¿Por qué el dióxido de carbono tiene una influencia tan grande en el clima de la Tierra?

El satélite Orbiting Carbon Observatory realiza mediciones precisas de los niveles de dióxido de carbono de la Tierra desde el espacio. Imagen vía NASA / JPL

Por Jason West, Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill

A menudo me preguntan cómo el dióxido de carbono puede tener un efecto importante en el clima global cuando su concentración es tan pequeña: solo el 0.041% de la atmósfera de la Tierra. Y las actividades humanas son responsables de solo el 32% de esa cantidad.

Estudio la importancia de los gases atmosféricos para la contaminación del aire y el cambio climático. La clave de la fuerte influencia del dióxido de carbono en el clima es su capacidad de absorber el calor emitido por la superficie de nuestro planeta, evitando que escape al espacio.

La 'Curva de Keeling', llamada así por el científico Charles David Keeling, rastrea la acumulación de dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra, medida en partes por millón. Imagen vía Scripps Institution of Oceanography.

Ciencia temprana del invernadero

Los científicos que identificaron por primera vez la importancia del dióxido de carbono para el clima en la década de 1850 también se sorprendieron por su influencia. Trabajando por separado, John Tyndall en Inglaterra y Eunice Foote en los Estados Unidos descubrieron que el dióxido de carbono, el vapor de agua y el metano absorbían calor, mientras que los gases más abundantes no lo hacían.

Los científicos ya habían calculado que la Tierra era aproximadamente 59 grados Fahrenheit (33 grados Celsius) más cálida de lo que debería ser, dada la cantidad de luz solar que llega a su superficie. La mejor explicación para esa discrepancia fue que la atmósfera retuvo el calor para calentar el planeta.

Tyndall y Foote mostraron que el nitrógeno y el oxígeno, que en conjunto representan el 99% de la atmósfera, esencialmente no tuvieron influencia en la temperatura de la Tierra porque no absorbieron el calor. Más bien, descubrieron que los gases presentes en concentraciones mucho más pequeñas eran completamente responsables de mantener las temperaturas que hacían habitable la Tierra, al atrapar el calor para crear un efecto invernadero natural.

Una manta en la atmósfera

La Tierra recibe constantemente energía del sol y la irradia de regreso al espacio. Para que la temperatura del planeta permanezca constante, el calor neto que recibe del sol debe equilibrarse con el calor saliente que emite.

Dado que el sol está caliente, emite energía en forma de radiación de onda corta principalmente en las longitudes de onda ultravioleta y visible. La Tierra es mucho más fría, por lo que emite calor como radiación infrarroja, que tiene longitudes de onda más largas.

El espectro electromagnético es el rango de todos los tipos de radiación EM: energía que viaja y se extiende a medida que avanza. El sol es mucho más caliente que la Tierra, por lo que emite radiación a un nivel de energía más alto, que tiene una longitud de onda más corta. Imagen vía NASA.

El dióxido de carbono y otros gases que atrapan el calor tienen estructuras moleculares que les permiten absorber la radiación infrarroja. Los enlaces entre los átomos en una molécula pueden vibrar de maneras particulares, como el tono de una cuerda de piano. Cuando la energía de un fotón corresponde a la frecuencia de la molécula, se absorbe y su energía se transfiere a la molécula.

El dióxido de carbono y otros gases que atrapan el calor tienen tres o más átomos y frecuencias que corresponden a la radiación infrarroja emitida por la Tierra. El oxígeno y el nitrógeno, con solo dos átomos en sus moléculas, no absorben la radiación infrarroja.

La mayor parte de la radiación de onda corta entrante del sol atraviesa la atmósfera sin ser absorbida. Pero la mayoría de la radiación infrarroja saliente es absorbida por los gases que atrapan el calor en la atmósfera. Luego pueden liberar o re-irradiar ese calor. Algunos regresan a la superficie de la Tierra, manteniéndola más caliente de lo que sería de otra manera.

La Tierra recibe energía solar del sol (amarillo), y devuelve energía al espacio al reflejar la luz entrante y el calor radiante (rojo). Los gases de efecto invernadero atrapan parte de ese calor y lo devuelven a la superficie del planeta. Imagen vía NASA / Wikimedia.

Investigación sobre transmisión de calor.

Durante la Guerra Fría, se estudió ampliamente la absorción de radiación infrarroja por muchos gases diferentes. El trabajo fue dirigido por la Fuerza Aérea de los EE. UU., Que estaba desarrollando misiles de búsqueda de calor y necesitaba comprender cómo detectar el calor que pasa por el aire.

Esta investigación permitió a los científicos comprender el clima y la composición atmosférica de todos los planetas del sistema solar mediante la observación de sus firmas infrarrojas. Por ejemplo, Venus tiene aproximadamente 870 F (470 C) porque su atmósfera espesa es 96.5% de dióxido de carbono.

También informó el pronóstico del tiempo y los modelos climáticos, permitiéndoles cuantificar cuánta radiación infrarroja se retiene en la atmósfera y regresa a la superficie de la Tierra.

La gente a veces me pregunta por qué el dióxido de carbono es importante para el clima, dado que el vapor de agua absorbe más radiación infrarroja y los dos gases absorben en varias de las mismas longitudes de onda. La razón es que la atmósfera superior de la Tierra controla la radiación que escapa al espacio. La atmósfera superior es mucho menos densa y contiene mucho menos vapor de agua que cerca del suelo, lo que significa que agregar más dióxido de carbono influye significativamente en la cantidad de radiación infrarroja que escapa al espacio.

Observando el efecto invernadero

¿Alguna vez has notado que los desiertos a menudo son más fríos por la noche que los bosques, incluso si sus temperaturas promedio son las mismas? Sin mucho vapor de agua en la atmósfera sobre los desiertos, la radiación que emiten escapa fácilmente al espacio. En regiones más húmedas, la radiación de la superficie queda atrapada por el vapor de agua en el aire. Del mismo modo, las noches nubladas tienden a ser más cálidas que las noches claras porque hay más vapor de agua.

La influencia del dióxido de carbono se puede ver en los cambios pasados ​​en el clima. Los núcleos de hielo de los últimos millones de años han demostrado que las concentraciones de dióxido de carbono fueron altas durante los períodos cálidos, alrededor del 0, 028%. Durante las edades de hielo, cuando la Tierra era aproximadamente de 7 a 13 F (4-7 C) más fría que en el siglo XX, el dióxido de carbono constituía solo alrededor del 0.018% de la atmósfera.

Aunque el vapor de agua es más importante para el efecto invernadero natural, los cambios en el dióxido de carbono han provocado cambios en la temperatura en el pasado. En contraste, los niveles de vapor de agua en la atmósfera responden a la temperatura. A medida que la Tierra se calienta, su atmósfera puede contener más vapor de agua, lo que amplifica el calentamiento inicial en un proceso llamado "retroalimentación del vapor de agua". Por lo tanto, las variaciones en el dióxido de carbono han sido la influencia que controla los cambios climáticos pasados.

Pequeño cambio, grandes efectos

No debería sorprender que una pequeña cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera pueda tener un gran efecto. Tomamos píldoras que son una pequeña fracción de nuestra masa corporal y esperamos que nos afecten.

Hoy el nivel de dióxido de carbono es más alto que en cualquier otro momento de la historia humana. Los científicos coinciden ampliamente en que la temperatura promedio de la superficie de la Tierra ya ha aumentado en aproximadamente 2 F (1 C) desde la década de 1880, y que los aumentos causados ​​por los humanos en el dióxido de carbono y otros gases que atrapan el calor son extremadamente propensos a ser responsables.

Sin medidas para controlar las emisiones, el dióxido de carbono podría alcanzar el 0.1% de la atmósfera para 2100, más del triple del nivel anterior a la Revolución Industrial. Este sería un cambio más rápido que las transiciones en el pasado de la Tierra que tuvieron enormes consecuencias. Sin acción, esta pequeña porción de la atmósfera causará grandes problemas.

Jason West, profesor de ciencias e ingeniería ambiental, Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill

Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lee el artículo original.

En pocas palabras: un científico ambiental explica por qué el dióxido de carbono (CO2) tiene un efecto tan grande en la atmósfera de la Tierra y el efecto invernadero.