Cuantificando el efecto invernadero

Se ha entendido desde el siglo XIX que algunos gases absorben la radiación infrarroja (RI) que se emite por el planeta, disminuyendo la velocidad a la que el planeta puede enfriar y, por tanto, calentando la superficie. Estos gases, llamados de efecto invernadero, incluyen el dióxido de carbono y vapor de agua, así como el ozono y el metano, entre otros. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que la mayor parte de la atmósfera está compuesta de nitrógeno y moléculas de oxígeno que no absorben en absoluto la radiación infrarroja. Se comprende menos que las nubes (formada por partículas de hielo y / o gotas de agua líquida) también absorben la radiación infrarroja y contribuyen al efecto invernadero. Las nubes, por supuesto, también interfieren con la luz solar entrante, que reflejan de vuelta al espacio, lo que contribuye al enfriamiento de la superficie del planeta.

La magnitud del efecto invernadero se estima a menudo como la diferencia entre la temperatura real de la superficie global del planeta y la temperatura que tendría sin ningún tipo de absorción de la atmósfera, pero con exactamente el mismo albedo planetario. Esta diferencia es de unos 33 °C. Esto no es un estado observable, pero es una referencia útil.

Otra forma de cuantificar el efecto invernadero es mirar a la diferencia entre la radiación infrarroja emitida por la superficie de la Tierra, y la cantidad que se emite al espacio en la parte superior de la atmósfera. En ausencia del efecto invernadero, esto sería igual a cero (en otras palabras, no habría diferencia). En la realidad, la superficie emite alrededor de 150 vatios por metro cuadrado (W/m2) más que la que se pierde hacia el espacio.

Nos podemos formular la pregunta siguiente: de todas las sustancias de efecto invernadero en la atmósfera, ¿que absorbe cada una de ellas? Este es un tema más complicado de lo que puede parecer a primera vista debido a la naturaleza de la absorción y la compleja distribución de los “absorbedores”, tanto horizontal como verticalmente. Diferentes sustancias absorben diferentes frecuencias de radiaciones infrarrojas, y las diferentes partes del planeta difieren enormemente en la cantidad de radiaciones infrarrojas que están siendo emitidas en cada momento (que dependen de la temperatura de la superficie) y de la cantidad de nubes y de vapor de agua que hay en ese lugar (el dióxido de carbono y los demás gases no condensables están muy bien mezclados). De hecho, algunas longitudes de onda de infrarrojos pueden ser absorbidas tanto por el vapor de agua como por las nubes, o por el vapor de agua y el CO2. Esta "superposición espectral" significa que si se quita una sustancia, el cambio en la cantidad de radiación infrarroja absorbida será menor que si sólo estuviera esa sustancia en el aire. En sentido contrario, el impacto de todas las sustancias juntas es menos de lo que se obtendría si se suman sus componentes individuales. Esto debe ser tenido en cuenta en cualquier atribución del efecto invernadero.

En la figura siguiente podemos ver el espectro de radiaciones infrarrojas que se pierden en el espacio, comparadas con el flujo que emite un cuerpo negro a 294 grados Kelvin (21 ºC). También se indica el principal “absorbedor” de radiaciones para cada tramo de frecuencia.

También es interesante comparar las absorciones de los principales gases de efecto invernadero (vapor de agua, CO2, ozono, metano, NO2, donde podemos comprobar el solapamiento de la absorción de diferentes sustancias a determinadas frecuencias.

Si miramos la distribución geográfica de la radiación infrarroja que se emite al espacio, podemos observar en esta imagen de setiembre de 2008 que no sólo hay variaciones geográficas, sino también variaciones causadas ​​por la presencia de nubes. La mayor cantidad de calor se escapa de las áreas situadas al norte y al sur del ecuador, donde la superficie está más caliente y hay menos nubes.

Utilizando modelos de transferencia de radiación a través de la atmósfera del planeta se puede tratar de desglosar la atribución del efecto invernadero de cada sustancia, teniendo en cuenta la distribución real de la temperatura local, el vapor de agua y las nubes. Mediante la eliminación de cada uno de los “absorbedores” a la vez, y mediante el cálculo de la absorción de muchas combinaciones diferentes, se han podido calcular todas las coincidencias y asignar la bastante correctamente la absorción de cada sustancia. El resultado es que el vapor de agua es la sustancia dominante, responsable de aproximadamente el 50% de la absorción, que las nubes son responsables de alrededor del 25%, y que el CO2 es responsable del 20% del efecto invernadero. El 5 % restante se compone con los gases de efecto invernadero menor, la capa de ozono y el metano, por ejemplo, y una pequeña cantidad de partículas en el aire (polvo y otros "aerosoles").

Dado que el CO2 tiene un papel tan importante en el efecto invernadero natural, intuitivamente se comprende que los aumentos en su concentración debido a las actividades humanas pueden aumentar significativamente el efecto invernadero. Sin embargo, calcular el impacto directo de un cambio en la concentración de CO2 es mucho más sencillo que calcular el impacto de una variación del vapor de agua y las nubes. Esto se debe a que tanto el vapor de agua como las nubes dependen de la temperatura y de la circulación atmosférica, mientras que para el CO2 no es así. Por ejemplo, a medida que aumenta la temperatura, la concentración máxima (concentración de saturación) de vapor de agua aumenta en un 7 % por grado centígrado. Las nubes dependen de las cantidades de vapor de agua, de la temperatura, de la presión y de otros factores. Por lo tanto un cambio en el CO2 que afecta el efecto invernadero también va a cambiar el vapor de agua y las nubes. Es decir, para calcular el efecto invernadero después de un aumento de las emisiones de CO2 se necesita también tener en cuenta los consiguientes cambios en los otros componentes. Si, por ejemplo, si la concentración de CO2 se duplica, la absorción se incrementaría en 4 W/m2, pero una vez que el vapor de agua y las nubes reaccionan, el aumento de la absorción es de casi un 20 W/m2 (por lo menos en el modelo climático del GISS), lo que demuestra, si el modelo refleja la realidad, que la "retroalimentación" amplifica los efectos del aumento de la concentración de CO2.

Sin embargo, por ahora no hay datos suficientes que confirmen que los modelos que predicen una retroalimentación positiva del vapor de agua y de las nubes estén en lo cierto. Me ha interesado lo que dice A. Uriarte en una de sus últimas entradas:

Sabemos con bastante precisión la concentración de CO2 y de metano en las atmósferas de los últimos cientos de miles de años. Sabemos cómo han ido variando a lo largo de las glaciaciones y de los interglaciares. Lo sabemos porque burbujitas de aire del pasado se pueden extraer de profundos estratos de hielo de Groenlandia y de la Antártida, encerradas allí desde que aquella nieve antigua que precipitó entonces las preservó en el hielo. Del análisis de la composición de los gases de estas burbujitas deducimos el CO2 y el metano que había entonces en la atmósfera del planeta. Pero estas burbujitas no nos dicen nada de la evolución de la concentración de vapor de agua en la atmósfera, ya que el vapor de agua no se reparte homogéneamente en la atmósfera. El frío lo condensa. En una selva tropical puede haber hasta un 4 % de vapor de agua en el aire; en el aire de la Antártida prácticamente no hay nada, igual o menos que en el desierto del Sahara.

La concentración de CO2 es prácticamente la misma en el Polo Sur, en el Congo Belga y en el desierto del Kalahari, y su concentración atmosférica ha ido evolucionando de forma muy semejante en todos esos lugares. Por eso el CO2 de una burbujita en el hielo de hace 100.000 años en la Antártida nos sirve para deducir la concentración global de CO2 que había entonces. Por el contrario, el vapor de agua que pueda haber en esa burbujita encerrada en el hielo de hace 100.000 años será ínfimo y no nos dirá nada sobre el agua que había entonces en el desierto o en el trópico.

El vapor de agua es el principal gas invernadero. Esto lo sabemos. A él le debemos que la Tierra no esté congelada. Sabemos que es y ha sido, entre los gases invernadero del aire, el principal factor de cambio de la temperatura. Pero no tenemos números.

Es decir que, como dice también Manuel Toharia, “el vapor de agua es el gas que mayor efecto invernadero crea, y su intensidad es varias veces mayor que el CO2, pero no conocemos su influencia”. Esperemos que las investigaciones en curso, que son muchas, nos permitan ver más claro en esta importante cuestión.