Notas sobre el cambio climático - Curso 2010-2011

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Conferencia sobre la situación actual y perspectivas futuras del Cambio Climático

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  • 1.1.- Introducción Recordar la controversia del año 2000: último del siglo XX y primero del XXI
  • Desde la antigüedad es bien conocido el fenómeno del enfriamiento extraordinario que sufre la Tierra por la noche, en los desiertos y otros lugares en los que no hay vegetación, y hay una marcada escasez de agua líquida y humedad en el aire. Pero, a pesar de que ese fenómeno debe ser evidente, tanto para los habitantes de esas zonas, como para los viajeros, exploradores, etc., no hay noticias de que este conocimiento se haya transmitido por escrito a lo largo de la Historia. Por otro lado, es bien sabido desde antiguo que el vidrio es transparente para la luz, pero no para el calor radiado. Por este motivo, los invernaderos se han construido desde siempre con paredes y techo de vidrio, que permiten el paso hacia el interior de la luz del Sol, pero impiden el paso desde el interior hacia fuera del calor radiado.
  • Fourier formaba parte del grupo de científicos que acompañaron a Napoleón en su campaña de Egipto, y vivió varios años en esa región. Llegó a ser nombrado Gobernador de Egipto, y es muy probable que tuviese una experiencia de primera mano del enfriamiento extraordinario que se experimenta en las zonas desérticas, como se ha explicado. Escribió que la cuestión de la temperatura global es uno de los asuntos más notables e interesantes de la ciencia, y uno de los más difíciles de tratar. A pesar de su elevada capacidad como matemático, no pudo adelantar gran cosa en un estudio cuantitativo de este fenómeno.
  • Tyndall expresaba sus resultados en una florida prosa victoriana: “ El vapor de agua constituye una manta más necesaria para la vida vegetal de la Gran Bretaña que las ropas lo son para el hombre. Elimínese el acuoso vapor del aire durante una sola noche de verano, y el sol se elevaría sobre una isla presa del férreo abrazo del hielo”.
  • El conocimiento que se ha ido adquiriendo sobre el “efecto de invernadero” nos permite ahora afirmar que es imprescindible para el sostenimiento de la vida en la Tierra. Sin el “efecto de invernadero” , la temperatura media en la Tierra sería unos 32 ºC inferior a la actual, es decir, unos – 17 ºC.
  • En 1814 J. v. Fraunhofer descubre el espectro de la luz solar, y a partir de esa fecha un elevado número de físicos trabaja en la búsqueda de una explicación del fenómeno. Entre ellos podemos citar a W. H. Wollaston, G. Kirchhoff, R. Bunsen, A. J. Ångström, etc.
  • También establecieron la ley fundamental de la espectrometría que dice: "cada elemento tiene propiedades específicas en lo que respecta a la luz que emite", y demostraron la reversibilidad de las líneas de emisión y absorción, es decir, "en el espectro, un elemento absorbe la luz en la posición exacta de las líneas que ese elemento pueden emitir". La figura 3 muestra gráficamente el experimento que demostraba la reversibilidad de las líneas de emisión y absorción. Una vez que este fenómeno queda bien explicado, se convierte en una herramienta muy importante en el estudio de la materia, tanto de los elementos existentes en la Tierra, como de los constituyentes del Sol y otras estrellas. Este trabajo abrió el camino para la espectroquímica atómica y anunció el advenimiento de la física moderna. Sin estos fundamentos, no sería posible el desarrollo posterior en el campo de la absorción de energía térmica por los gases, y la explicación cabal del efecto de invernadero
  • Este descubrimiento de las líneas de absorción muestra la forma en que los gases pueden absorber la energía radiante emitida por cualquier cuerpo, es decir, absorben la energía correspondiente a unas frecuencias perfectamente definidas, pero no a otras . En el caso que nos ocupa, explica la forma en que los gases de efecto invernadero pueden absorber la energía que emite la Tierra hacia el exterior, que corresponde a una frecuencia en el rango del infrarrojo. La radiación infrarroja incide sobre una molécula del gas de efecto invernadero, y es absorbida, provocando efectos de vibración y desplazamiento interno de los átomos constituyentes. Casi de forma instantánea, esta energía absorbida es emitida en forma de radiación también infrarroja. En la figura 6 se presenta gráficamente este fenómeno.
  • Véanse en la figura 10 las bandas de absorción de los diferentes gases de efecto de invernadero, en las condiciones reinantes en las capas bajas de la atmósfera. Es evidente el solapamiento que se da entre el CO2 y el vapor de agua
  • La energía que llega al suelo procedente del Sol está compuesta por una mezcla de longitudes de onda, ver figura 5, de las cuales las más abundantes corresponden a longitudes de onda cortas (es decir, radiaciones de mayor energía), abarcando desde la luz visible y llegando incluso a los ultravioletas, en concreto, desde aproximadamente 0,2 μm hasta 4,0 μm). En este trayecto del viaje, las radiaciones no son absorbidas por los gases de efecto invernadero. En su interacción con el suelo, algunas radiaciones se reflejan directamente hacia el exterior, y por tener longitud de onda más corta, no son absorbidas por los gases de efecto invernadero. Pero la mayor parte de las radiaciones incidentes se transforman en energía de longitud de onda más larga (infrarroja, aproximadamente desde 4,0 μm hasta unas 100 μm), ver figura 5, que es emitida hacia la atmósfera, y que como veremos a continuación, son parcialmente absorbidas por lo gases de efecto invernadero.
  • Las plantas toman el CO 2 de la atmósfera y lo fijan en sus tejidos. Pasa al suelo, donde se combina con H 2 O, para formar ácido carbónico (H 2 CO 3 ). Este ácido meteoriza los carbonatos y silicatos de las rocas, y se originan iones bicarbonato (HO 3 - ), Calcio (Ca ++ ) y sílice disuelta (SiO 2 ). Estos productos llegan transportados por los ríos a los mares, cuya fauna sintetiza nuevamente CaCO 3 y libera CO 2 , que vuelve a la atmósfera . La meteorización de las rocas carbonatadas no supone una pérdida neta del CO 2 atmosférico, porque cuando los iones bicarbonato y calcio producidos durante la meteorización también se combinan para producir carbonato cálcico en los mares, en estas reacciones solo la mitad del CO 2 de la atmósfera vuelve a ella, dando como resultado una pérdida neta del CO 2 atmosférico. El equilibrio se restablece en el manto terrestre, donde el CaCO 3 y el SiO 2 se calientan y se produce silicato cálcico y CO 2 , que retorna a la atmósfera mediante el vulcanismo. Este ciclo se completa en millones de años, y hasta 1850 había depositado en la atmósfera unas 290 ppm (0,029 %).
  • Basándose en los conocimientos mostrados anteriormente sobre la absorción de energía radiante por los gases, realizó un inmenso trabajo de cálculo manual a fin de determinar el efecto de los componentes atmosféricos en la absorción del calor, en la línea de Fourier y Tyndall, pero ya con resultados cuantitativos.
  • En 1914 Milutin Milankovitch publicó la primera versión de una teoría que es ampliamente aceptada en la actualidad, y que explica que el origen principal de las glaciaciones reside probablemente en la fluctuación de la inclinación del eje de la Tierra, la fluctuación de la excentricidad de la órbita de la Tierra, y la rotación de la línea de ápsides
  • Esto es evidente, teniendo en cuenta que el agua no puede estar en forma líquida por debajo de los 0 ºC, temperatura que se alcanza de forma natural hacia los 5.000 metros de altitud (ver figura 11), y la tensión de vapor del agua a esa temperatura es bajísima. Vamos a ver que implicaciones tiene este fenómeno en la explicación del efecto de invernadero.
  • En ¡1930! E. O. Hulburt y otros científicos hallaron errores de concepto muy graves en el experimento de Ångström, que invalidaban los resultados ya citados. En concreto, el aspecto más importante que se había pasado por alto era que la atmósfera no se comporta como una capa de composición uniforme con la altura; el CO2 (es un gas) tiene una distribución casi uniforme, pero el vapor de agua (es un vapor) va disminuyendo de forma progresiva, de forma que desaparece virtualmente a grandes alturas.
  • La energía que llega al suelo procedente del Sol está compuesta por una mezcla de longitudes de onda, ver figura 5, de las cuales las más abundantes corresponden a longitudes de onda cortas (es decir, radiaciones de mayor energía), abarcando desde la luz visible y llegando incluso a los ultravioletas, en concreto, desde aproximadamente 0,2 μm hasta 4,0 μm). En este trayecto del viaje, las radiaciones no son absorbidas por los gases de efecto invernadero. En su interacción con el suelo, algunas radiaciones se reflejan directamente hacia el exterior, y por tener longitud de onda más corta, no son absorbidas por los gases de efecto invernadero. Pero la mayor parte de las radiaciones incidentes se transforman en energía de longitud de onda más larga (infrarroja, aproximadamente desde 4,0 μm hasta unas 100 μm), ver figura 5, que es emitida hacia la atmósfera, y que como veremos a continuación, son parcialmente absorbidas por lo gases de efecto invernadero.
  • La energía que llega al suelo procedente del Sol está compuesta por una mezcla de longitudes de onda, ver figura 5, de las cuales las más abundantes corresponden a longitudes de onda cortas (es decir, radiaciones de mayor energía), abarcando desde la luz visible y llegando incluso a los ultravioletas, en concreto, desde aproximadamente 0,2 μm hasta 4,0 μm). En este trayecto del viaje, las radiaciones no son absorbidas por los gases de efecto invernadero. En su interacción con el suelo, algunas radiaciones se reflejan directamente hacia el exterior, y por tener longitud de onda más corta, no son absorbidas por los gases de efecto invernadero. Pero la mayor parte de las radiaciones incidentes se transforman en energía de longitud de onda más larga (infrarroja, aproximadamente desde 4,0 μm hasta unas 100 μm), ver figura 5, que es emitida hacia la atmósfera, y que como veremos a continuación, son parcialmente absorbidas por lo gases de efecto invernadero.
  • Si se emite más gas de efecto invernadero , por ejemplo CO2, a la atmósfera, las capas superiores de ésta, que tienen una densidad (y presión) muy bajas, dejan escapar la radiación térmica procedente de las capas inferiores, pero también absorberán más radiación procedente de las capas inferiores. De forma que las capas superiores ascenderán aún más, haciéndose más frías y radiando menos energía. De esta forma se produce un desequilibrio radiativo en la Tierra, debido a que se recibe más energía de la que se emite (de hecho, es nuestra situación actual). Debido a que las capas superiores radian parte de la energía hacia el suelo, las capas inferiores hasta el suelo se calentarán. Este desequilibrio radiativo se mantiene hasta que las capas superiores alcanzan una temperatura suficiente para radiar hacia el suelo tanta energía como la que recibe el planeta, alcanzándose de nuevo un equilibrio radiativo entre la energía que se recibe en la Tierra, y la que radia hacia el espacio, pero ahora a una temperatura superior a la anterior . Además, este fenómeno es independiente de lo que ocurra en la capas inferiores de la atmósfera, por lo cual no importa que, por ejemplo el CO2, esté saturado de energía y no pueda absorber más energía. La figura 10 muestra el balance completo de la energía involucrada en el efecto invernadero, expresada en % de la energía recibida del Sol.. La lógica de este proceso ya fue claramente explicada por John Tyndall en 1862, con las siguientes palabras: “ Al igual que una presa construida sobre un río produce un aumento local de la profundidad local de la corriente, la atmósfera, situada como una barrera frente a los rayos terrestres (infrarrojos), produce un aumento local de la temperatura de la superficie de la Tierra”. Todos estos conocimientos son fundamentales para poder explicar el efecto invernadero sin contradicciones, aunque no es muy común encontrarse con una explicación completa.
  • Figura 12.- Balance energético del efecto de invernadero
  • En 1987, una muestra procedente de la Antártida central mostró que en los últimos 400.000 años, el CO2 ha disminuido a 180 partes por millón (ppm) durante los períodos glaciales más extremos, y subió hasta las 280ppm en las etapas más cálidas, pero esta cifra no había sido superada ninguna vez. En esos momentos, en el exterior del Laboratorio el aire contenía unas 350ppm de CO2, que es un valor sin precedentes en casi medio millón de años. Ver estos datos en la figura 13.
  • En las figuras 14 y 15 podemos ver los gráficos que muestran el calentamiento experimentado desde 1870, y la evolución de la cantidad de CO2, así como la cantidad de Carbono producido por la deforestación y el cambio de uso de los terrenos desde 1850. Debe quedar perfectamente claro que hasta 1870, la temperatura media se debía a la existencia del efecto invernadero “natural”, pero que desde esa fecha el incremento de temperatura se debe al efecto de invernadero “forzado”.
  • Pero mientras muchos científicos siguen descubriendo evidencias del efecto invernadero “forzado”, y del calentamiento que se está produciendo, otros señalan a los diversos procesos que inciden en el clima mundial. Volcanes, por ejemplo; la erupción del volcán Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, envió a la atmósfera unos 20 millones de toneladas de dióxido de azufre en forma de partículas y aerosoles que refractan la luz solar al espacio, dando lugar a un enfriamiento global de unos 0.5 ºC un año después. Los científicos ahora creen que el calentamiento experimentado a principios del siglo XX puede explicarse en gran medida por la falta de actividad volcánica en esa época. Las variaciones en la intensidad del sol también se han señalado como motor del cambio climático. Según Joanna Haigh en el Imperial College de Londres, cerca de un tercio del calentamiento desde 1850 se explica por la actividad solar. La identificación de los diferentes contribuyentes al calentamiento ha sido aprovechada por una minoría que afirma que el calentamiento global está impulsado mucho más por la propia naturaleza que por la actividad humana, con la consiguiente controversia aún no resuelta completamente.
  • Uno de los efectos más ostensibles, descubierto en los años cuarenta, es la fusión de los hielos del Ártico. La figura 16 muestra la evolución de los hielos del Ártico entre 1979 y 2005.
  • Uno de los efectos más ostensibles, descubierto en los años cuarenta, es la fusión de los hielos del Ártico. La figura 16 muestra la evolución de los hielos del Ártico entre 1979 y 2005.
  • Uno de los efectos más ostensibles, descubierto en los años cuarenta, es la fusión de los hielos del Ártico. La figura 16 muestra la evolución de los hielos del Ártico entre 1979 y 2005.
  • La explicación que sigue se basa en lo dicho en los puntos 1.4 y 1.6 acerca de los mecanismos de absorción de energía por lo gases, y la explicación detallada del efecto de invernadero. Vamos a suponer que el planeta Tierra no tuviese atmósfera de ningún tipo. En esas circunstancias, no habría ningún tipo de efecto de invernadero, y la temperatura media sería unos 33 ºC inferior a la actual (la temperatura media sería aproximadamente -16 ºC). El clima sería similar al del planeta Marte, y la vida sería prácticamente imposible, no solamente por la ausencia de oxígeno, sino por que las temperaturas serían excesivamente frías para la existencia de agua líquida en amplias áreas de la Tierra.
  • Por lo tanto, debe quedar muy claro que cuando hablamos en la actualidad de los gases de efecto invernadero, y su influencia en el clima de la Tierra, hablamos del efecto invernadero “forzado”, puesto que es el efecto que puede desequilibrar el clima respecto de las condiciones a las que nos había llevado el efecto invernadero “natural”, y provocar grandes cambios
  • Entre los primeros, tenemos la cantidad de energía que recibimos directamente del Sol, la disposición relativa de la Tierra y el Sol, y la presencia de polvo en el espacio entre la Tierra y el Sol. Entre las segundas, podemos resaltar la latitud geográfica, la altitud del lugar, la orientación del relieve con respecto a la incidencia de los rayos solares o a la de los vientos predominantes, las corrientes oceánicas y la continentalidad , que es la distancia al océano o al mar. Además, hay fenómenos de la circulación oceánica global, tales como la Corriente del Golfo, “El Niño / La Niña”, la Corriente del Humboldt, la Corriente de Labrador, etc.
  • La evolución de los elementos del clima, es decir, la temperatura , la humedad , la presión , los vientos y las precipitaciones a lo largo del tiempo tiene un carácter no lineal, es decir, las causas y los efectos no son proporcionales. Por otro lado, se dan interacciones entre las causas de fluctuación, de forma que el efecto correspondiente a una causa sirve de causa a otro efecto. Algunas de las interacciones conforman las denominadas retroalimentaciones, que pueden ser positivas y negativas
  • Para hacernos una idea aproximada de la enorme complejidad del clima, presentamos en la figura 27 las retroalimentaciones principales que se dan entre los elementos del clima. Esta figura nos permite ver la enorme dificultad que supone la simulación del clima, puesto que cada una de estas retroalimentaciones puede dar lugar a una deriva caótica que se irá transmitiendo al resto de retroalimentaciones.
  • En estas circunstancias, la evolución en el tiempo de los elementos del clima se hace caótica (en el sentido que damos aquí a la palabra, caótico significa impredecible en un plazo superior a unos pocos días), y se hace también extraordinariamente sensible a las condiciones iniciales. Por lo tanto, diferencias imperceptibles en las condiciones iniciales dan lugar a diferencias inmensas en los resultados observables en períodos de tiempo no muy largos. La consecuencia de todo esto es que no es posible predecir con exactitud las condiciones finales que un elemento del clima va a alcanzar en un período de tiempo determinado, a partir de unas condiciones iniciales determinadas
  • A su vez, los cambios en el clima afectarán a los patrones de crecimiento de la vegetación. Por ejemplo, los bosques que requieren condiciones relativamente frescas pueden no ser capaces de adaptarse al calentamiento relativamente rápido que está previsto para las áreas interiores de los continentes.
  • La figura 23 muestra los gráficos de la evolución de la temperatura global, el aumento medio del nivel del mar, y la reducción de la superficie cubierta de nieve en el hemisferio Norte, entre los años 1850 y 2005. La fuente de estos datos es el IPCC, y tienen una presentación más condensada que los de la figura 9. También es posible observar algunas correcciones debidas a la mejora de conocimiento experimentada desde los años ochenta.
  • La figura 24 muestra la evolución de la temperatura global en el período 1970 a 2004, pero con referencia a diferentes zonas geográficas de la Tierra. La fuente de este gráfico es el IPCC, y muestra que la inmensa mayoría de las zonas geográficas han aumentado su temperatura en el período analizado. Con toda seguridad podemos decir que el mayor esfuerzo concertado para reducir las emisiones mundiales se ha concretado en el Protocolo de Kyoto. Desde que se inició su ratificación en 1997, más de 100 países han adoptado el protocolo, que por primera vez exige el compromiso de reducir las emisiones de seis gases de efecto invernadero
  • Otro efecto del cambio climático consiste en la elevación de los océanos, provocada por: Fusión de los hielos situados en las tierras emergidas Aumento de volumen de las aguas por el aumento de la temperatura de las aguas. La figura 17 muestra la estimación efectuada para 2100 del efecto en la línea de costa motivado por la elevación del nivel de las aguas.
  • La figura 18 muestra el aumento previsto de la transmisión de la malaria, provocado por el aumento de la temperatura global, que facilitará la supervivencia del mosquito vector de la enfermedad en latitudes más altas
  • Esto significa que cuando se trata del efecto invernadero, dos más dos no son igual a cuatro. Si fuera posible eliminar todas las formas de vapor de agua de la atmósfera, excepto las nubes, sólo se absorbería un 40% menos de todas las frecuencias de infrarrojos. Si eliminásemos las nubes y todos los demás gases de efecto invernadero, pero conserváramos solo el vapor de agua, éste por sí solo todavía absorbería aproximadamente el 60% de la energía en el infrarrojo que se absorbe en la actualidad. Por el contrario, si solo se elimina el CO2 de la atmósfera, sólo se absorbería un 15% menos de energía en el infrarrojo. Si el CO2 fuera el único gas de efecto invernadero, se absorbería el 26% de la energía en el infrarrojo de la que actualmente es absorbida por la atmósfera.
  • Dicho de otro modo, no hay límite a la cantidad de lluvia que pueda caer (la lluvia retira vapor de agua de la atmósfera), pero hay un límite a la cantidad adicional de CO2 que los océanos y otros sumideros pueden absorber. Por supuesto, el CO2 no es el único gas de efecto invernadero emitido por los seres humanos, y muchos, como el metano, son gases de efecto invernadero mucho más potentes en términos de absorción de infrarrojos por molécula.
  • Los cambios en las nubes podrían conducir a una mayor amplificación del calentamiento, o a una reducción, ya que hay una gran incertidumbre acerca de este punto. Lo cierto es que, en la jerga de la ciencia del clima, el vapor de agua es el resultado de una retroalimentación, pero no un forzamiento. A pesar de todo lo que se indicado, hay que reconocer que el informe de IPCC, ver figuras 11 y 16, incluye los efectos del forzamiento radiativo de los aerosoles, con una incertidumbre tan grande que hace que el balance total de energía pueda ir de 0,5 hasta 2,5 w/m2. Esta amplitud hace pensar a algunos investigadores que es necesario continuar con las investigaciones, a fin de mejorar la fiabilidad de la predicción del modelo a un horizonte temporal de 90-100 años.
  • Esta clase de razonamiento es cosa normal en la actividad científica desde hace muchos años, y por lo tanto nos permite juzgar con otra luz los resultados de Callendar de 1938 (ver punto 1.7). Sus resultados probablemente fueron considerados poco significativos, por faltarles el apoyo estadístico, y no provocaron una reacción entusiasta en el campo científico. ¿Qué resultados habría obtenido Callendar si hubiese nacido 30 años más tarde, y sus estudios se hubiesen referido al período 1925-1975?. Con frecuencia se discuten cuestiones como la siguiente: ¿Qué explicación puede tener la evolución de las temperaturas experimentadas en los últimos 4 años, a pesar de que el efecto invernadero “forzado” sigue actuando?, ¿porqué se ha producido este “enfriamiento”?. En la figura 25 podemos ver los últimos datos proporcionados por UCR (Universidad East Anglia).
  • Podemos volver a cometer el error de tratar de obtener información “a simple vista” de un gráfico. Hay factores que influyen en el clima, señalados anteriormente, que tienen un grado de influencia similar al del efecto invernadero “forzado”, y, por lo tanto, dependiendo de la situación particular de cada uno de esos factores, y de sus interacciones y retroalimentaciones, puede suceder que el efecto de invernadero “forzado” quede enmascarado.
  • La Tierra tiene una historia que se remonta a los 4.500.000.000 años, y su atmósfera ha experimentado enormes variaciones de composición, con las correspondientes variaciones de temperatura. El gráfico muestra la evolución de los gases de efecto invernadero, desde prácticamente el origen de la Tierra, y parece que las temperaturas deben sido muy elevadas.
  • La Tierra tiene una historia que se remonta a los 4.500.000.000 años, y su atmósfera ha experimentado enormes variaciones de composición, con las correspondientes variaciones de temperatura. El gráfico muestra la evolución de los gases de efecto invernadero, desde prácticamente el origen de la Tierra, y parece que las temperaturas deben sido muy elevadas.
  • Las fuentes de datos son los registros históricos, que como puede verse en la figura 39, llegan hasta aprox. 1850. Dado que en el pasado, las estaciones tenían diseños variados, y la técnica de toma de datos era también muy variable, se ha realizado un inmenso trabajo de normalización de los datos, a fin de conseguir un conjunto de datos fiable. Estos datos se han publicado en un sistema “peer review”, y se pueden consultar en Global Historical Climatology Network (Peterson and Vose, 1997 and 1998), United States Historical Climatology Network (USHCN) data, y SCAR (Scientific Committee on Antarctic Research). Además de las medidas realizadas en estaciones terrestres, desde hace algunas décadas se incluyen los datos de medidas de temperatura estratosférica y troposférica realizadas por satélites
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