemas de soporte. Sin embargo, las actividades humanas ya han modificado el periodo de estabilidad que existía en el Holoceno. Debido a esta inestabilidad y cambios del Holoceno, se continúa evolucionando y modificando las condiciones ambientales globales, mismas que son inciertas. Los límites planetarios son un marco para conocer aquellos sistemas y procesos biofísicos y bioquímicos que influyen en la regulación del sistema Tierra.

Es común el estudio de ciertos fenómenos como el cambio climático, la pérdida de biodiversidad y la contaminación como factores aislados que no tienen relación entre sí, es decir, se deja de lado que la Tierra es un sistema que se ve afectado por lo que ocurre entre las interacciones. Por esta razón, los límites planetarios brindan la oportunidad de analizar los impactos ambientales globales desde un todo y no solo desde aspectos separados.

Las condiciones ambientales globales se estabilizaron por más de 3 mil millones de años a través de las interacciones entre el flujo de energía y la atmósfera con los organismos y ecosistemas vivos. Hubo factores internos y externos capaces de crear cambios en el sistema terrestre. Actualmente, las actividades humanas también actúan como una fuerza externa que tiene la capacidad de modificar el sistema Tierra. Ante estos cambios, los límites planetarios buscan la identificación de un espacio operativo seguro que permita preservar el estado interglacial de la Tierra y su resiliencia.

El Holoceno es el estado que se toma como referencia ya que durante este periodo varios de los componentes de los límites planetarios permanecieron estables. La temperatura media global, los biomas y los niveles de precipitación global se mantuvieron relativamente estables (dato crucial 1). Este marco de referencia permite identificar las afectaciones antropogénicas a diferencia de las condiciones del Holoceno preindustrial para así cuantificar los límites y establecer barreras de precaución. Los límites planetarios no se centran en una escala regional, es decir, son para el sistema Tierra en general.

Componentes del marco

Para poder establecer proyecciones a futuro del sistema terrestre se deben conocer las interacciones entre la biosfera, la geosfera y la antroposfera. Si bien, no se conocen todas las interacciones, las evidencias de las que se dispone son útiles para crear modelos que permitan el estudio de las interacciones y de los procesos relevantes del sistema Tierra.

Los límites planetarios se basan en componentes del sistema terrestre que si son afectados por las actividades humanas pueden generar impactos y cambios en el estado general de la Tierra. Para poder determinar el impacto de las actividades humanas en los límites, se tuvieron que establecer variables de control para evaluar la influencia a nivel global. La posición de un límite no predice los cambios en el sistema terrestre, sino que brinda la información de que en el estado que se está, si hay una perturbación mayor, se podría llegar a cambios en la dinámica y en los patrones del planeta.

La zona de riesgo se puede entender como el momento en que el sistema terrestre pierde las características similares al Holoceno, esta zona se utiliza para evaluar cuál es el estado de los límites transgredidos. Algunas investigaciones sugieren que los límites del cambio climático y la integridad de la biosfera ya están en una zona de riesgo, la cual aumenta rápidamente. Por esta razón, sería necesario el establecimiento de límites planetarios en el extremo inferior de la zona de riesgo creciente. La zona de riesgo creciente para el cambio climático se encuentra entre 350 y 450 partes por millón (ppm) de CO2, por lo que se tendría que establecer el límite de 350 ppm para evitar llegar a un riesgo alto. Con la zona de riesgo creciente, el aumento de temperatura media global en superficie sería entre 1 a 2°C y si se mantiene el límite planetario en 350 ppm, esto significaría un aumento de 1°C, es decir, se debería alcanzar una temperatura más baja de la establecida en el Acuerdo de París, en el que se estableció un límite de 1.5°C. Los valores de los límites establecidos son superiores a los que se encontraban en el Holoceno y en la Revolución Industrial, esto indica que, si se respetan los límites planetarios, el planeta mantendría un estado estable y similar al Holoceno.

No hay una definición clara sobre sobre qué es una zona de riesgo creciente y una zona de riesgo alta, sin embargo, sí existen evidencias de que la transgresión de los límites planetarios ha llevado al planeta lejos de una zona segura. En el artículo se utiliza el enfoque de burning embers (brazas ardientes) el cual fue introducido por el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC, por su sigla en inglés), este enfoque toma en cuenta riesgos moderados, riesgos altos y muy altos (dato crucial 2).

Dentro de los límites planetarios se han establecido límites centrales, como lo son el cambio climático y la integridad de la biosfera. Otros límites planetarios provienen de entidades novedosas, es decir, son impulsores de origen antropogénico que podrían influir en los límites centrales. Transgredir un límite planetario puede influir en los gradientes de riesgos de otros límites.

Resultados

Integridad de la biosfera

La geosfera y biosfera mantiene una interacción en la que permiten la regulación del sistema terrestre. La diversidad genética y, por lo tanto, su función planetaria son las dimensiones de un límite planetario para la integridad de la biosfera. De esta manera, se ha definido el límite planetario para el cambio en la diversidad genética como la tasa de extinción máxima compatible con la preservación de la base genética de la complejidad ecológica de la Tierra (dato crucial 3). Por las propias dinámicas del planeta es difícil establecer una tasa de extinción de referencia, sin embargo, hay estimaciones que indican que la tasa actual de extinción es superior (en decenas a cientos veces) a la tasa promedio de los últimos 10 millones de años (dato crucial 4). Esto significa que se ha excedido el límite establecido para la integridad de la biosfera.

Otros autores han establecido el Biodiversity Intactness Index (BII), una métrica con una base empírica de los impactos humanos en la abundancia de la población, este índice actúa como un indicador provisional de la integridad funcional de la biosfera. Sin embargo, este índice ha tenido poca respuesta, en primer lugar, por la falta de compresión de este, y, en segundo lugar, porque el índice no puede vincularse de manera directa a los flujos biogeoquímicos y de energía planetarios que son relevantes para el funcionamiento del sistema terrestre. Además de esto, hay regiones del planeta de las que no se tiene el conocimiento suficiente sobre la abundancia y la distribución de las especies.

El índice anterior se ha sustituido con la producción primaria neta (NPP, por su sigla en inglés), que se refiere a la energía fotosintética y el flujo de materiales hacia la biosfera. Se define el componente funcional del límite de integridad de la biosfera como un límite a la apropiación humana de la NPP de la biosfera (HANPP, por su sigla en inglés) como fracción de la NPP del Holoceno. La producción primaria neta o central nuclear es crucial para el mantenimiento, reproducción, diferenciación, creación de redes y crecimiento de los ecosistemas y de las sociedades humanas.

Existe una dependencia entre los biomas y los flujos de energía asociados a la NPP para poder mantener las funciones ecológicas planetarias. Por esta razón, no se deberían comprometer los flujos de energía porque se estaría comprometiendo la NPP. La NPP del Holoceno de la biosfera terrestre era de 55.9 Gt de carbono año-1, es decir, 55.9 gigatoneladas de carbono por año, este era estable y no variaba en más de ±1.1 Gt de carbono año-1. La NPP en 1700 tenía un nivel similar al Holoceno (dato crucial 5), sin embargo, para 2020, la NPP potencial natural aumentó a 71.4 Gt de carbono año-1, entre los motivos de este aumento están la fertilización con carbono y el desequilibrio de la fisiología de las plantas terrestres por el incremento de CO2 en la atmósfera por las actividades antropogénicas (dato crucial 6).

La HANPP terrestre se puede estimar como un fracción de la NPP natural potencial (que toma en cuenta la agricultura, la silvicultura y el pastoreo) y de la NPP media del Holoceno (dato crucial 7). Se considera que se debe establecer un límite planetario que se base en la NPP media del Holoceno preindustrial. Se debe proteger la contribución de la central nuclear a un sumidero de carbono asociado con la fertilización de CO2 en vez de considerarse como disponible para su recolección. En algunas regiones del Amazonas los sumideros de carbono han disminuido por el uso de la tierra, dando lugar a que estas zonas en vez de ser sumideros, sean fuentes de carbono.

La NPP es la base del flujo de energía y materiales que sustentan el funcionamiento de la biosfera. Sin embargo, la HANPP ha disminuido de manera significativa en las décadas pasadas, de manera que se puede decir que la HANPP como límite planetario se ha transgredido, de manera que se encuentra en una zona de peligro. Para la HANPP se estableció un límite seguro de 10% de la NPP media del Holoceno, este límite se transgredió a finales del sigo XIX, que coincide con un momento el que el hubo una aceleración en el uso de la tierra a nivel mundial.

Desde 1800, comenzaron a surgir problemas en la integridad funcional de la biosfera como resultado del uso humano de la tierra. La HANPP ha sustentado la necesidad de alimentos y fibras de la humanidad. La NPP necesaria para poder sustentan a las sociedades a futuro debe tener una producción adicional a la NPP del Holoceno (sin tomar en cuenta la NPP generada para los sumideros de carbono de origen biológico). Para establecer un límite planetario adecuado para la NPP se debe tomar en cuenta las presiones climáticas y el uso de la tierra, todo esto visto desde una alteración biogeoquímica.

Para los sistemas marianos también se ha determinado la HANPP, la cual en aproximadamente dos tercios del área oceánica es >10% está por encima de las áreas de plataforma poco profunda. En el océano, la HANPP se encuentra en niveles tróficos altos, la reducción de organismos en niveles tróficos altos puede cambiar el flujo de energía en los ecosistemas.

Cambio climático

Las variables de control para el cambio climático son la concentración atmosférica de CO2 y el cambio en el forzamiento radiativo (dato crucial 8). De acuerdo a las estimaciones de 2022, el forzamiento radiativo antropogénico es de 2.92 W m-2 y el dióxido de carbono atmosférico es de 417 ppm, ambos valores han transgredido el límite seguro.

Entidades novedosas

Las entidades novedosas son aquellas que han sido introducidas en el sistema terrestre por los humanos, estas pueden ser sustancias químicas y sintéticas, materiales radiactivos, desechos nucleares y armas nucleares y modificaciones genéticas. Todas estas entidades sirven como marcadores geológicos del Antropoceno. Por ser de cierta forma nuevos, no se conoce el impacto que estas entidades en la salud humana ni en la de los ecosistemas. Para los límites planetarios solo se toman en cuenta por como podrían modificar la estabilidad y la resiliencia del planeta, sin embargo, aún no se conoce un espacio operativo seguro para las entidades novedosas.

Los efectos de las sustancias antropogénicas en el medio ambiente no se conocen con exactitud y en muchas ocasiones, no están reguladas. Existen casos como el insecticida sintético (DDT) y los clorofluorocarbonos (CFC), de los cuales se notó su impacto tiempo después del comienzo de su uso. Como estas entidades no estaban presentes antes de que el hombre poblara la Tierra, el espacio operativo seguro para estas entidades es que no existieran, ya que no se conocen a profundidad sus impactos. Este espacio podría modificarse si las sustancias químicas fueran inofensivas y estuvieran reguladas.

El límite planetario para las entidades novedosas se puede establecer con la liberación de 0% de productos sintéticos no probados. Esto puede ser un problema en el sentido de que no se tiene la información suficiente sobre las sustancias que se liberan y la que se tiene suele ser únicamente de las sustancias aisladas, no se toma en cuenta el riesgo cuando se mezclan con otras sustancias. De los productos químicos registrados en el Reglamento, evaluación, autorización y restricción de productos químicos (REACH, por su sigla en inglés), aproximadamente 80% de estos se han utilizado por al menos 10 años a pesar de que no han tenido una evaluación sobre sus impactos. Al no conocer los impactos de tantos productos químicos, el límite para las entidades novedosas se ha transgredido.

Agotamiento del ozono estratosférico

El límite para la capa de ozono es de 276 unidades Dobson (DU) (medida de la cantidad presente de ozono en la atmósfera terrestre). Con el Protocolo de Montreal que se estableció en 1987, la capa de ozono se recuperó. Las estimaciones de 2020 indican que la capa de ozono se encuentra en 284 DU, por lo que se considera que se está en un espacio operativo seguro debido a que solo se excede este límite en la Antártida y en altas latitudes meridionales durante los meses de la primavera austral.

Agua dulce

Para este límite se evalúan los cambios del ciclo del agua en la Tierra. El flujo de agua se utiliza como un indicador para representar el agua azul, que es el agua superficial y subterránea, y se utiliza la humedad del suelo en la zona de las raíces para la representación del agua verde, que es la que está disponible para las plantas. La variable de control es el porcentaje de superficie terrestre libre de hielo a nivel mundial anual con desviaciones de la humedad del suelo en la zona de las raíces y caudal fluvial con respecto a la variabilidad preindustrial.

Para las variables de control se tomaron en cuenta las desviaciones del estado preindustrial, para el agua azul se estableció aproximadamente 10% de variabilidad en la superficie terrestre mundial, y para el agua verde, se estableció de 11%. También, se supone que las condiciones preindustriales son una representación de las condiciones del Holoceno a largo plazo, de manera que una alteración representaría un riesgo para el sistema de agua dulce. Actualmente, aproximadamente 18% de agua azul y 16% de agua verde tienen desviaciones de agua dulce. Con este enfoque para el límite de agua dulce, tanto el agua azul como la verde han superado el límite desde 1905 para la azul y desde 1929 para la verde.

Carga de aerosoles atmosféricos

Los aerosoles se generan por fuentes antropogénicas y naturales, los aerosoles antropogénicos han mostrado un incremento, al igual que los naturales, de estos últimos, se estima que se han duplicado desde 1750. Por la variedad de aerosoles que existen es difícil cuantificar un límite planetario. A pesar de esta dificultad, la profundidad óptica del aerosol (AOD, por su sigla en inglés) brinda una variable de control genérica para la carga de aerosol. AOD se refiere a una medida integrada de la reducción general de la luz solar que llega a la superficie de la Tierra causada por toda la absorción y dispersión en la columna de aire vertical. A partir de esto, se ha establecido un límite planetario regional provisional de 0.25 de acuerdo a los valores más altos de AOD en otras regiones monzónicas (dato crucial 9). Actualmente, la AOD media global es de 0.14, pero hay regiones en las que este nivel es mayor.

Las asimetrías en la AOD que existen entre los hemisferios norte y sur tienen influencia en las precipitaciones monzónicas regionales. Las asimetrías en el clima entre ambos hemisferios es resultado de las diferentes emisiones de aerosoles naturales y antropogénicos, la cubierta de tierra y otros factores climáticos. Los impactos que provocan los aerosoles en los hemisferios se ven influenciados por el tamaño de las partículas y su distribución latitudinal y altitudinal. Bajo este panorama se estableció una diferencia interhemisférica media anual en AOD actual de aproximadamente 0.076 ±0.006, por la estacionalidad de tormentas de polvo en el hemisferio norte, se llega a aproximadamente 0.1 en la primavera y en los veranos boreales. El límite planetario para la diferencia interhemisférica media anual es de 0.1. Los impactos de los aerosoles ya son visibles en las precipitaciones y en la modificación de clima regional.

Acidificación oceánica

La variable de control para la acidificación del océano se basa en la concentración de iones carbonato en la superficie de agua de mar, específicamente de la aragonita [una de las formas cristalinas del carbonato de calcio (CaCO3), junto con la calcita y la vaterita]. El límite es ≥ 80% del Ωarag promedio global preindustrial de 3.44. Actualmente este límite es aproximadamente de 2.8, es decir, 81% del valor preindustrial. Se está en el margen del espacio operativo seguro, pero existe una tendencia al incremento de la acidificación, resultado de las emisiones antropogénicas.

Cambio del sistema terrestre

Para este límite se toma en cuenta la cobertura forestal respecto al área potencial de bosque en el Holoceno. La posición del límite es de 85%, 50% y 85% para los bosque boreales, templados y tropicales, respectivamente. Existen factores como la conversión del uso de la tierra y los incendios forestales que están afectando el área de los bosques, la cual está disminuyendo a nivel mundial.

Flujos biogeoquímicos

Para este límite se considera el ciclo del nitrógeno (N) y el fósforo (P), los cuales han sido afectados por la agricultura y por la industria. Para el fósforo el límite es de 11 Tg de P año-1, es decir, un teragramo de fósforo por año, considerad para el agua dulce y para el océano. Se han realizado otras mediciones desde el agua dulce hacia el mar (que son más pequeños en comparación, el límite es de 22 Tg de P año-1. A nivel regional el límite de fósforo desde fertilizantes a suelos erosionables se ha definido en 6.2 Tg de P año-1. La tasa anual de P en fertilizantes para tierras de cultivo es de 17.5 Tg de Paño-1. Tanto a nivel regional como global, el límite se ha sobrepasado.

Para el Nitrógeno, el límite se establece con base en la tasa de aplicación de N fijado intencionalmente en el sistema agrícola de 62 Tg de N año-1. La tasa actual es de 112 Tg de N año-1. La cuantificación de N por la fijación biológica es difícil de calcular, pero se estima que la tasa es mayor al límite establecido, es decir, el límite se sobrepasa a nivel global.

Discusión

Los límites de cambio climático, integridad de la biosfera, cambio del sistema terrestre, flujos biogeoquímicos, aerosoles y entidades novedosas son seis de los nueve límites establecidos que se han transgredido. Se introdujo HANPP como un sistema de control para la integridad de la biosfera y para el agua, se introdujo el estudio de agua verde y azul, estos nuevos factores, confirman la transgresión de sus respectivos límites.

Efectos del sistema terrestre de diferentes escenarios de transgresión del cambio del sistema terrestre y los límites climáticos

A continuación, se analiza cómo la transgresión del límite de cambio climático y del sistema terrestre puede influir en la temperatura y en el almacenamiento de carbono terrestre.

Desde 1988, las actividades antropogénicas han provocado cambios en el clima y en el sistema terrestre. Algunas simulaciones muestran que, si a partir de 1988 se hubiera mantenido el dióxido de carbono en 350 ppm y en 85%, 50% y 85% para los bosques tropicales, templados y boreales, a largo plazo se hubieran mantenido condiciones planetarias estables. Sin embargo, estos límites se excedieron desde 1988. Si esos límites se mantienen en 450 ppm y en 60%, 30% y 60% de la cubierta natural boreal, templada y tropical, el aumento de la temperatura sería de 1.4°C para 2100 (dato crucial 10).

La deforestación lleva a una pérdida acumulativa de carbono terrestre. En este contexto, si la deforestación se hubiera mantenido dentro de los límites, se hubiera desarrollado un sumidero de carbono acumulativo, en vez de una nueva fuente de emisión.

Si se supera la concentración de dióxido de carbono de 550 ppm y se continúa con la deforestación, a largo plazo se perdería cubierta vegetal y suelos terrestres. Estos escenarios muestran la necesidad de tomar en cuenta al planeta como un sistema y no como procesos aislados, para permitir una mejor comprensión de la dinámica del sistema y poder establecer correctos límites planetarios.

Influencia del cambio climático en los sumideros de carbono mediados biológicamente en el océano

Los sumideros de carbono marinos mediados biológicamente están compuestos de partículas de carbono orgánico (POC, por su sigla en inglés). Cuando hay una descomposición microbiana de POC y del carbono suelto, se provoca la liberación de dióxido de carbono, lo cual influye en la presión parcial de CO2 en las aguas superficiales, que tiende a reducir la absorción de carbono oceánico de la atmósfera. Este tipo de sumidero es muy sensible a los cambios en la cantidad de carbono fijado por la fotosíntesis.

La acumulación de carbono inorgánico disuelto (DIC, por su sigla en inglés) se acumula con el tiempo en el océano, específicamente en la parte superior. Si se presenta una acumulación de DIC en la superficie del océano, la absorción de CO2 atmosférico tiende a disminuir, de manera que no se permite ni la estabilización ni la reducción del CO2. Una reducción en el material orgánico que se hunde afectaría al ecosistema mesopelágico [las aguas marinas situadas entre 200 y 1000 metros de profundidad, por debajo de la zona epipelágica y por encima de la batipelágica], su reducción tendría consecuencias para los organismos del bioma. La acidificación del océano afecta en la formación biológica de carbonato de calcio, que es indispensable para los organismos que forman conchas y arrecifes. La acidificación tiende a desestabilizar la integridad de la biosfera.

Un marco sistémico para abordar los impactos antropogénicos globales en el sistema Tierra

Las actividades humanas están afectando de manera significativa los procesos del planeta, especialmente aquellos relacionados con el mantenimiento de la resiliencia de la Tierra. Algunos puntos de inflexión relacionados a la resiliencia están cerca de sobrepasarse, por lo que están afectando a la resiliencia global. Es necesario el estudio de las interacciones entre la geosfera, la biosfera y la antroposfera para que a partir de esto tomar acciones con base a la dinámica del sistema.

El considerar las interacciones del sistema va a llevar a una mejor acción hacia el cambio climático. Mejorar los análisis no cambian el principio del análisis de los límites planetarios: ante el cambio climático es indispensable mantenerse dentro de los límites establecidos.