Efecto invernadero

El efecto invernadero se produce cuando los gases de efecto invernadero presentes en la atmósfera de un planeta impiden que este pierda calor al espacio, elevando así la temperatura de su superficie. El calentamiento superficial puede deberse a una fuente de calor interna (como en el caso de Júpiter ) o a una fuente externa, como una estrella . En el caso de la Tierra , el Sol emite radiación de onda corta ( luz solar ) que atraviesa los gases de efecto invernadero y calienta su superficie. En respuesta, la superficie terrestre emite radiación de onda larga , que es absorbida en su mayor parte por estos gases, lo que reduce la velocidad a la que la Tierra puede enfriarse.

Sin el efecto invernadero, la temperatura superficial promedio de la Tierra sería tan fría como −18 °C (−0,4 °F) . ^[¹^]^[²^] Esto es mucho menor que el promedio del siglo XX de aproximadamente 14 °C (57 °F) . ^[³^]^[⁴^] Además de los gases de efecto invernadero presentes de forma natural, la quema de combustibles fósiles ha aumentado las cantidades de dióxido de carbono y metano en la atmósfera. ^[⁵^]^[⁶^] Como resultado, en 2023, ^[⁷^] se ha producido un calentamiento global de aproximadamente 1,2 °C (2,2 °F) desde la Revolución Industrial , ^[⁸^] con la temperatura superficial promedio global aumentando a una tasa de 0,18 °C (0,32 °F) por década desde 1981. ^[⁹^]

Todos los objetos con una temperatura superior al cero absoluto emiten radiación térmica . Las longitudes de onda de la radiación térmica emitida por el Sol y la Tierra difieren porque sus temperaturas superficiales son diferentes. El Sol tiene una temperatura superficial de 5500 °C (9900 °F) , por lo que emite la mayor parte de su energía como radiación de onda corta en longitudes de onda del infrarrojo cercano y visible (como luz solar). En contraste, la superficie de la Tierra tiene una temperatura mucho más baja, por lo que emite radiación de onda larga en longitudes de onda del infrarrojo medio y lejano . ^[⁶^] Un gas es un gas de efecto invernadero si absorbe radiación de onda larga . La atmósfera terrestre absorbe solo el 23 % de la radiación de onda corta incidente, pero absorbe el 90 % de la radiación de onda larga emitida por la superficie, ^[¹⁰^] acumulando así energía y calentando la superficie de la Tierra.

La existencia del efecto invernadero (aunque no se le denominó así) fue propuesta ya en 1824 por Joseph Fourier . ^{[ 11 ]} El argumento y la evidencia fueron reforzados posteriormente por Claude Pouillet en 1827 y 1838. En 1856, Eunice Newton Foote demostró que el efecto de calentamiento del sol es mayor en el aire con vapor de agua que en el aire seco, y que el efecto es aún mayor con dióxido de carbono. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} El término invernadero fue aplicado por primera vez a este fenómeno por Nils Gustaf Ekholm en 1901. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

Definición

El efecto invernadero en la Tierra se define como: "El efecto radiativo infrarrojo de todos los componentes absorbentes de infrarrojos en la atmósfera. Los gases de efecto invernadero (GEI), las nubes y algunos aerosoles absorben la radiación terrestre emitida por la superficie de la Tierra y otras partes de la atmósfera". ^{[ 16 ]}^{: 2232}

El efecto invernadero intensificado describe el hecho de que, al aumentar la concentración de GEI en la atmósfera (debido a la acción humana), se incrementa el efecto invernadero natural. ^{[ 16 ]}^{: 2232}

Terminología

El término efecto invernadero proviene de una analogía con los invernaderos . Tanto los invernaderos como el efecto invernadero funcionan reteniendo el calor de la luz solar, pero la forma en que lo retienen difiere. Los invernaderos retienen el calor principalmente bloqueando la convección (el movimiento del aire). ^{[ 17 ]}^{[ 18 ]} En cambio, el efecto invernadero retiene el calor restringiendo la transferencia radiativa a través del aire y reduciendo la tasa a la que se emite radiación térmica al espacio. ^{[ 5 ]}

Historia del descubrimiento y la investigación

Eunice Newton Foote reconoció el efecto de captura de calor del dióxido de carbono en 1856, apreciando sus implicaciones para el planeta. ^{[ 19 ]}

El efecto invernadero y su impacto en el clima se describieron sucintamente en este artículo de Popular Mechanics de 1912 , accesible al público en general.

La existencia del efecto invernadero, aunque no se denominó así, fue propuesta ya en 1824 por Joseph Fourier . ^{[ 11 ]} El argumento y la evidencia fueron reforzados posteriormente por Claude Pouillet en 1827 y 1838. En 1856, Eunice Newton Foote demostró que el efecto de calentamiento del sol es mayor en el aire con vapor de agua que en el aire seco, y que el efecto es aún mayor con dióxido de carbono. Concluyó que «Una atmósfera de ese gas daría a nuestra tierra una temperatura elevada…» ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

John Tyndall fue el primero en medir la absorción y emisión infrarroja de varios gases y vapores. A partir de 1859, demostró que el efecto se debía a una proporción muy pequeña de la atmósfera, sin que los gases principales tuvieran efecto alguno, y que se debía principalmente al vapor de agua, aunque pequeños porcentajes de hidrocarburos y dióxido de carbono tenían un efecto significativo. ^{[ 20 ]} El efecto fue cuantificado con mayor precisión por Svante Arrhenius en 1896, quien realizó la primera predicción cuantitativa del calentamiento global debido a una hipotética duplicación del dióxido de carbono atmosférico. ^{[ 21 ]} El término invernadero fue aplicado por primera vez a este fenómeno por Nils Gustaf Ekholm en 1901. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

En 1896, Svante Arrhenius utilizó las observaciones de Langley sobre el aumento de la absorción infrarroja en la atmósfera donde los rayos lunares inciden con un ángulo bajo, encontrando mayor cantidad de dióxido de carbono (CO₂ ₎ , para estimar un efecto de enfriamiento atmosférico derivado de una futura disminución del CO₂ _. Se percató de que una atmósfera más fría contendría menos vapor de agua (otro gas de efecto invernadero ) y calculó el efecto de enfriamiento adicional. También comprendió que este enfriamiento aumentaría la capa de nieve y hielo en latitudes altas, lo que provocaría que el planeta reflejara más luz solar y, por lo tanto, se enfriara aún más, tal como había hipotetizado James Croll . En general, Arrhenius calculó que reducir el CO₂ _a la mitad sería suficiente para producir una era glacial. Además, calculó que duplicar el CO₂ atmosférico _daría lugar a un calentamiento total de 5 a 6 grados Celsius. ^{[ 22 ]}

Las investigaciones de Tyndall, Lecher y Pretner, Keller, Roentgen y Arrhenius demostraron que el dióxido de carbono y el vapor de agua de la atmósfera poseen una notable capacidad para absorber y retener temporalmente los rayos de calor, mientras que el oxígeno, el nitrógeno y el argón de la atmósfera poseen esta capacidad en menor medida. De ello se deduce que el efecto del dióxido de carbono y el vapor de agua es cubrir la Tierra con una capa térmicamente absorbente. Los resultados generales atribuibles a un aumento o una disminución considerable de la cantidad de dióxido de carbono y vapor de agua en la atmósfera pueden resumirse de la siguiente manera:
a. Un aumento, al provocar una mayor absorción de la energía radiante del sol , eleva la temperatura media, mientras que una reducción la disminuye. La estimación del Dr. Arrhenius, basada en un elaborado análisis matemático de las observaciones del profesor Langley, es que un aumento del dióxido de carbono a dos o tres veces su contenido actual elevaría la temperatura media entre 8° y 9 °C y daría lugar a un clima templado similar al que prevaleció en el Terciario Medio. Por otro lado, una reducción de la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera a entre el 55 y el 62 por ciento del contenido actual disminuiría la temperatura media entre 4 y 5 °C, lo que daría lugar a una glaciación comparable a la del Pleistoceno.
b. Un segundo efecto del aumento y la disminución de la cantidad de dióxido de carbono atmosférico es la igualación, por un lado, de las temperaturas superficiales, o su diferenciación, por otro. [...] ^{[ 23 ]}

Medición

Cómo el CO ₂ causa el efecto invernadero.

La materia emite radiación térmica a una tasa directamente proporcional a la cuarta potencia de su temperatura . Parte de la radiación emitida por la superficie terrestre es absorbida por los gases de efecto invernadero y las nubes. Sin esta absorción, la superficie terrestre tendría una temperatura media de -18 °C (-0,4 °F) . Sin embargo, debido a que parte de la radiación es absorbida, la temperatura media de la superficie terrestre ronda los 15 °C (59 °F) . Por lo tanto, el efecto invernadero de la Tierra puede medirse como un cambio de temperatura de 33 °C (59 °F) .

La radiación térmica se caracteriza por la cantidad de energía que transporta, generalmente en vatios por metro cuadrado (W/m² ⁾ . Los científicos también miden el efecto invernadero en función de cuánta más radiación térmica de onda larga sale de la superficie de la Tierra que llega al espacio. ^{[ 24 ]}^{: 968}^{[ 24 ]}^{: 934}^{[ 25 ]}^{[ 26 ]}^{[ 27 ]} Actualmente, la radiación de onda larga sale de la superficie a una tasa promedio de 398 W/m² ^, pero solo 239 W/m² ^llegan al espacio. Por lo tanto, el efecto invernadero de la Tierra también se puede medir como un cambio en el flujo de energía de 159 W/m² ^. [ ^{24 ] :}^{968 [}^{24 ] :}^{934 El} efecto invernadero se puede expresar como una fracción (0,40) o un porcentaje (40%) de la radiación térmica de onda larga que sale de la superficie de la Tierra pero no llega al espacio. ^{[ 24 ]}^{: 968}^{[ 25 ]}^{[ 28 ]}

Ya sea que el efecto invernadero se exprese como un cambio en la temperatura o como un cambio en la radiación térmica de onda larga, se está midiendo el mismo efecto. ^{[ 25 ]}

Papel en el cambio climático

La curva de Keeling de la abundancia de _CO2 atmosférico .

La tasa de calentamiento de la Tierra (gráfico) es resultado de factores que incluyen el efecto invernadero intensificado. ^{[ 29 ]}

El fortalecimiento del efecto invernadero a través de gases de efecto invernadero adicionales provenientes de actividades humanas se conoce como efecto invernadero mejorado . ^{[ 16 ]}^{: 2232} Además de ser inferido a partir de mediciones de ARGO , CERES y otros instrumentos a lo largo del siglo XXI, ^{[ 31 ]}^{: 7–17} este aumento en el forzamiento radiativo de la actividad humana se ha observado directamente, ^{[ 32 ]}^{[ 33 ]} y es atribuible principalmente al aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico. ^{[ 34 ]}

_ElCO₂ se produce por la quema de combustibles fósiles y otras actividades como la producción de cemento y la deforestación tropical . ^{[ 35 ]} Las mediciones de CO₂ del Observatorio de Mauna Loa muestran que las concentraciones han aumentado desde aproximadamente 313 partes por millón (ppm) ^[³⁶^] en 1960, superando el hito de 400 ppm en 2013. [37] La cantidad actual observada de CO₂ ^excede^los^máximos del _registro_geológico (≈300 ppm) a partir de datos de núcleos de hielo. ^[³⁸^]

Durante los últimos 800.000 años, ^{[ 39 ]} los datos de los núcleos de hielo muestran que el dióxido de carbono ha variado desde valores tan bajos como 180 ppm hasta el nivel preindustrial de 270 ppm. ^{[ 40 ]} Los paleoclimatólogos consideran que las variaciones en la concentración de dióxido de carbono son un factor fundamental que influye en las variaciones climáticas en esta escala temporal. ^{[ 41 ]}^{[ 42 ]}

Balance energético y temperatura

Radiación de onda corta incidente

La materia más caliente emite longitudes de onda más cortas de radiación. Por lo tanto, el Sol emite radiación de onda corta en forma de luz solar, mientras que la Tierra y su atmósfera emiten radiación de onda larga . La luz solar incluye radiación ultravioleta , luz visible y radiación infrarroja cercana . ^{[ 16 ]}^{: 2251}

La luz solar es reflejada y absorbida por la Tierra y su atmósfera. La atmósfera y las nubes reflejan aproximadamente el 23 % y absorben el 23 %. La superficie refleja el 7 % y absorbe el 48 %. ^{[ 10 ]} En general, la Tierra refleja aproximadamente el 30 % de la luz solar incidente, ^{[ 43 ]}^{[ 44 ]} y absorbe el resto (240 W/m ² ). ^{[ 24 ]}^{: 934}

radiación saliente de onda larga

La Tierra y su atmósfera emiten radiación de onda larga , también conocida como radiación infrarroja térmica o radiación terrestre . ^{[ 16 ]}^{: 2251} De manera informal, la radiación de onda larga a veces se denomina radiación térmica . La radiación saliente de onda larga (OLR) es la radiación de la Tierra y su atmósfera que pasa a través de la atmósfera y hacia el espacio.

El efecto invernadero se puede observar directamente en los gráficos de la radiación de onda larga saliente de la Tierra en función de la frecuencia (o longitud de onda). El área comprendida entre la curva de la radiación de onda larga emitida por la superficie terrestre y la curva de la radiación de onda larga saliente indica la magnitud del efecto invernadero. ^{[ 27 ]}

Diferentes sustancias son responsables de reducir la energía de radiación que llega al espacio a diferentes frecuencias; para algunas frecuencias, intervienen múltiples sustancias. ^{[ 26 ]} Se entiende que el dióxido de carbono es responsable de la disminución de la radiación saliente (y el aumento asociado del efecto invernadero) alrededor de 667 cm ⁻¹ (equivalente a una longitud de onda de 15 micras). ^{[ 45 ]}

Cada capa de la atmósfera con gases de efecto invernadero absorbe parte de la radiación de onda larga que se irradia hacia arriba desde las capas inferiores. También emite radiación de onda larga en todas direcciones, tanto hacia arriba como hacia abajo, en equilibrio con la cantidad que ha absorbido. Esto resulta en una menor pérdida de calor por radiación y una mayor temperatura en las capas inferiores. El aumento de la concentración de los gases incrementa la cantidad de absorción y emisión, lo que provoca que se retenga más calor en la superficie y en las capas inferiores. ^{[ 2 ]}

Temperatura efectiva

La potencia de la radiación de onda larga saliente emitida por un planeta corresponde a la temperatura efectiva del planeta. La temperatura efectiva es la temperatura que un planeta que irradiara con una temperatura uniforme (un cuerpo negro ) necesitaría tener para irradiar la misma cantidad de energía.

Este concepto puede utilizarse para comparar la cantidad de radiación de onda larga emitida al espacio y la cantidad de radiación de onda larga emitida por la superficie:

Emisiones al espacio: Basándose en sus emisiones de radiación de onda larga al espacio, la temperatura efectiva global de la Tierra es de −18 °C (0 °F) . ^[⁴⁶^]^[²^]
Emisiones de la superficie: Basándose en las emisiones térmicas de la superficie, la temperatura efectiva de la superficie de la Tierra es de aproximadamente 16 °C (61 °F) , ^[²⁴^]^:⁹³⁴ , lo que es 34 °C (61 °F) más cálido que la temperatura efectiva general de la Tierra.

La temperatura de la superficie terrestre se suele expresar en términos de la temperatura media del aire cerca de la superficie. Esta es aproximadamente 15 °C (59 °F) , ^[⁴^]^[⁴⁷^] un poco inferior a la temperatura efectiva de la superficie. Este valor es 33 °C (59 °F) más cálido que la temperatura efectiva global de la Tierra.

flujo de energía

El flujo de energía es la tasa de flujo de energía por unidad de área. El flujo de energía se expresa en unidades de W/m² ^, que es la cantidad de julios de energía que pasan por un metro cuadrado cada segundo. La mayoría de los flujos citados en debates de alto nivel sobre el clima son valores globales, lo que significa que son el flujo total de energía en ^todo^el globo, dividido por la superficie de la Tierra ^,^5,1 × 10¹⁴ m² ( 5,1 × ^10⁸^km²; 2,0 × 10⁸ ^mi²⁾ . [ ⁴⁸]

Los flujos de radiación que llegan a la Tierra y salen de ella son importantes porque la transferencia radiativa es el único proceso capaz de intercambiar energía entre la Tierra y el resto del universo. ^{[ 49 ]}^{: 145}

Balance radiativo

La temperatura de un planeta depende del equilibrio entre la radiación entrante y la saliente. Si la radiación entrante supera a la saliente, un planeta se calentará. Si la radiación saliente supera a la entrante, un planeta se enfriará. Un planeta tenderá hacia un estado de equilibrio radiativo , en el que la potencia de la radiación saliente es igual a la potencia de la radiación entrante absorbida. ^{[ 51 ]}

El desequilibrio energético de la Tierra es la cantidad en que la potencia de la luz solar incidente absorbida por la superficie o la atmósfera terrestre excede la potencia de la radiación saliente de onda larga emitida al espacio. El desequilibrio energético es la medida fundamental que determina la temperatura de la superficie. ^{[ 52 ]} Una presentación de la ONU afirma: «El EEI es el número más crítico que define las perspectivas de un calentamiento global y un cambio climático continuos». ^{[ 53 ]} Un estudio sostiene: «El valor absoluto del EEI representa la métrica más fundamental que define el estado del cambio climático global». ^{[ 54 ]}

El desequilibrio energético de la Tierra (EEI) fue de aproximadamente 0,7 W/m² ^en 2015, lo que indica que la Tierra en su conjunto estaba acumulando energía térmica y se encuentra en un proceso de calentamiento. ^{[ 24 ]}^{: 934} Para 2024, la tendencia a largo plazo había aumentado a aproximadamente el doble de esa tasa. ^{[ 50 ]}

Más del 90% de la energía retenida se destina a calentar los océanos, y cantidades mucho menores se destinan a calentar la tierra, la atmósfera y el hielo. ^{[ 55 ]}

ciclo día y noche

Una imagen simple presupone un estado estacionario, pero en el mundo real, el ciclo día/noche ( diurno ), así como el ciclo estacional y las perturbaciones meteorológicas, complican las cosas. El calentamiento solar solo se produce durante el día. Por la noche, la atmósfera se enfría un poco, pero no mucho porque la inercia térmica del sistema climático se resiste a los cambios tanto de día como de noche, y durante períodos más largos. ^{[ 57 ]} Las variaciones de temperatura diurnas disminuyen con la altura en la atmósfera.

Efecto de la tasa de lapso

Tasa de descenso

En la parte inferior de la atmósfera, la troposfera , la temperatura del aire disminuye (o «gradiente térmico») con el aumento de la altitud. La tasa a la que cambia la temperatura con la altitud se denomina gradiente térmico . ^{[ 58 ]}

En la Tierra, la temperatura del aire disminuye en promedio unos 6,5 °C/km (3,6 °F por cada 1000 pies), aunque esto varía. ^{[ 58 ]}

La diferencia de temperatura se produce por convección . El aire calentado por la superficie asciende. Al ascender, el aire se expande y se enfría . Simultáneamente, otro aire desciende, se comprime y se calienta. Este proceso crea un gradiente de temperatura vertical dentro de la atmósfera. ^{[ 58 ]}

Este gradiente de temperatura vertical es esencial para el efecto invernadero. Si el gradiente térmico vertical fuera cero (de modo que la temperatura atmosférica no variara con la altitud y fuera la misma que la temperatura de la superficie), entonces no habría efecto invernadero (es decir, su valor sería cero). ^{[ 59 ]}

Temperatura y altitud de emisión

Los gases de efecto invernadero hacen que la atmósfera cerca de la superficie terrestre sea mayormente opaca a la radiación de onda larga. La atmósfera solo se vuelve transparente a la radiación de onda larga a mayor altitud, donde el aire es menos denso, hay menos vapor de agua y la menor presión ensancha las líneas de absorción limita las longitudes de onda que las moléculas de gas pueden absorber. ^{[ 60 ]}^{[ 49 ]}

Para cualquier longitud de onda dada, la radiación de onda larga que llega al espacio es emitida por una capa radiante particular de la atmósfera. La intensidad de la radiación emitida está determinada por la temperatura media ponderada del aire dentro de esa capa. Por lo tanto, para cualquier longitud de onda dada de radiación emitida al espacio, existe una temperatura de emisión efectiva asociada (o temperatura de brillo ). ^{[ 61 ]}^{[ 49 ]}

También se puede decir que una determinada longitud de onda de radiación tiene una altitud de emisión efectiva , que es un promedio ponderado de las altitudes dentro de la capa radiante.

La temperatura y altitud de emisión efectivas varían según la longitud de onda (o frecuencia). Este fenómeno puede observarse al examinar gráficos de la radiación emitida al espacio. ^{[ 61 ]}

Gases de efecto invernadero y gradiente térmico

La superficie terrestre irradia radiación de onda larga con longitudes de onda en el rango de 4 a 100 micras. ^{[ 62 ]} Los gases de efecto invernadero que eran en gran medida transparentes a la radiación solar incidente son más absorbentes para algunas longitudes de onda en este rango. ^{[ 62 ]}

La atmósfera cercana a la superficie terrestre es en gran medida opaca a la radiación de onda larga, y la mayor parte de la pérdida de calor desde la superficie se produce por evaporación y convección . Sin embargo, las pérdidas de energía radiativa se vuelven cada vez más importantes a mayor altitud, debido principalmente a la disminución de la concentración de vapor de agua, un importante gas de efecto invernadero.

En lugar de considerar que la radiación de onda larga que se dirige al espacio proviene de la superficie misma, es más realista pensar que esta radiación saliente es emitida por una capa en la troposfera media , que está efectivamente acoplada a la superficie por un gradiente térmico . La diferencia de temperatura entre estas dos ubicaciones explica la diferencia entre las emisiones de la superficie y las emisiones al espacio, es decir, explica el efecto invernadero. ^{[ 63 ]}^{[ 64 ]}

Componentes absorbentes de infrarrojos en la atmósfera

gases de efecto invernadero

Un gas de efecto invernadero (GEI) es un gas que contribuye a la retención de calor al impedir el flujo de radiación de onda larga fuera de la atmósfera de un planeta. Los gases de efecto invernadero contribuyen en gran medida al efecto invernadero en el balance energético de la Tierra . ^{[ 16 ]}

Gases activos infrarrojos

Se dice que los gases que pueden absorber y emitir radiación de onda larga son activos en el infrarrojo ^{[ 65 ]} y actúan como gases de efecto invernadero.

La mayoría de los gases cuyas moléculas tienen dos átomos diferentes (como el monóxido de carbono, CO₂ ) y todos los gases con tres o más átomos (incluidos _el H₂O y _elCO₂ ) son activos en el infrarrojo y actúan como gases de efecto invernadero. (Técnicamente, esto se debe a que cuando estas moléculas vibran , dichas vibraciones modifican el momento dipolar molecular o la asimetría en la distribución de la carga eléctrica. Véase Espectroscopia infrarroja ). ^[¹⁶^]

Gases con un solo átomo (como el argón, Ar) o con dos átomos idénticos (como el nitrógeno, N₂ y oxígeno,O₂ ) No son activos en el infrarrojo. Son transparentes a la radiación de onda larga y, a efectos prácticos, no absorben ni emiten radiación de onda larga. (Esto se debe a que sus moléculas son simétricas y, por lo tanto, no tienen momento dipolar). Dichos gases constituyen más del 99 % de la atmósfera seca.^{[ 16 ]}

Absorción y emisión

Los gases de efecto invernadero absorben y emiten radiación de onda larga dentro de rangos específicos de longitudes de onda (organizados como líneas o bandas espectrales ). ^{[ 16 ]}

Cuando los gases de efecto invernadero absorben radiación, distribuyen la energía adquirida al aire circundante como energía térmica (es decir, energía cinética de las moléculas de gas). La energía se transfiere de las moléculas de gases de efecto invernadero a otras moléculas mediante colisiones moleculares . ^{[ 66 ]}

Contrariamente a lo que a veces se afirma, los gases de efecto invernadero no "reemiten" fotones después de ser absorbidos. Debido a que cada molécula experimenta miles de millones de colisiones por segundo, cualquier energía que una molécula de gas de efecto invernadero reciba al absorber un fotón se redistribuirá a otras moléculas antes de que exista la posibilidad de que se emita un nuevo fotón. ^{[ 66 ]}

En un proceso independiente, los gases de efecto invernadero emiten radiación de onda larga, a una velocidad determinada por la temperatura del aire. Esta energía térmica es absorbida por otras moléculas de gases de efecto invernadero o abandona la atmósfera, enfriándola. ^{[ 66 ]}

Efectos radiactivos

Efecto sobre el aire: El aire se calienta por calor latente ( vapor de agua flotante que se condensa en gotas de agua y libera calor), térmicas (aire caliente que asciende desde abajo) y por la absorción de la luz solar en la atmósfera. ^{[ 6 ]} El aire se enfría radiativamente, por los gases de efecto invernadero y las nubes que emiten radiación térmica de onda larga. Dentro de la troposfera , los gases de efecto invernadero suelen tener un efecto de enfriamiento neto sobre el aire, emitiendo más radiación térmica de la que absorben. El calentamiento y el enfriamiento del aire están bien equilibrados, en promedio, de modo que la atmósfera mantiene una temperatura media aproximadamente estable. ^{[ 49 ]}^{: 139}^{[ 67 ]}

Efecto sobre el enfriamiento de la superficie: La radiación de onda larga fluye tanto hacia arriba como hacia abajo debido a la absorción y emisión en la atmósfera. Estos flujos de energía que se cancelan reducen el enfriamiento radiativo de la superficie (flujo neto de energía radiativa ascendente). El transporte de calor latente y la energía térmica proporcionan un enfriamiento superficial no radiativo que compensa parcialmente esta reducción, pero aún existe una reducción neta en el enfriamiento de la superficie para una temperatura superficial dada. ^{[ 49 ]}^{: 139}^{[ 67 ]}

Efecto sobre el balance energético en la parte superior de la atmósfera (TOA): Los gases de efecto invernadero impactan el balance energético en la parte superior de la atmósfera (TOA) al reducir el flujo de radiación de onda larga emitida al espacio, para una temperatura superficial dada. Por lo tanto, los gases de efecto invernadero alteran el balance energético en la TOA. Esto significa que la temperatura superficial debe ser más alta (que la temperatura efectiva del planeta , es decir, la temperatura asociada con las emisiones al espacio) para que la energía saliente emitida al espacio equilibre la energía entrante de la luz solar. ^{[ 49 ]}^{: 139}^{[ 67 ]} Es importante centrarse en el balance energético en la parte superior de la atmósfera (TOA) (en lugar del balance energético superficial) al razonar sobre el efecto de calentamiento de los gases de efecto invernadero. ^{[ 68 ]}^{: 414}

Nubes y aerosoles

Las nubes y los aerosoles tienen efectos tanto de enfriamiento, asociados con la reflexión de la luz solar de vuelta al espacio, como de calentamiento, asociados con la retención de la radiación térmica.

En promedio, las nubes tienen un fuerte efecto de enfriamiento neto. Sin embargo, la combinación de efectos de enfriamiento y calentamiento varía según las características específicas de cada nube (incluidos su tipo, altura y propiedades ópticas). ^{[ 69 ]} Las nubes cirros delgadas pueden tener un efecto de calentamiento neto. Las nubes pueden absorber y emitir radiación infrarroja y, por lo tanto, afectar las propiedades radiativas de la atmósfera. ^{[ 70 ]}

Los aerosoles atmosféricos afectan el clima de la Tierra al cambiar la cantidad de radiación solar entrante y radiación terrestre de onda larga saliente que se retiene en el sistema terrestre. Esto ocurre a través de varios mecanismos distintos que se dividen en efectos directos, indirectos ^{[ 71 ]}^{[ 72 ]} y semidirectos de los aerosoles. Los efectos climáticos de los aerosoles son la mayor fuente de incertidumbre en las predicciones climáticas futuras. ^{[ 73 ]} El Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) declaró en 2001: ^{[ 74 ]}

Si bien el forzamiento radiativo debido a los gases de efecto invernadero puede determinarse con un grado de precisión razonablemente alto... las incertidumbres relacionadas con los forzamientos radiativos de los aerosoles siguen siendo grandes y dependen en gran medida de las estimaciones de estudios de modelización global que son difíciles de verificar en la actualidad.

Fórmulas básicas

Temperatura efectiva

Un flujo dado de radiación térmica tiene asociada una temperatura de radiación efectiva o temperatura efectiva . La temperatura efectiva es la temperatura que un cuerpo negro (un absorbedor/emisor perfecto) necesitaría tener para emitir esa cantidad de radiación térmica. ^{[ 75 ]} Por lo tanto, la temperatura efectiva general de un planeta viene dada por

T_{\mathrm {eff} }=(\mathrm {OLR} /\sigma )^{1/4}

donde OLR es el flujo promedio (potencia por unidad de área) de radiación de onda larga saliente emitida al espacio y $\sigma$ es la constante de Stefan-Boltzmann . De manera similar, la temperatura efectiva de la superficie viene dada por

T_{\mathrm {superficie,eff} }=(\mathrm {SLR} /\sigma )^{1/4}

donde SLR es el flujo promedio de radiación de onda larga emitida por la superficie. (OLR es una abreviatura convencional. SLR se usa aquí para denotar el flujo de radiación de onda larga emitida por la superficie, aunque no existe una abreviatura estándar para esto). ^{[ 76 ]}

Métricas para el efecto invernadero

El IPCC informa que el efecto invernadero , $G$ , es de 159 W m ^-2 , donde $G$ es el flujo de radiación térmica de onda larga que sale de la superficie menos el flujo de radiación de onda larga saliente que llega al espacio: ^{[ 24 ]}^{: 968}^{[ 25 ]}^{[ 27 ]}^{[ 26 ]}

G=\mathrm {SLR} -\mathrm {OLR} \;.

Alternativamente, el efecto invernadero puede describirse utilizando el efecto invernadero normalizado , $g̃$ , definido como

{\tilde {g}}=G/\mathrm {SLR} =1-\mathrm {OLR} /\mathrm {SLR} \;.

El efecto invernadero normalizado es la fracción de la cantidad de radiación térmica emitida por la superficie que no llega al espacio . Según las cifras del IPCC, $g̃$ = 0,40. En otras palabras, un 40 por ciento menos de radiación térmica llega al espacio que la que sale de la superficie. ^{[ 24 ]}^{: 968}^{[ 25 ]}^{[ 28 ]}

En ocasiones, el efecto invernadero se cuantifica como una diferencia de temperatura. Esta diferencia de temperatura está estrechamente relacionada con las cantidades mencionadas anteriormente.

Cuando el efecto invernadero se expresa como una diferencia de temperatura, $\Delta T_{\mathrm {GHE} }$ Esto se refiere a la temperatura efectiva asociada con las emisiones de radiación térmica desde la superficie menos la temperatura efectiva asociada con las emisiones al espacio:

\Delta T_{\mathrm {GHE} }=T_{\mathrm {superficie,eff} }-T_{\mathrm {eff} }

\Delta T_{\mathrm {GHE} }=\left(\mathrm {SLR} /\sigma \right)^{1/4}-\left(\mathrm {OLR} /\sigma \right)^{1/4}

En las discusiones informales sobre el efecto invernadero, a menudo se compara la temperatura real de la superficie con la temperatura que tendría el planeta si no hubiera gases de efecto invernadero. Sin embargo, en las discusiones técnicas formales, cuando se cuantifica la magnitud del efecto invernadero como una temperatura, generalmente se utiliza la fórmula anterior. Esta fórmula se refiere a la temperatura efectiva de la superficie, en lugar de la temperatura real, y compara la superficie con la parte superior de la atmósfera, en lugar de comparar la realidad con una situación hipotética. ^{[ 76 ]}

La diferencia de temperatura, $\Delta T_{\mathrm {GHE} }$ , indica cuánto más cálida es la superficie de un planeta que la temperatura efectiva general del planeta.

Balance radiativo

El desequilibrio energético en la parte superior de la atmósfera (TOA) de la Tierra (EEI) es la cantidad en la que la potencia de la radiación entrante supera la potencia de la radiación saliente: ^{[ 53 ]}

\mathrm {EEI} =\mathrm {ASR} -\mathrm {OLR}

donde ASR es el flujo medio de radiación solar absorbida. ASR puede expandirse como

\mathrm {ASR} =(1-A)\,\mathrm {MSI}

dónde $A$ es el albedo (reflectividad) del planeta y MSI es la irradiancia solar media que llega a la parte superior de la atmósfera.

La temperatura de equilibrio radiativo de un planeta se puede expresar como

T_{\mathrm {radeq} }=(\mathrm {ASR} /\sigma )^{1/4}=\left[(1-A)\,\mathrm {MSI} /\sigma \right]^{1/4}\;.

La temperatura de un planeta tenderá a desplazarse hacia un estado de equilibrio radiativo, en el que el desequilibrio energético TOA es cero, es decir, $\mathrm {EEI} =0$ Cuando el planeta se encuentra en equilibrio radiativo, la temperatura efectiva global del planeta viene dada por

T_{\mathrm {eff} }=T_{\mathrm {radeq} }\;.

Por lo tanto, el concepto de equilibrio radiativo es importante porque indica a qué temperatura efectiva tenderá a tener un planeta. ^{[ 77 ]}^{[ 56 ]}

Si, además de conocer la temperatura efectiva, $T_{\mathrm {eff} }$ Si conocemos el valor del efecto invernadero, entonces conocemos la temperatura superficial media (promedio) del planeta.

Por eso es importante la magnitud conocida como efecto invernadero: es una de las pocas magnitudes que intervienen en la determinación de la temperatura media de la superficie del planeta.

Efecto invernadero y temperatura

Por lo general, un planeta se encuentra cerca del equilibrio radiativo, con tasas de energía entrante y saliente bien equilibradas. En tales condiciones, la temperatura de equilibrio del planeta está determinada por la irradiancia solar media y el albedo planetario (la cantidad de luz solar que se refleja de vuelta al espacio en lugar de ser absorbida).

El efecto invernadero mide cuánto más cálida es la superficie que la temperatura efectiva general del planeta. Por lo tanto, la temperatura efectiva de la superficie, $T_{\mathrm {superficie,eff} }$ , es, usando la definición de $\Delta T_{\mathrm {GHE} }$ ,

T_{\mathrm {superficie,eff} }=T_{\mathrm {eff} }+\Delta T_{\mathrm {GHE} }\;.

También se podría expresar la relación entre $T_{\mathrm {superficie,eff} }$ y $T_{\mathrm {eff} }$ usando $G$ o $g̃$ .

Entonces, el principio de que un mayor efecto invernadero corresponde a una temperatura superficial más alta, si todo lo demás (es decir, los factores que determinan $T_{\mathrm {eff} }$ ) se mantiene fijo, es cierto por definición.

Cabe señalar que el efecto invernadero influye en la temperatura del planeta en su conjunto, en paralelo con la tendencia del planeta a moverse hacia el equilibrio radiativo. ^{[ 78 ]}

conceptos erróneos

A veces existen malentendidos sobre cómo funciona el efecto invernadero y cómo eleva las temperaturas.

La falacia del balance superficial es un error de razonamiento común. ^{[ 68 ]}^{: 413} Consiste en pensar que un aumento en la concentración _deCO₂ solo podría causar calentamiento al incrementar la radiación térmica descendente hacia la superficie, como resultado de hacer que la atmósfera sea un mejor emisor. Si la atmósfera cerca de la superficie ya es casi opaca a la radiación térmica, esto significaría que un aumento _deCO₂ no podría conducir a temperaturas más altas. Sin embargo, es un error centrarse en el balance energético superficial en lugar del balance energético en la parte superior de la atmósfera. Independientemente de lo que ocurra en la superficie, el aumento de la concentración de _CO₂tiende a reducir la radiación térmica que llega al espacio (OLR), lo que conduce a un desequilibrio energético en la parte superior de la atmósfera que provoca calentamiento. Investigadores anteriores como Callendar (1938) ^[⁸⁰^] y Plass (1959) se centraron en el balance superficial, pero el trabajo de Manabe en la década de 1960 aclaró la importancia del balance energético en la parte superior de la atmósfera. ^[⁶⁸^]^:⁴¹⁴

Entre quienes no creen en el efecto invernadero, existe la falacia de que este implica que los gases de efecto invernadero envían calor desde la atmósfera fría a la superficie cálida del planeta, en violación de la segunda ley de la termodinámica . ^{[ 79 ]}^{[ 81 ]} Sin embargo, esta idea refleja un malentendido. El flujo de calor por radiación es el flujo neto de energía después de que se han tenido en cuenta los flujos de radiación en ambas direcciones. ^{[ 78 ]} El flujo de calor por radiación ocurre en la dirección de la superficie hacia la atmósfera y el espacio, ^{[ 6 ]} como es de esperar dado que la superficie es más cálida que la atmósfera y el espacio. Si bien los gases de efecto invernadero emiten radiación térmica hacia abajo, hacia la superficie, esto es parte del proceso normal de transferencia de calor por radiación . ^{[ 82 ]} La radiación térmica descendente simplemente reduce el flujo neto de energía de la radiación térmica ascendente (flujo de calor por radiación), es decir, reduce el enfriamiento. ^{[ 66 ]}

Modelos simplificados

En ocasiones, se utilizan modelos simplificados para comprender mejor cómo se produce el efecto invernadero y cómo afecta a la temperatura de la superficie.

Modelos de capas atmosféricas

El efecto invernadero puede observarse en un modelo simplificado en el que el aire se trata como si fuera una capa uniforme que intercambia radiación con el suelo y el espacio. ^{[ 83 ]} Los modelos ligeramente más complejos añaden capas adicionales o introducen convección. ^{[ 84 ]}

Altitud de emisión equivalente

Una simplificación consiste en tratar toda la radiación de onda larga saliente como si se emitiera desde una altitud donde la temperatura del aire es igual a la temperatura efectiva global para las emisiones planetarias, $T_{\mathrm {eff} }$ . ^{[ 85 ]} Algunos autores se han referido a esta altitud como el nivel de radiación efectivo (ERL), y sugieren que a medida que aumenta la concentración de CO ₂ , el ERL debe elevarse para mantener la misma masa de CO ₂ por encima de ese nivel. ^{[ 86 ]}

Este enfoque es menos preciso que tener en cuenta la variación en la longitud de onda de la radiación según la altitud de emisión. Sin embargo, puede ser útil para respaldar una comprensión simplificada del efecto invernadero. ^{[ 85 ]} Por ejemplo, puede usarse para explicar cómo el efecto invernadero aumenta a medida que aumenta la concentración de gases de efecto invernadero. ^{[ 87 ]}^{[ 86 ]}^{[ 64 ]}

La altitud de emisión equivalente total de la Tierra ha estado aumentando con una tendencia de 23 m (75 pies) /década, lo que se dice que es consistente con un calentamiento superficial medio global de 0,12 °C (0,22 °F) /década durante el período 1979–2011. ^[⁸⁵^]

Efectos relacionados en la Tierra

Efecto invernadero negativo

Los científicos han observado que, en ocasiones, se produce un efecto invernadero negativo en algunas zonas de la Antártida. ^{[ 88 ]}^{[ 89 ]} En una zona con una fuerte inversión térmica, donde el aire está más caliente que la superficie, es posible que el efecto invernadero se invierta, de modo que la presencia de gases de efecto invernadero aumente la tasa de enfriamiento radiativo hacia el espacio. En este caso, la tasa de emisión de radiación térmica hacia el espacio es mayor que la tasa de radiación térmica emitida por la superficie. Por lo tanto, el valor local del efecto invernadero es negativo.

Efecto invernadero descontrolado

La mayoría de los científicos creen que un efecto invernadero descontrolado es inevitable a largo plazo, ya que el Sol se vuelve gradualmente más luminoso con el paso del tiempo, lo que provocará el fin de toda la vida en la Tierra. Dentro de unos mil millones de años, cuando el Sol brille un 10 % más, la temperatura de la superficie terrestre alcanzará los 47 °C (117 °F) (a menos que el albedo aumente lo suficiente), lo que causará un rápido aumento de la temperatura de la Tierra y la evaporación de sus océanos hasta convertirla en un planeta con efecto invernadero, similar a Venus en la actualidad.

Cuerpos distintos de la Tierra

En el Sistema Solar , aparte de la Tierra, al menos otros dos planetas y una luna también presentan un efecto invernadero.

Venus

El efecto invernadero en Venus es particularmente grande y eleva la temperatura de la superficie hasta 735 K (462 °C; 863 °F) . Esto se debe a su atmósfera muy densa, compuesta por aproximadamente un 97 % de dióxido de carbono. ^[⁹¹^]

Aunque Venus está aproximadamente un 30 % más cerca del Sol, absorbe (y se calienta con) menos luz solar que la Tierra, porque Venus refleja el 77 % de la luz solar incidente, mientras que la Tierra refleja alrededor del 30 %. En ausencia de un efecto invernadero, se esperaría que la superficie de Venus tuviera una temperatura de 232 K (−41 °C; −42 °F) . Por lo tanto, contrariamente a lo que se podría pensar, estar más cerca del Sol no es la razón por la que Venus es más cálido que la Tierra. ^[⁹³^]^[⁹⁴^]^[⁹⁵^]

Debido a su alta presión, el CO₂ _en la atmósfera de Venus exhibe absorción continua (absorción en un amplio rango de longitudes de onda) y no se limita a la absorción dentro de las bandas relevantes para su absorción en la Tierra. ^{[ 61 ]}

Durante muchos años se ha planteado la hipótesis de que en Venus se produjo un efecto invernadero descontrolado que involucraba dióxido de carbono y vapor de agua ; ^[⁹⁶^] esta idea sigue siendo ampliamente aceptada. ^[⁹⁷^] El planeta Venus experimentó un efecto invernadero descontrolado, lo que resultó en una atmósfera compuesta en un 96 % de dióxido de carbono y una presión atmosférica superficial aproximadamente igual a la que se encuentra a 900 m (3000 pies) bajo el agua en la Tierra. Venus pudo haber tenido océanos de agua, pero estos se habrían evaporado a medida que la temperatura superficial media aumentó hasta los actuales 735 K (462 °C; 863 °F) . ^[⁹⁸^]^[⁹⁹^]^[¹⁰⁰^]

Marte

Marte tiene aproximadamente 70 veces más dióxido de carbono que la Tierra, ^{[ 101 ]} pero experimenta solo un pequeño efecto invernadero, de unos 6 K (11 °F) . ^[⁹⁰^] El efecto invernadero es pequeño debido a la falta de vapor de agua y al espesor general de la atmósfera. ^[¹⁰²^]

Los mismos cálculos de transferencia radiativa que predicen el calentamiento en la Tierra explican con precisión la temperatura en Marte, dada su composición atmosférica. ^{[ 103 ]}^{[ 104 ]}^{[ 76 ]}

Titán

Titán _, la luna de Saturno _, presenta tanto un efecto invernadero como un efecto antiinvernadero . La presencia de nitrógeno ( N₂ ), metano ( CH₄ ) e hidrógeno ( H₂ ₎ en su atmósfera contribuye al efecto invernadero, aumentando la temperatura superficial en 21 K (38 °F) con respecto a la temperatura esperada del cuerpo sin estos gases. ^[⁹¹^]^[¹⁰⁵^]

Si bien los gases N₂ _y H₂ _normalmente no absorben radiación infrarroja, en Titán absorben radiación térmica debido a las colisiones inducidas por la presión, la gran masa y espesor de la atmósfera, y las largas longitudes de onda de la radiación térmica de la superficie fría. ^{[ 61 ]}^{[ 91 ]}^{[ 105 ]}

La existencia de una bruma de gran altitud, que absorbe longitudes de onda de la radiación solar pero es transparente al infrarrojo, contribuye a un efecto antiinvernadero de aproximadamente 9 K (16 °F) . ^[⁹¹^]^[¹⁰⁵^]

El resultado neto de estos dos efectos es un calentamiento de 21 K − 9 K = 12 K (22 °F) , por lo que la temperatura superficial de Titán de 94 K (−179 °C; −290 °F) es 12 K más cálida de lo que sería si no hubiera atmósfera. ^[⁹¹^]^[¹⁰⁵^]

Efecto de la presión

La magnitud relativa del efecto invernadero en diferentes cuerpos celestes no puede predecirse simplemente comparando la cantidad de gases de efecto invernadero en sus atmósferas. Esto se debe a que otros factores, además de la cantidad de estos gases, también influyen en la magnitud del efecto invernadero.

La presión atmosférica general afecta la cantidad de radiación térmica que puede absorber cada molécula de un gas de efecto invernadero. Una presión alta conlleva una mayor absorción y una presión baja, una menor. ^{[ 61 ]}

Esto se debe al "ensanchamiento por presión" de las líneas espectrales . Cuando la presión atmosférica total es mayor, las colisiones entre moléculas ocurren con mayor frecuencia. Las colisiones ensanchan el ancho de las líneas de absorción, lo que permite que un gas de efecto invernadero absorba la radiación térmica en un rango más amplio de longitudes de onda. ^{[ 68 ]}^{: 226}

Cada molécula en el aire cerca de la superficie terrestre experimenta aproximadamente 7 mil millones de colisiones por segundo. Esta tasa es menor a mayor altitud, donde la presión y la temperatura son más bajas. ^{[ 106 ]} Esto significa que los gases de efecto invernadero pueden absorber más longitudes de onda en la atmósfera inferior que en la atmósfera superior. ^{[ 60 ]}^{[ 49 ]}

En otros planetas, la expansión por presión significa que cada molécula de un gas de efecto invernadero es más eficaz para atrapar la radiación térmica si la presión atmosférica total es alta (como en Venus), y menos eficaz para atrapar la radiación térmica si la presión atmosférica es baja (como en Marte). ^{[ 61 ]}

Véase también

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