Gases de invernadero

Los gases de efecto invernadero son aquellos gases presentes en la atmósfera que son capaces de retener de forma constante una parte considerable de la componente infrarroja de la radiación solar que incide sobre la Tierra y es emitida por la superficie terrestre , la atmósfera y las nubes [1] [2] . Esta propiedad provoca el fenómeno conocido como " efecto invernadero " y es comprobable mediante un análisis espectroscópico en el laboratorio . Pueden ser tanto de origen natural como antropogénico (es decir, producidos por actividades humanas) [3] . Desde 1997 , el Protocolo de Kioto regula las emisiones de los gases de efecto invernadero considerados más nocivos, en particular CO 2 , N 2 O, CH 4 , hexafluoruro de azufre (SF 6 ), hidrofluorocarbonos (HFC) y perfluorocarbonos .

Historia

La primera teorización del efecto invernadero como un fenómeno general de captura del calor solar por parte de la atmósfera terrestre se remonta tradicionalmente al trabajo del matemático y físico francés J. Fourier , quien en 1827 fue el primero en analizar matemáticamente la temperatura de la Tierra y en enuncia el principio según el cual su medida actual dependería en gran medida del efecto "aislante" de la atmósfera planetaria [4] . Sin embargo, Fourier no fue capaz de atribuir una causa específica al fenómeno, deducida de las observaciones sobre el balance energético de la Tierra, considerado como complejo [5] .

En 1859 el irlandés John Tyndall , basándose en el trabajo de Fourier, fue el primero en analizar las propiedades de los principales gases contenidos en la atmósfera, tal y como se describía en su momento, en la absorción del calor solar. Sus rigurosas investigaciones experimentales pudieron demostrar la diferencia sustancial entre moléculas como el oxígeno , el nitrógeno y el hidrógeno , descritas como "transparentes" en relación a la radiación infrarroja, y otras que en cambio tenían la propiedad de atraparla. En particular, Tyndall atribuyó al vapor de agua el principal papel en la prevención de la refracción del calor solar, seguido del dióxido de carbono y el ozono [6] , y propuso la idea de que las variaciones en los porcentajes de estos gases podrían ser la causa de cambios en la el clima del planeta [4] .

En 1896 el físico sueco Svante Arrhenius , retomando el trabajo de Tyndall sobre las glaciaciones y sus causas, un problema muy debatido de la climatología de la época, planteó la hipótesis de que la incorporación de CO 2 a la atmósfera por parte del hombre a raíz de la creciente industrialización podría haber modificó el fenómeno del efecto invernadero natural. En particular, calculó que una duplicación de la concentración de dióxido de carbono liberado a la atmósfera habría resultado en un aumento de 5-6 °C en la temperatura de la superficie terrestre [7] [8] . Aunque las estimaciones de Arrhenius han resultado ser numéricamente inexactas con el tiempo, fue principalmente gracias a su trabajo que la correlación entre el aumento de CO 2 y el aumento de las temperaturas se convirtió en evidencia científica.

También debido a las predicciones erróneas realizadas por el físico sueco, la idea de que un aumento de ciertos insumos de carácter artificial pudiera influir en la atmósfera y la temperatura de la tierra pronto fue descartada por el mundo científico de la época, y considerada de poca relevancia. [ 9] . En la década de 1930 , gran parte de la comunidad científica atribuyó los registros de un aumento de las temperaturas en América del Norte como un ciclo resultante de causas naturales; fue el inglés G. Callendar , un ingeniero apasionado por la meteorología , quien se opuso a esta tesis, proponiendo en 1938 como hipótesis para explicar el aumento de las temperaturas el aumento paralelo de la concentración de CO 2 en la atmósfera de las décadas anteriores [10] [11] ; sin embargo, la idea permaneció en gran parte en minoría en el mundo científico [9] . La idea volvió a salir a la luz en la década de 1950 , gracias también a la mejora considerable en la precisión instrumental de las medidas. En 1956, el físico canadiense Gilbert Plass volvió a investigar el problema y concluyó que una duplicación de las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera habría resultado en un aumento de la temperatura de la superficie terrestre de 3,6 °C [12] .

Con el tiempo, fue creciendo el interés científico en torno a la relación entre los gases de efecto invernadero y el calentamiento global, facilitado por numerosos experimentos realizados en todo el mundo y por la creciente precisión en la medición de datos fundamentales. En 1985 , en una conferencia internacional celebrada en Villach , Austria , 29 climatólogos plantearon oficialmente el problema del aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero como crucial para la comunidad científica mundial [13] [14] , identificado como la causa de un aumento sin precedentes de las temperaturas globales [ 15] y, como consecuencia, un aumento potencial del nivel del mar estimado entre 20 y 140 centímetros [16] . En 1988 es el establecimiento del Grupo Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) por parte de la ONU y la Organización Meteorológica Mundial , cuyo objetivo es el análisis del problema del calentamiento global y, como parte integrante, el estudio del efecto de los gases de efecto invernadero sobre la atmósfera, así como la medición de sus concentraciones [17] .

Descripción

Principales gases de efecto invernadero

La contribución de un gas a la variación del efecto invernadero está determinada por el forzamiento radiativo del gas, su concentración en la atmósfera y su tiempo de residencia en la atmósfera. El índice conocido como Potencial de Calentamiento Global (GWP, global warming potencial), que representa el efecto combinado del tiempo de residencia en la atmósfera de cada gas y su efectividad específica para absorber la radiación infrarroja emitida por la Tierra, es una medida de cuánto El gas de efecto invernadero contribuye al calentamiento global, proporcional al CO 2 , tomado como parámetro de referencia y cuyo GWP tiene por definición el valor 1 [18] . Los GWP son calculados por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático y se utilizan como factores de conversión para calcular las emisiones de todos los gases de efecto invernadero en emisiones equivalentes de CO 2 [19] .

El vapor de agua (H 2 O), el dióxido de carbono (CO 2 ), el óxido nitroso (N 2 O), el metano (CH 4 ) y el hexafluoruro de azufre (SF 6 ) son los principales gases de efecto invernadero en la atmósfera terrestre . Además de estos gases de origen tanto natural como antropogénico, existe una amplia gama de gases de efecto invernadero liberados a la atmósfera de origen exclusivamente antropogénico, como los clorofluorocarbonos (CFC), los bromofluorocarbonos (BFC) y muchas otras sustancias cuyas moléculas contienen halógenos , cuyas Las emisiones están reguladas por el Protocolo de Montreal . Los gases halogenados se emiten en cantidades mucho más bajas que el CO 2 , el CH 4 y el N 2 O y tienen concentraciones muy bajas en la atmósfera, pero pueden tener una vida muy larga y un fuerte efecto como forzamiento radiativo , de 3 000 a 13 000 veces mayor que la del dióxido de carbono. La contribución de un gas a la variación del efecto invernadero está determinada por el forzamiento radiativo del gas, su concentración en la atmósfera y su tiempo de residencia en la atmósfera.

Vapor de agua

El principal gas de efecto invernadero es el vapor de agua (H 2 O), responsable de cerca de dos tercios del efecto invernadero natural, aunque no faltan opiniones de que el vapor de agua es responsable de hasta el 98% del efecto invernadero. En la atmósfera, las moléculas de agua capturan el calor irradiado por la Tierra ramificándolo en todas las direcciones, calentando así la superficie de la Tierra antes de ser irradiado de regreso al espacio.

El vapor de agua atmosférico forma parte del ciclo hidrológico , un sistema cerrado de circulación de agua desde los océanos y continentes hacia la atmósfera en un ciclo continuo de evaporación , transpiración, condensación y precipitación . Sin embargo, el aire caliente puede absorber mucha más humedad y, en consecuencia, el aumento de las temperaturas intensifica aún más el aumento del vapor de agua en la atmósfera y, por lo tanto, el cambio climático. Representa el 70% de los gases de efecto invernadero que realizan una actividad real de reflexión de los rayos hacia la Tierra, con una energía radiante de 75  W / m 2 , pero también es un factor de retroalimentación positiva , estando directamente ligado a la temperatura.

Metano

El metano (CH 4 ) normalmente se considera responsable de alrededor del 8 %, aunque su impacto real depende en gran medida de su potencial de calentamiento global , que si se calcula correctamente sobre la vida media del gas en la atmósfera (unos 12 años) pasa del valor comúnmente utilizado de alrededor de 30 a alrededor de 110, lo que aumenta en gran medida su forzamiento radiativo [20] . El metano es el producto de la degradación de materia orgánica en un ambiente anaeróbico. Su concentración atmosférica media está aumentando con una tasa media anual estimada entre el 1,1% y el 1,4%. Las principales fuentes de metano son los suelos pantanosos (25-170 Tg por año; 1 Tg o termograma =1 × 10 12 gramos), fermentación entérica de la digestión de ganado de granja (90-100 Tg) [21] , campos de arroz (40-179 Tg), fermentación de fertilizante orgánico (40-110 Tg), degradación en el medio ambiente reduciendo la biomasa (30-110 Tg), la producción y distribución de gas natural (20-50 Tg), la extracción de carbón (10-40 Tg) y las termitas (5-45 Tg), para un incremento del 0,6% anual. Cabe señalar el fuerte aumento de las emisiones de metano de los vertederos; además, hubo un aumento en las emisiones del sector energético y una disminución en las del sector agrícola.

Alocarburos

Entre estos gases, los más conocidos son los clorofluorocarbonos (CFC), los hidroclorofluorocarbonos (HCFC) y los hidrofluorocarbonos (HFC). La concentración de estos gases en la atmósfera es muy baja, pero su potencial de calentamiento es de 3.000 a 13.000 veces mayor que el CO 2 . Los halocarbonos no se derivan de procesos naturales; su presencia en la atmósfera se atribuye principalmente a las actividades humanas. Hasta mediados de la década de 1970, los CFC se usaban ampliamente como propulsores para latas de aerosol, solventes y algunos adhesivos.

En 1987, al firmar el Protocolo de Montreal, las naciones del mundo firmaron un acuerdo para reducir drásticamente el uso de estos gases por considerarlos nocivos para el ozono atmosférico. Los CFC han sido reemplazados en gran medida por HCFC, que son menos dañinos para el ozono pero aún dañinos para el efecto invernadero, ya que contribuyen al calentamiento global. Así, a medida que disminuye la concentración de CFC, aumenta la de los demás gases. Además de ser muy potentes, estos gases permanecen en el aire por periodos muy largos, de hasta 400 años.

Óxido nitroso

El óxido nitroso constituye una parte muy pequeña de la atmósfera, y está mil veces menos presente que el CO 2 pero casi 300 veces más poderoso para retener el calor.

La concentración de óxido nitroso ha crecido dramáticamente en las últimas décadas, de 275 ppb en el período preindustrial a 312 ppb en 1994. La mayor parte del óxido nitroso en la atmósfera se deriva de procesos microbiológicos. En suelos y aguas, las principales fuentes de emisión de N2O son los procesos de nitrificación y desnitrificación, siendo este último el principal culpable de las emisiones de N 2 O en ambientes subterráneos. También se han observado fenómenos de absorción de óxido nitroso por parte de los océanos, pero hasta la fecha el conocimiento de cómo el suelo y los sistemas marinos actúan como sumideros de este gas es demasiado pequeño para considerar su importancia a escala global.

Ozono

El ozono está mínimamente contenido en la atmósfera y se concentra principalmente alrededor de los 45 km sobre el nivel del mar, donde se forma por la reacción entre los rayos solares UVA y el oxígeno atmosférico. El ozono estratosférico actúa como filtro hacia la radiación ultravioleta del Sol, pero en la troposfera actúa como gas de efecto invernadero aunque su aporte es mínimo. Es un componente esencial de la atmósfera, pero si en las capas superiores es útil porque es capaz de filtrar la radiación ultravioleta del sol hacia la tierra, en las capas inferiores, en la troposfera, debe ser considerado un contaminante. (aunque todavía no se ha calculado su potencial como gas de efecto invernadero respecto al CO 2 ). El ozono es creado y destruido naturalmente por la radiación ultravioleta: los más potentes lo crean a partir del oxígeno, mientras que los más débiles lo destruyen. Parte del ozono también se produce en los procesos de contaminación del aire. El ozono interviene en la formación de la lluvia ácida y su concentración puede provocar enfermedades respiratorias.

Dióxido de carbono

El dióxido de carbono , cuya molécula tiene la fórmula CO 2 , es responsable del 5-20% (la teoría más acreditada es del 15%) del efecto invernadero natural e interactúa con la atmósfera por causas naturales y antropogénicas.

Los reservorios naturales de CO 2 son los océanos, los sedimentos fósiles, la biosfera terrestre, la atmósfera. Gran parte del dióxido de carbono de los ecosistemas se libera a la atmósfera. Varios organismos tienen la capacidad de asimilar el CO 2 atmosférico . Así, el carbono, gracias a la fotosíntesis de las plantas, que combina el dióxido de carbono y el agua en presencia de la energía solar, ingresa a los compuestos orgánicos y luego a la cadena alimenticia, para finalmente regresar a la atmósfera a través de la respiración. Se pueden identificar las variaciones anuales en la concentración de CO 2 atmosférico . Durante el invierno se produce un aumento de la concentración debido a que en las plantas caducifolias prevalece la respiración; mientras que durante el verano la concentración de CO 2 atmosférico disminuye debido al aumento total de la fotosíntesis.

Los océanos juegan un papel fundamental en el balance de carbono, constituyen una verdadera reserva de carbono en forma de ion bicarbonato y contienen enormes cantidades de CO 2 , hasta el 79% del natural: los océanos pueden liberar o absorber CO 2 a medida que es soluble en agua. El aumento de la temperatura del agua disminuye la solubilidad del dióxido de carbono, por lo que el aumento de la temperatura de los océanos desplaza el CO 2 del mar a la atmósfera, mientras que un descenso provoca que suceda lo contrario. Los océanos que absorben así el CO 2 atmosférico mantienen baja su concentración; si la concentración tiende a disminuir, los océanos podrían liberar dióxido de carbono que juega un papel de equilibrio. Este equilibrio natural, en ausencia de actividad antrópica, está siempre en equilibrio como primera aproximación. Implica valores de emisión y absorción superiores a las emisiones antropogénicas. Sin embargo, aunque pequeñas en comparación con el total, las emisiones antropogénicas son suficientes para desequilibrar todo el sistema.

Por lo tanto, el dióxido de carbono se acumula en la atmósfera, ya que los procesos de absorción por parte de la capa mixta del océano no pueden compensar completamente el flujo de carbono entrante. Las emisiones relacionadas con la actividad humana se deben al uso de energía fósil, es decir, petróleo, carbón y gas natural; y el resto por deforestación y cambios en el uso de suelo agrícola. La contribución de la deforestación es sin embargo muy incierta, y hoy en día en el centro de muchos debates: las estimaciones indican valores que van desde un máximo de 2 hasta un mínimo de 0,6 GtC/año. La cantidad equivalente de CO 2 se obtiene multiplicando por 44/12. En cuanto a la persistencia media de CO 2 en la atmósfera en años, el IPCC considera un intervalo entre 50 y 200 años que depende sustancialmente del medio de absorción.

Notas

  1. ^ ME Mann, Gases de efecto invernadero , en britannica.com . Consultado el 13 de mayo de 2020 .
  2. ^ Grupo de Investigación en Didáctica de la Física, Efectos térmicos de la radiación y el efecto invernadero ( PDF ), en physics.unipv.it , Departamento de Física “A. Volta”, Universidad de Pavía , p. 10. Consultado el 13 de mayo de 2020 (archivado desde el original el 29 de junio de 2016) .
  3. ^ Definición de términos utilizados en las páginas de DDC - Glosario FG , en ipcc-data.org , IPCC . Consultado el 13 de mayo de 2020 .
  4. ^ a b P. Lynch, Cómo Joseph Fourier descubrió el efecto invernadero , en The Irish Times , 21 de marzo de 2019. Consultado el 14 de mayo de 2020 .
  5. ^ Cálculos futuros: el primer creyente del cambio climático , en sciencehistory.org , 18 de julio de 2016. Consultado el 14 de mayo de 2020 .
  6. ^ S. Graham, John Tyndall (1828-1893) , en earthobservatory.nasa.gov , 8 de octubre de 1999. Consultado el 14 de mayo de 2020 .
  7. ^ I. Muestra, El padre del cambio climático , en The Guardian , 30 de junio de 2005. Consultado el 19 de mayo de 2020 .
  8. ^ S. Arrhenius, Sobre la influencia del ácido carbónico en el aire sobre la temperatura del suelo ( PDF ) , en Philosophical Magazine and Journal of Science , vol. 41, abril de 1896, págs. 237-276. Consultado el 19 de mayo de 2020 .
  9. ^ a b El efecto invernadero del dióxido de carbono , en history.aip.org . Consultado el 19 de mayo de 2020 .
  10. ^ L. Hickman , Cómo la quema de combustibles fósiles se relacionó con un mundo en calentamiento en 1938 , en The Guardian , 22 de abril de 2013. Consultado el 21 de mayo de 2020 .
  11. ^ Z. Applegate, Guy Stewart Callendar: Descubrimiento del calentamiento global marcado , BBC , 26 de abril de 2013. Consultado el 21 de mayo de 2020 .
  12. ^ JR Fleming, G. Schmidt, GN Plass, Dióxido de carbono y el clima , en americanscientist.org . Consultado el 21 de mayo de 2020 .
  13. ^ Introducción: una historia con hipervínculos de la ciencia del cambio climático , en history.aip.org . Consultado el 21 de mayo de 2020 .
  14. ^ M. Marshall, Timeline: Climate Change , en NewScientist , 4 de septiembre de 2006. Consultado el 21 de mayo de 2020 .
  15. ^ Los orígenes del IPCC: cómo el mundo despertó ante el cambio climático , en Council.Science , 10 de marzo de 2018. Consultado el 21 de mayo de 2020 .
  16. ^ Grupo asesor sobre gases de efecto invernadero establecido conjuntamente por la OMM, el PNUMA y el CIUC ( PDF ), en cambridge.org , p. 365. Consultado el 21 de mayo de 2020 .
  17. ^ Metodología de actualizaciones del IPCC para inventarios de gases de efecto invernadero , en ipcc.ch , 18 de mayo de 2018. Consultado el 21 de mayo de 2020 .
  18. ^ El potencial de calentamiento global , en ita.arpalombardia.it , ARPA Regione Lombardia . Consultado el 13 de mayo de 2020 .
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  20. ^ Paul Balcombe , Jamie F. Speirs y Nigel P. Brandon, Emisiones de metano: elegir la métrica climática y el horizonte temporal correctos , en Environmental Science: Processes & Impacts , vol. 20, núm. 10, 17 de octubre de 2018, págs. 1323–1339, DOI : 10.1039/C8EM00414E . Consultado el 3 de diciembre de 2020 .
  21. ^ Henning Steinfeld, Pierre Gerber y T. Wassenaar, La larga sombra del ganado , 2006. Consultado el 3 de diciembre de 2020 .

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