¿Qué es el efecto invernadero?
(Por
Emilio García Ladona y Joaquim Ballabrera Poy)
Capítulo 31 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!
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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