Gases con efecto de invernadero

Los estudios sobre el clima global de la Tierra llevados a cabo mediante satélite, junto con estudios sobre los cambios en el uso de la tierra en regiones específicas son de gran importancia; de tal manera, la historia de los cambios ambientales puede determinarse con mayor detalle en una escala espacial.

A continuación se presentan datos que indican, con toda claridad, que efectivamente se manifiesta una serie de cambios importantes. Desde hace algún tiempo, varios científicos dedicados a la climatología han realizado cálculos y mediciones sobre el clima global terrestre; en realidad, desde 1958 se sabe que la acumulación de bióxido de carbono provoca en la atmósfera un calentamiento debido a que éste y otros gases, como el metano y el óxido nitroso, tienen un efecto de invernadero; es decir, atrapan el calor que irradia la tierra previamente calentada por la radiación solar.

El físico Svante Arrhenius, de Suecia, previó este fenómeno a principios de siglo y, desde entonces, varios investigadores han trabajado con modelos y registros en forma continua en distintos laboratorios uno de ellos ubicado en el Scrips Institution of Oceanography, que tiene una estación en Mauna Loa, Hawai.

Los diversos cambios que se detectan con claridad son:

1. El globo terráqueo se calienta debido a la acumulación de gases con efecto de «invernadero», como el bióxido de carbono, el metano (CH4) el óxido nitroso (N20) y los clorofluorocarburos.
2. Desde mediados del siglo XIX la cantidad de bióxido de carbono atmosférico ha aumentado en un 25%, debido al consumo de carbón y petróleo, y a la

destrucción de los bosques. Todo esto redundará en perjuicio de la agricultura, afectará a los bosques y también la disponibilidad de agua.

A pesar de que el aumento en la cantidad de CO2 parece mínima (ya que la cantidad total en la atmósfera es de un poco más de 0.03% por volumen), éste desempeña un papel importante, junto con el metano y el óxido nitroso, en el establecimiento de la temperatura terrestre ya que en contraste con el nitrógeno (N2) y el oxígeno (02), que constituyen más del 99% de la atmósfera estos gases pueden absorber la radiación infrarroja y el calor radiante, de tal suerte que actúan como gases con efecto de invernadero.

Desde 1860 existen registros de los datos sobre la temperatura global terrestre, los cuales indican que ha aumentado de 0.5 a 0.7 grados Celsius.

Desde entonces, sobre todo en la pasada década, no siempre ha existido una correlación entre aumento en la temperatura y acumulación de esos gases.

Con respecto a este acelerado calentamiento también se dice que ha aumentado la temperatura promedio de los lagos canadienses; parece que se reduce, el área de hielo marino que rodea el continente Antártico y el Mar Ártico, y también los glaciares terrestres de Europa.

El fenómeno invernadero “Atmósfera con un contenido normal de CO2

Estas observaciones están de acuerdo con las predicciones hechas por los climatólogos con base en la teoría sustentada por modelos generales de circulación atmosférica. Aunque los análisis y los diversos modelos globales no están totalmente de acuerdo, las predicciones generales son consistentes con la teoría y la experiencia.

Los climatólogos calculan que el mayor calentamiento se presentará en las latitudes más altas en el invierno; es probable que en esas latitudes, el calentamiento, según los modelos, sea dos veces más que el promedio global. Además, se espera que la atmósfera superior se enfríe mientras las atmósferas inferiores se calientan, y que habrá menos precipitación y menos humedad en el suelo en latitudes más bajas.

Aunque las investigaciones avanzan, así como los análisis, en conjunto la elevada concentración de los gases que producen el efecto de invernadero, constituye una fuerte evidencia del proceso que anticipó Arrhenius hace ya un siglo respecto a que existe un calentamiento global.

Mucho se puede aprender al examinar los cambios climáticos habidos en el pasado para prever los cambios futuros. Hace 15 mil años, los glaciares cubrían gran parte del norte de América y de Europa; ¿cómo se involucraron estos cambios de la atmósfera en los grandes cambios climáticos que trajeron los periodos glaciales e interglaciares?, aunque la respuesta no es clara, uno de los mayores avances ha consistido en poder determinar la composición atmosférica en otras épocas, a partir de pequeñas muestras de aire atrapado en el hielo glacial.

Es posible determinar la composición atmosférica de los periodos de expansión y retracción gracias a los datos procedentes de núcleos de hielo obtenidos por un grupo francosoviético de la estación Vostok de la Antártica.

El núcleo de hielo tiene 2,000 metros de longitud y es suficientemente largo para muestrear los pasados 160 mil años. Los datos indican fluctuaciones en la temperatura hasta los 10 grados, los cuales se derivan de cambios en los cocientes de oxígeno isotópico en el núcleo. Lo anterior se confirma por el hecho de que el cociente de dos isótopos comunes de oxígeno, el oxígeno 18 y el oxígeno 16 en núcleos de sedimentos marinos, refleja los cambios de las temperaturas pasadas.

Los datos de la Vostok también reflejan la abundancia de los gases atmosféricos que fluctuaban junto con la temperatura en los pasados 160 mil años; a una temperatura más alta, una mayor concentración de bióxido de carbono y viceversa.

En realidad, la correlación del bióxido de carbono con la temperatura, no sirve para establecer si los cambios en la composición atmosférica causaron el calentamiento y el enfriamiento. Aunque el contenido del bióxido de carbono está en estrecha relación con la temperatura durante los periodos de desglaciación, aparentemente queda fuera de los cambios en la temperatura durante los periodos de enfriamiento.

Aunque existe un fuerte acoplamiento estadístico entre el bióxido de carbono y la temperatura, los cambios de ésta son de 5 a 14 veces más grandes de lo que se había calculado con base en las propiedades irradiativas del bióxido de carbono.

Aparte de los cambios en los gases que producen el efecto de invernadero, la relación entre bióxido de carbono y temperatura sugiere que ciertas retroalimentaciones positivas (como hielo sobre la Tierra, el mar, las nubes y el vapor de agua que absorben calor radiante) están amplificando la respuesta. Otros datos obtenidos del mismo núcleo Vostokr muestran que la concentración del metano sigue muy estrechamente a la temperatura y al bióxido de carbono.

La concentración de metano casi se duplica entre el máximo del penúltimo periodo glacial y el siguiente periodo interglaciar. Dentro del presente periodo interglaciar la concentración en los pasados 300 años se duplica rápidamente. Aunque la concentración del metano atmosférico es dos órdenes de magnitud más bajo que la del bióxido de carbono, no puede pasarse por alto, ya que las propiedades irradiativas del metano son 20 veces más efectivas molécula por molécula, que el bióxido de carbono para absorber el calor radiante.

Con base en un modelo irradiativo-convectivo conocido como de Hansen, que incluye una retroalimentación química, parece que el metano contribuyó aproximadamente en un 25% en importancia en relación con el bióxido de carbono, en el calentamiento que toma lugar durante el más reciente retroceso glacial de hace 8 000 a 10 000 años.

¿Cómo puede explicarse que una elevación en la temperatura global provoque una mayor liberación de bióxido de carbono y metano en la atmósfera? Tomemos encuenta que en el proceso de la fotosíntesis las plantas terrestres fijan al año, alrededor de 100 mil millones de toneladas de carbono a partir de la atmósfera es decir, casi un 14% del total del carbono atmosférico. Aproximadamente, una cantidad igual de carbono se regresa a la atmósfera a través de los procesos de la respiración vegetal y de la degradación de la materia orgánica.

Debido a que los flujos en ambos sentidos son una fracción sustancial del bióxido de carbono presente ya en la atmósfera, en cualquier momento un cambio, en un ligero porcentaje, ya sea en el flujo fotosintético o respiratorio alteraría significativamente el contenido de bióxido de carbono atmosférico. Sin embargo, surge otra pregunta: ¿el calentamiento global, producirá tal desequilibrio? La respuesta no es muy clara yprobablemente, continuará así hasta que el clima ha ya cambiado considerablemente mucho más de lo que ha cambiado hasta ahora.

Posiblemente, el esquema general es como sigue: el índice de Fotosíntesis está afectado por varios factores y, particularmente por la disponibilidad de luz, agua y nutrientes. Sin embargo, no es muy sensible a los cambios de temperatura; por el contrario, los índices de respiración vegetal dependen fuertemente de la temperatura. Por ejemplo, un cambio de un grado de temperatura en cualquier dirección hacia arriba o abajo a menudo altera los índices de la respiración vegetal hasta en un 10 a 30%.

Estas observaciones sugieren que un calentamiento global acelerará la degradación de la materia orgánica sin que cambie apreciablemente el índice de la fotosíntesis; aumentará la liberación de bióxido de carbono en la atmósfera y el calentamiento dará como resultado más metano, porque éste se produce mediante el metabolismo celular en regiones donde el oxígeno no está disponible libremente como en los pantanos y suelos húmedos. En años recientes, ha habido una elevación en la concentración del metano atmosférico en más del 1% por año.

El aumento del metano es rápido y significativo porque, como se ha señalado antes, el metano es 20% más efectivo que el bióxido de carbono para atrapar el calor. Los suelos húmedos donde se produce el metano como resultado de una degradación anaeróbica, representan la mayor fuente mundial de metano. Sin duda, el calentamiento que ya se ha presentado estimula una degradación anaeróbica y la producción de metano y bióxido de carbono.

Ahora bien, ¿Se puede calcular el aumento en la temperatura (resultado de la producción de carbono) con los datos disponibles? Una fracción importante de 20 a 30%de la respiración global en la Tierra tiene lugar en los bosques y en la tundra de las latitudes medias y altas, donde se espera que el calentamiento sea mayor. Si aceptamos que el calentamiento global medio a la fecha ha sido de 0.5 °C y que en las latitudes medias y altas la elevación ha sido de 1 °C, entonces se puede decir que la respiración vegetal en estas latitudes y la degradación de materia orgánica en los suelo, ha aumentado significativamente. Si el aumento de la respiración de los vegetales está entre 10 y 30% dentro del 20 al 30% del total del área que respira, entonces la respiración global total aumentará entre 1 y 6% arriba de lo normal. Si se acepta que el flujo normal de carbono dentro de la atmósfera es de 100,000 millones de toneladas y que el índice de la fotosíntesis no cambia, el calentamiento que tiene lugar significa que ha habido una inyección de entre 1,000 y 6,000 millones de toneladas de carbono por año; es decir, en el siglo pasado se liberaron cerca de 20,000 a 30,000 millones de toneladas de carbono en esta forma.

Es probable que estos cálculos sean altos porque el promedio de calentamiento pudo haber sido menor que el promedio aceptador y porque la respuesta fotosintética tiende a reducir la liberación de bióxido de carbono. Sin embargo, quizá el cálculo no sea mayor de un factor de dos, pero sirve para enfatizar la importancia de los mecanismos de retroalimentación biótica.

Por otra parte, ¿cómo se compara el valor calculador con las cantidades de carbón liberado por otros procesos conocidos? La liberación a partir de los combustibles fósilesque se queman es aproximadamente de 5,000 millones de toneladas al año; y la deforestación añade una cantidad calculada de 2,000millones de toneladas al año. No se conoce la cantidad total de carbono inyectada a la atmósfera a partir de estas dos fuentes, más la de la respiración aumentada por temperatura, pero parece que es de más de 6 000 millones de toneladas anuales y podría llegar hasta los 10,000 millones.

La liberación del carbono debido a cambios en el índice respiratorio podría fluctuar apreciablemente; un calentamiento gradual como el que se ha experimentado en este siglo, cambiaría el índice respiratorio lentamente de tal modo que los cambios año con año serían muy leves.

Por otra parte, un calentamiento rápido y un enfriamiento en un periodo de varios años, daría como resultado un cambio observable en el contenido de bióxido de carbono en la atmósfera. En los pasados 15 años, el índice anual de acumulación de bióxido de carbono atmosférico ha sido de 1.5 partes por millón, lo cual equivale a una acumulación global de alrededor de 3,000 millones de toneladas de carbono.

Según los datos registrados en Mauna Loa y en el Polo Sur en los últimos años, indican que el índice de acumulación se ha elevado alrededor de 2.4 partes por millón, lo cual equivale aproximadamente a 5 000 millones de toneladas de carbono.

También puede esperarse que cualquier cambio climático afecte la capacidad de la biota terrestre, en particular los bosques y los suelos para retener carbono; a índices de calentamiento más bajos que los índices de desarrollo de los bosques, éstos podrían expandirse y, con ello, aumentar la capacidad para almacenar carbono. Pero si el índice de calentamiento excede a los índices de los cuales los bosques emigran a más favorables regiones climáticas, la mortalidad se ex tendería a árboles y plantas

Es difícil predecir el resultado neto de tal destrucción de bosques pero, probablemente, significa una futura liberación de bióxido de carbono a través de la degradación de plantas y animales así como de materia orgánica en los suelos.