lunes, 14 de enero de 2019

¿Qué es el efecto invernadero? - Emilio García Ladona y Joaquim Ballabrera Poy

¿Qué es el efecto invernadero?
(Por Emilio García Ladona y Joaquim Ballabrera Poy)



El Sol irradia energía electromagnética que llega a la superficie tras interaccionar con los gases que componen la atmósfera de la Tierra. Para entender qué ocurre y cómo se produce ésta interacción debemos saber cuáles son las propiedades de absorción y emisión tanto de la fuente emisora como de los elementos que reciben la energía solar. En primer lugar debemos tener una idea de qué gases conforman la atmósfera. En la tabla 1 hemos listado los componentes principales de la atmósfera terrestre. Se observa que el N2 y el O2 son los más abundantes seguidos, en menor medida, por una serie de componentes con una fracción de volumen menor del 1%, excepto el vapor de agua que puede variar hasta un 5%  según las condiciones atmosféricas.

          La radiación solar que llega a la parte superior de la atmósfera se puede aproximar por la radiación de un cuerpo negro a una temperatura 5525 K (figura 1) y centrada en la banda de luz visible, pero conteniendo una fracción importante de ultravioleta e infrarrojo corto (< 3 micras). Tras atravesar la atmósfera, la radiación incidente se ve atenuada en un 70-75 % en la superficie terrestre y la mayor atenuación se produce en la banda de ultravioleta y visible. Esto es debido esencialmente a la absorción del O3 en la estratosfera principalmente así como una cierta dispersión de la radiación (dispersión de Rayleigh). En la banda inferior del infrarrojo (~0.6-2 micras) la curva muestra unos lapsus o pozos que se corresponden esencialmente con las diferentes bandas de absorción del vapor de agua. Así, el vapor de agua actúa como un primer filtro radiativo absorbiendo parte de la radiación entrante.

Tras atravesar la atmósfera, la radiación restante interacciona con la superficie de la Tierra siendo reflejada o absorbida. La mayor parte de esta radiación es absorbida por el océano. Allí la penetración disminuye fuertemente y prácticamente en el primer metro solamente queda radiación en la banda visible alrededor de 462 nm (~ 0.4 micras) típicamente el color azul de aguas transparentes, y a 100 m de profundidad la atenuación es prácticamente total. A pesar de esta fuerte atenuación entre 0-100 m, la radiación solar es suficiente para sustentar el desarrollo de la fotosíntesis de prácticamente toda la vida vegetal marina (fitoplancton).

La absorción de la radiación electromagnética en el mar es una fuente de energía que calienta las capas superficiales y contribuye a potenciar las corrientes oceánicas a gran escala con el fin de redistribuir y homogeneizar esta energía por todo el planeta. Al hacer un promedio de la temperatura de la superficie de la Tierra nos encontramos con un valor característico de unos 15-17 ºC que, a su vez, por la ley de Planck irradia energía electromagnética. El espectro de emisión (curvas suaves en negro, azul y lila en la figura 1) está en la banda del infrarrojo “largo” (~3-60 micras). Sin embargo vemos que el espectro de energía que escapa al espacio exterior tras haber atravesado la atmósfera tiene una forma muy alejada de las curvas de emisión teóricas. Esto sucede porque el tipo de radiación emitida coincide con varias bandas de absorción características de muchos más componentes atmosféricos (CO2, CH4,…) dejando libre  tan solo esa ventana en el rango 8-15 micras (“ventana atmosférica”) para la radiación saliente (esa es la banda que utilizan la gran mayoría de los satélites de observación de la Tierra para escudriñar la superficie terrestre). Cómo podemos observar básicamente los gases que absorben en esas bandas son el vapor de agua nuevamente, el CO2, el CH4 y el óxido nitroso NO2.

Figura 1: Intensidad espectral de la radiación de entrada y salida de la Tierra y curvas de absorción de radiación total y de cada uno de los componentes atmosféricos principales que intervienen en el balance radiativo de la Tierra (incluida la dispersión de radiación por las moléculas, dispersión de Rayleigh). Las curvas continuas corresponden a las curvas de emisión de la Ley de Planck para la temperatura característica del Sol (5525 K) y 3 valores de la superficie de la Tierra entre -63ºC (210 K) y 37ºC (310 K). Datos basados en la calculadora espectral (http://www.spectralcalc.com) a partir de la base de datos espectroscópicos HITRANS2004. © Robert A. Rhode reproducida aquí bajo licencia GNU versión 1.2 de la Free Software Foundation.

Por tanto estos gases absorben parte de esta radiación saliente y la reemiten, una parte de retorno a la superficie y otra hacia capas superiores de la atmósfera, y así hasta que abandona finalmente la atmósfera. Es la energía de la radiación reemitida por estos gases añadida a la de la radiación entrante que contribuye a establecer la temperatura característica del planeta y que se denomina comúnmente como efecto invernadero. Llegado a este punto debemos precisar acerca de este concepto que a nuestro modo de ver podemos considerar inadecuado. Una experiencia cotidiana muy común al entrar en un coche estacionado que haya estado expuesto al Sol durante varias horas, con puertas y ventanas cerradas, es que la temperatura del interior es muy alta y que el tablero de mandos y el volante literalmente queman al tocarlos con la mano. La radiación solar penetra dentro del habitáculo calentando todos los objetos y superficies además del aire en su interior. Esta sencilla observación es análoga a la que se produce en locales y verandas exteriores encerradas con cristaleras y es bien conocido de los  invernaderos para proteger plantas que pueden ser sensibles a temperaturas ambientes excesivamente frías. Sin embargo, y volviendo al coche, si dejamos abierta un poco una de las ventanas, la temperatura dentro del habitáculo será menor que si estuviera cerrada. La causa es que la ventana abierta facilita el intercambio de masas de aire y por ende de temperatura entre el interior y exterior vía la convección, que es una forma efectiva y rápida de intercambiar calor. Es decir, básicamente el mayor calentamiento del interior de los habitáculos tipo invernaderos no se debe tanto a un atrapamiento de la radiación y reemisión de la radiación electromagnética por las paredes que lo delimitan, sino por la supresión del intercambio convectivo con el aire exterior.

En el caso de la atmósfera terrestre el calentamiento no se produce por una supresión del intercambio convectivo, dado que es un sistema abierto, sino básicamente por la absorción y reemisión de energía de los gases atmosféricos hacia las capas más bajas de nuevo incidiendo en el balance neto entre la radiación entrante y la radiación saliente. Según sea este balance, la temperatura terrestre aumentará o disminuirá o permanecerá constante en caso de tener un perfecto balance radiativo. Cuando este balance se rompe la temperatura varía hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio radiativo con modificaciones que afectan de una manera u otra al sistema climático. De hecho la historia de la Tierra ha sido un continuo cambio de patrones climáticos a veces fruto de eventos catastróficos (grandes explosiones volcánicas, impacto de asteroides, etc.) que han modificado el balance radiativo a escalas interanuales, decadales, seculares, milenarias....

Evidentemente el desequilibrio del balance radiativo puede variar o bien porque la radiación entrante varía (relacionado con la propia dinámica de Sol) o bien porque la radiación saliente varía (alteración de los componentes y condiciones que más contribuyen a la emisión). Como apuntábamos antes, la historia de la Tierra tal y como la conocemos, nos ha enseñado que ambas componentes han ido fluctuando, configurando un sistema climático variable dando lugar a periodos fríos y cálidos, a veces extremadamente fríos (conocidos como superglaciaciones o Tierra Bola de Nieve del inglés SnowballEarth). No es de extrañar que una parte importante de estos cambios estén asociados al ciclo del agua, dado que podemos observar cómo el vapor de agua es uno de los gases que mayor influencian el balance radiativo al absorber simultáneamente radiación entrante y saliente. La prueba más evidente de cómo el vapor de agua afecta de forma apreciable al balance radiativo, la podemos constatar en nosotros mismos cuando observamos las variaciones de la temperatura entre los días nublados y los días despejados, sobre todo durante la noche. En noches cubiertas la temperatura en la superficie es por lo general más cálida ya que la absorción y reemisión de la energía saliente por las nubes atenúa el enfriamiento que se produciría si los cielos estuvieran despejados. Resulta cuando menos curioso, rayando la falta de rigurosidad, que el papel del vapor de agua sea uno de los grandes ausentes de los debates o presentaciones que tan a menudo se oyen en medios de comunicación o conferencias divulgativas acerca de las causas y consecuencias del cambio climático en la era moderna.

Ciertamente, la acción humana ha incidido en el sistema climático, entre otros aspectos, contribuyendo artificialmente a aumentar la concentración de los gases que intervienen en el balance radiativo. Uno de los efectos más evidentes de estos gases es la realimentación positiva precisamente a través del vapor de agua. Así las bandas de absorción del CO2, en particular algunas que no se superponen con las del vapor de agua (alrededor de las 4 micras) son una aportación neta al balance radiativo. Inducen un aumento de la temperatura, favoreciendo a su vez un aumento de la humedad y por tanto potenciando el papel del vapor de H2O. El papel que juega el vapor de H2O en la atmósfera contribuyendo con retroalimentaciones positivas y negativas en el balance radiativo es uno de los aspectos esenciales para entender plenamente de qué manera ha evolucionado, evoluciona y evolucionará el clima en el futuro.

En el resumen del capítulo 9 del último informe del IPCC panel (IPCC, 2013) se indica que los modelos climáticos reproducen razonablemente bien las tendencias genéricas de la evolución del clima terrestre durante el pasado siglo (mayormente utilizando la evolución de la temperatura media en superficie). Sin embargo, también señalan que hay discrepancias con la evolución del clima de los últimos 30 años donde la temperatura no ha aumentado como habían predicho los modelos en el informe anterior, pese al continuo aumento de emisión de gases invernadero. Dejando aparte la representatividad de los modelos actuales de clima, la hipótesis que parece tomar mayor relevancia es una mayor acumulación de calor en el océano.

¿Por qué entonces la temperatura de la Tierra no ha aumentado en proporción a la acumulación de calor y el aumento continuado de los gases de efecto invernadero, en particular del CO2? La explicación radica en que el agua tiene una capacidad calorífica mucho mayor que el aire, unas 4000 veces más grande. Esto significa que si tenemos dos volúmenes iguales de aire y agua y queremos elevar 1ºC la temperatura de ambos, necesitamos unas 4000 veces más de energía calorífica para el agua que para el aire. Lo mismo sucede entre el agua y las superficies rocosas en general aunque las diferencias son menores. Así ese aumento de calor en el océano no ha supuesto un aumento considerable de la temperatura en tanto en cuanto el océano además constituye la mayor superficie del planeta. En esto radica el papel del océano como regulador del clima que permite tener en zonas costeras variaciones de temperatura muy suaves respecto a las grandes variaciones de temperatura características de las zonas interiores de los continentes. En cierto modo la evolución futura del clima, como ha sido sin duda en el pasado, va a depender en gran medida de cómo responda y evolucione el océano ante esta mayor acumulación de calor.


Constituyente
Porcentaje
en volumen
Nitrógeno(N2)
78.08 %
Oxígeno (O2)
20.95 %
Argón (Ar)
0.93 %
Vapor de Agua (H2O)
0-5 %
Dióxido de Carbono (CO2)
380 ppm
Neón (Ne)
18 ppm
Helio (He)
5 ppm
Metano (CH4)
1.75 ppm
Kriptón (Kr)
1 ppm
Hidrógeno (H2)
0.5 ppm
Óxido Nitroso (NO2)
0.3 ppm
Ozono (O3)
0-0.1 ppm

Tabla 1: Principales constituyentes de la atmósfera ordenados según el porcentaje en volumen (ppm, partes por millón, 10.000 ppm = 1%). En negrita los constituyentes más relevantes para el balance radiativo de la Tierra (gases de efecto invernadero). Fuente: J. Wallace, P. Hobbs, AtmosphericScienceanIntroductorySurvey


Emilio García Ladona                Joaquim Ballabrera Poy
Doctores en Ciencias Físicas
Dept. de Oceanografía Física y Tecnológica
Instituto de Ciencias del Mar (ICM-CSIC)

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