Efecto invernadero

Atmospheric phenomenon causing planetary warming

La energía fluye desde el Sol hacia abajo y desde la Tierra y su atmósfera hacia arriba . Cuando los gases de efecto invernadero absorben la radiación emitida por la superficie de la Tierra , impiden que dicha radiación escape al espacio, lo que hace que las temperaturas de la superficie aumenten unos 33 °C (59 °F).

El efecto invernadero se produce cuando los gases de efecto invernadero en la atmósfera de un planeta aíslan al planeta de perder calor al espacio, lo que aumenta la temperatura de su superficie. El calentamiento de la superficie puede ocurrir a partir de una fuente de calor interna, como en el caso de Júpiter , o de su estrella anfitriona, como en el caso de la Tierra . En el caso de la Tierra, el Sol emite radiación de onda corta ( luz solar ) que pasa a través de los gases de efecto invernadero para calentar la superficie de la Tierra. En respuesta, la superficie de la Tierra emite radiación de onda larga que es absorbida en su mayoría por los gases de efecto invernadero. La absorción de la radiación de onda larga evita que llegue al espacio, lo que reduce la velocidad a la que la Tierra puede enfriarse.

Sin el efecto invernadero, la temperatura media de la superficie de la Tierra sería tan fría como -18 °C (-0,4 °F). ^{[1] [2]} Por supuesto, esto es mucho menos 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, se ha producido un calentamiento global de aproximadamente 1,2 °C (2,2 °F) desde la Revolución Industrial , ^[7] con la temperatura media global de la superficie aumentando a un ritmo de 0,18 °C (0,32 °F) por década desde 1981. ^[8]

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 5.500 °C (9.900 °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 la 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 de la Tierra absorbe solo el 23% de la radiación de onda corta entrante, pero absorbe el 90% de la radiación de onda larga emitida por la superficie, ^[9] acumulando así energía y calentando la superficie de la Tierra.

La existencia del efecto invernadero, aunque no se le ha dado nombre, fue propuesta ya en 1824 por Joseph Fourier . ^[10] El argumento y la evidencia fueron reforzados aún más por Claude Pouillet en 1827 y 1838. En 1856 Eunice Newton Foote demostró que el efecto de calentamiento del sol es mayor para el aire con vapor de agua que para el aire seco, y el efecto es aún mayor con dióxido de carbono. ^{[11] [12]} El término invernadero fue aplicado por primera vez a este fenómeno por Nils Gustaf Ekholm en 1901. ^{[13] [14]}

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". ^{[15] : 2232}

El efecto invernadero mejorado 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. ^{[15] : 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 retienen el calor difiere. Los invernaderos retienen el calor principalmente al bloquear la convección (el movimiento del aire). ^{[16] [17]} Por el contrario, el efecto invernadero retiene el calor al restringir la transferencia radiativa a través del aire y reducir la velocidad a la que se emite la radiación térmica al espacio. ^[5]

Historia del descubrimiento y la investigación

La existencia del efecto invernadero, aunque no se le haya dado nombre, fue propuesta ya en 1824 por Joseph Fourier . ^[10] El argumento y la evidencia fueron reforzados por Claude Pouillet en 1827 y 1838. En 1856, Eunice Newton Foote demostró que el efecto de calentamiento del sol es mayor para el aire con vapor de agua que para el aire seco, y el efecto es aún mayor con el dióxido de carbono. Concluyó que "una atmósfera de ese gas daría a nuestra Tierra una temperatura alta..." ^{[11] [12]}

John Tyndall fue el primero en medir la absorción y emisión de infrarrojos de varios gases y vapores. A partir de 1859, demostró que el efecto se debía a una proporción muy pequeña de la atmósfera, ya que los principales gases no tenían efecto y se debía en gran medida al vapor de agua, aunque pequeños porcentajes de hidrocarburos y dióxido de carbono tenían un efecto significativo. ^[19] El efecto fue cuantificado de forma más completa por Svante Arrhenius en 1896, quien realizó la primera predicción cuantitativa del calentamiento global debido a una duplicación hipotética del dióxido de carbono atmosférico. ^[20] El término invernadero fue aplicado por primera vez a este fenómeno por Nils Gustaf Ekholm en 1901. ^{[13] [14]}

En 1896, Svante Arrhenius utilizó las observaciones de Langley sobre el aumento de la absorción infrarroja cuando los rayos lunares pasan a través de la atmósfera en un ángulo bajo, encontrando más dióxido de carbono (CO ₂ ), para estimar un efecto de enfriamiento atmosférico a partir de una futura disminución del CO ₂ . Se dio cuenta de que la atmósfera más fría contendría menos vapor de agua (otro gas de efecto invernadero ) y calculó el efecto de enfriamiento adicional. También se dio cuenta de que el enfriamiento aumentaría la capa de nieve y hielo en latitudes altas, haciendo que el planeta refleje más luz solar y, por lo tanto, se enfríe aún más, como había hipotetizado James Croll . En general, Arrhenius calculó que reducir el CO ₂ a la mitad sería suficiente para producir una edad de hielo. Calculó además que una duplicación del CO ₂ atmosférico daría un calentamiento total de 5 a 6 grados Celsius. ^[21]

Medición

Cómo el CO ₂ causa el efecto invernadero.

La materia emite radiación térmica a una velocidad directamente proporcional a la cuarta potencia de su temperatura . Parte de la radiación emitida por la superficie de la Tierra es absorbida por los gases de efecto invernadero y las nubes. Sin esta absorción, la superficie de la Tierra 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 de la Tierra es de alrededor de 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, normalmente en vatios por metro cuadrado (W/m2 ⁾ . Los científicos también miden el efecto invernadero basándose en cuánta más radiación térmica de onda larga sale de la superficie de la Tierra de la que llega al espacio. ^{[22] : 968  [22] : 934  [23] [24] [25]} Actualmente, la radiación de onda larga sale de la superficie a una tasa media de 398 W/m2 ^, pero solo 239 W/m2 ^llegan al espacio. Por tanto, el efecto invernadero de la Tierra también puede medirse como un cambio de flujo de energía de 159 W/m2 ^. [ ^{22] : 968  [22] : 934} El efecto invernadero puede expresarse como una fracción (0,40) o porcentaje (40%) de la radiación térmica de onda larga que sale de la superficie de la Tierra pero no llega al espacio. ^{[22] : 968  [23] [26]}

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. ^[23]

Papel en el cambio climático

La tasa de calentamiento de la Tierra (gráfico) es el resultado de factores que incluyen el efecto invernadero intensificado. ^[27]

El fortalecimiento del efecto invernadero a través de gases de efecto invernadero adicionales provenientes de las actividades humanas se conoce como el efecto invernadero mejorado . ^{[15] : 2232} Además de inferirse a partir de mediciones realizadas por ARGO , CERES y otros instrumentos a lo largo del siglo XXI, ^{[28] : 7–17} este aumento en el forzamiento radiativo de la actividad humana se ha observado directamente, ^{[29] [30]} y es atribuible principalmente al aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico. ^[31]

La curva de Keeling de la abundancia de CO ₂ atmosférico .

_El CO2 se produce por la quema de combustibles fósiles y otras actividades como la producción de cemento y la deforestación tropical . ^[32] Las mediciones de CO2 _del Observatorio de Mauna Loa muestran que las concentraciones han aumentado desde aproximadamente 313 partes por millón (ppm) ^[33] en 1960, superando el hito de 400 ppm en 2013. ^[34] La cantidad actual observada de CO2 _excede los máximos del registro geológico (≈300 ppm) de los datos de los núcleos de hielo. ^[35]

Durante los últimos 800.000 años, ^{[36] 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. ^[37] 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 de tiempo. ^{[38] [39]}

Balance energético y temperatura

Radiación de onda corta entrante

El espectro de radiación solar para la luz directa tanto en la parte superior de la atmósfera de la Tierra como al nivel del mar.

La materia más caliente emite longitudes de onda de radiación más cortas. Como resultado, el Sol emite radiación de onda corta como luz solar, mientras que la Tierra y su atmósfera emiten radiación de onda larga . La luz solar incluye la radiación ultravioleta , la luz visible y la radiación infrarroja cercana . ^{[15] : 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%. ^[9] En general, la Tierra refleja aproximadamente el 30% de la luz solar entrante, ^{[40] [41]} y absorbe el resto (240 W/m ² ). ^{[22] : 934}

Radiación de onda larga saliente

El efecto invernadero es una reducción del flujo de radiación de onda larga saliente, que afecta al balance radiativo del planeta. El espectro de la radiación saliente muestra los efectos de los diferentes gases de efecto invernadero.

La Tierra y su atmósfera emiten radiación de onda larga , también conocida como radiación infrarroja térmica o radiación terrestre . ^{[15] : 2251} De manera informal, la radiación de onda larga a veces se denomina radiación térmica . La radiación de onda larga saliente (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 emitida por la Tierra en función de la frecuencia (o longitud de onda). El área entre la curva de la radiación de onda larga emitida por la superficie de la Tierra y la curva de la radiación de onda larga saliente indica la magnitud del efecto invernadero. ^[25]

Diferentes sustancias son responsables de reducir la energía de la radiación que llega al espacio en diferentes frecuencias; para algunas frecuencias, múltiples sustancias desempeñan un papel. ^[24] Se cree que el dióxido de carbono es responsable de la caída de la radiación saliente (y el aumento asociado del efecto invernadero) alrededor de 667 cm ⁻¹ (equivalente a una longitud de onda de 15 micrones). ^[42]

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 las direcciones, tanto hacia arriba como hacia abajo, en equilibrio con la cantidad que ha absorbido. Esto da como resultado una menor pérdida de calor por radiación y más calor en las capas inferiores. Al aumentar la concentración de los gases, aumenta la cantidad de absorción y emisión, y, por lo tanto, se retiene más calor en la superficie y en las capas inferiores. ^[2]

Temperatura efectiva

Temperatura necesaria para emitir una cantidad determinada de radiación térmica.

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 debería tener un planeta que irradiara con una temperatura uniforme (un cuerpo negro ) 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: Basándonos en sus emisiones de radiación de onda larga al espacio, la temperatura efectiva general de la Tierra es de -18 °C (0 °F). ^{[43] [2]}
• Emisiones de la superficie: según las emisiones térmicas de la superficie, la temperatura superficial efectiva de la Tierra es de aproximadamente 16 °C (61 °F), ^{[22] : 934} que es 34 °C (61 °F) más cálida que la temperatura efectiva general de la Tierra.

La temperatura de la superficie de la Tierra se expresa a menudo en términos de la temperatura media del aire cerca de la superficie. Esta es de unos 15 °C (59 °F), ^{[4] [44]} un poco más baja que la temperatura superficial efectiva. Este valor es 33 °C (59 °F) más cálido que la temperatura efectiva general 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 el número de julios de energía que pasan a través de 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 planeta, dividido ^por la superficie de la Tierra, 5,1 × 10 ¹⁴  m2 (5,1 × 10 ⁸  km2 ; 2,0 ^× 10 8 ^millas  cuadradas). ^[45]

Los flujos de radiación que llegan y salen de la Tierra son importantes porque la transferencia radiativa es el único proceso capaz de intercambiar energía entre la Tierra y el resto del universo. ^{[46] : 145}

Equilibrio radiativo

La temperatura de un planeta depende del equilibrio entre la radiación entrante y la radiación saliente. Si la radiación entrante supera a la radiación saliente, el planeta se calentará. Si la radiación saliente supera a la radiación entrante, el planeta se enfriará. El 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. ^[47]

El desequilibrio energético de la Tierra es la cantidad en la que la potencia de la luz solar entrante absorbida por la superficie o la atmósfera de la Tierra excede la potencia de la radiación de onda larga saliente emitida al espacio. El desequilibrio energético es la medida fundamental que determina la temperatura de la superficie. ^[48] Una presentación de la ONU dice que "el IEE es el número más crítico que define las perspectivas de que continúe el calentamiento global y el cambio climático". ^[49] Un estudio sostiene que "el valor absoluto del IEE representa la métrica más fundamental que define el estado del cambio climático global". ^[50]

El desequilibrio energético de la Tierra (EEI) era de aproximadamente 0,7 W/m2 ^alrededor de 2015, lo que indica que la Tierra en su conjunto está acumulando energía térmica y está en un proceso de calentamiento. ^{[22] : 934}

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. ^[51]

Comparación del flujo ascendente de radiación de onda larga de la Tierra en la realidad y en un escenario hipotético en el que los gases de efecto invernadero y las nubes se eliminan o pierden su capacidad de absorber la radiación de onda larga, sin cambiar el albedo de la Tierra (es decir, la reflexión/absorción de la luz solar). La parte superior muestra el equilibrio entre el calentamiento y el enfriamiento de la Tierra medidos en la parte superior de la atmósfera (TOA). El panel (a) muestra la situación real con un efecto invernadero activo. ^[52] El panel (b) muestra la situación inmediatamente después de que se detiene la absorción; toda la radiación de onda larga emitida por la superficie llegaría al espacio; habría más enfriamiento (a través de la radiación de onda larga emitida al espacio) que calentamiento (de la luz solar). Este desequilibrio conduciría a una rápida caída de la temperatura. El panel (c) muestra el estado estable final, después de que la superficie se enfría lo suficiente para emitir solo la radiación de onda larga suficiente para igualar el flujo de energía de la luz solar absorbida. ^[52]

Ciclo de día y noche

Una imagen simple supone un estado estable, 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 se aplica solo durante el día. Por la noche, la atmósfera se enfría un poco, pero no mucho porque la inercia térmica del sistema climático resiste los cambios tanto de día como de noche, así como durante períodos más largos. ^[53] Los cambios de temperatura diurna disminuyen con la altura en la atmósfera.

Efecto de la tasa de lapso

Tasa de lapso

En la parte inferior de la atmósfera, la troposfera , la temperatura del aire disminuye (o "desciende") a medida que aumenta la altitud. La velocidad a la que la temperatura cambia con la altitud se denomina tasa de descenso . ^[54]

En la Tierra, la temperatura del aire disminuye aproximadamente 6,5 °C/km (3,6 °F por 1000 pies), en promedio, aunque esto varía. ^[54]

El descenso de temperatura se produce por convección . El aire calentado por la superficie asciende. A medida que asciende, el aire se expande y se enfría . Al mismo tiempo, otro aire desciende, se comprime y se calienta. Este proceso crea un gradiente de temperatura vertical dentro de la atmósfera. ^[54]

Este gradiente vertical de temperatura es esencial para el efecto invernadero. Si el gradiente térmico 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). ^[55]

Temperatura y altitud de emisión

La temperatura a la que se emitió la radiación térmica se puede determinar comparando la intensidad de un número de onda particular con la intensidad de una curva de emisión de cuerpo negro . En el gráfico, las temperaturas de emisión varían entre T _min y T _s . El "número de onda" es la frecuencia dividida por la velocidad de la luz.

Los gases de efecto invernadero hacen que la atmósfera cercana a la superficie de la Tierra sea mayoritariamente opaca a la radiación de onda larga. La atmósfera solo se vuelve transparente a la radiación de onda larga en altitudes mayores, donde el aire es menos denso, hay menos vapor de agua y la presión reducida ensancha las líneas de absorción limita las longitudes de onda que las moléculas de gas pueden absorber. ^{[56] [46]}

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 ). ^{[57] [46]}

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

La temperatura y la altitud de emisión efectivas varían según la longitud de onda (o frecuencia). Este fenómeno puede observarse examinando gráficos de la radiación emitida al espacio. ^[57]

Los gases de efecto invernadero y la tasa de reducción gradual

Los gases de efecto invernadero (GEI) presentes en el aire denso cerca de la superficie absorben la mayor parte de la radiación de onda larga emitida por la superficie cálida. Los GEI presentes en el aire escaso a mayores altitudes (más frío debido al gradiente térmico ambiental) emiten radiación de onda larga al espacio a un ritmo menor que las emisiones de la superficie.

La superficie de la Tierra irradia radiación de onda larga con longitudes de onda en el rango de 4 a 100 micrones. ^[58] Los gases de efecto invernadero que eran en gran medida transparentes a la radiación solar entrante son más absorbentes para algunas longitudes de onda en este rango. ^[58]

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

En lugar de pensar en la radiación de onda larga que se dirige al espacio como si viniera de la propia superficie, es más realista pensar en esta radiación saliente como si fuera 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. ^{[59] [60]}

Componentes absorbentes de infrarrojos en la atmósfera

Gases de efecto invernadero

Un gas de efecto invernadero (GEI) es un gas que contribuye a retener el 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 presupuesto energético de la Tierra . ^[15]

Gases activos infrarrojos

Se dice que los gases que pueden absorber y emitir radiación de onda larga son activos en el infrarrojo ^[61] y actúan como gases de efecto invernadero.

La mayoría de los gases cuyas moléculas tienen dos átomos diferentes (como el monóxido de carbono, CO ), y todos los gases con tres o más átomos (incluidos el H ₂ O y el CO ₂ ), son activos en el infrarrojo y actúan como gases de efecto invernadero. (Técnicamente, esto se debe a que cuando estas moléculas vibran , esas vibraciones modifican el momento dipolar molecular , o la asimetría en la distribución de la carga eléctrica. Véase Espectroscopia infrarroja ). ^[15]

Gases con un solo átomo (como el argón, Ar) o con dos átomos idénticos (como el nitrógeno, N
₂, y oxígeno, O
₂) 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 un momento dipolar). Dichos gases constituyen más del 99% de la atmósfera seca. ^[15]

Absorción y emisión

Coeficientes de absorción de onda larga del vapor de agua y el dióxido de carbono. Para longitudes de onda cercanas a 15 micrones (15 μm en la escala superior), donde la superficie de la Tierra emite con fuerza, el CO2 _es un absorbente mucho más fuerte que el vapor de agua.

Los gases de efecto invernadero absorben y emiten radiación de onda larga dentro de rangos específicos de longitudes de onda (organizadas como líneas o bandas espectrales ). ^[15]

Cuando los gases de efecto invernadero absorben la radiación, distribuyen la energía adquirida al aire circundante en forma de energía térmica (es decir, energía cinética de las moléculas de gas). La energía se transfiere de las moléculas de gas de efecto invernadero a otras moléculas mediante colisiones moleculares . ^[62]

Contrariamente a lo que a veces se dice, los gases de efecto invernadero no "reemiten" fotones después de ser absorbidos. Como 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 haya una posibilidad de que se emita un nuevo fotón. ^[62]

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 sale de la atmósfera, enfriándola. ^[62]

Efectos radiativos

Efecto sobre el aire: El aire se calienta por el calor latente ( el vapor de agua flotante se condensa en gotitas de agua y libera calor), las corrientes térmicas (el aire caliente que sube desde abajo) y la luz solar que se absorbe 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 neto de enfriamiento 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 promedio aproximadamente estable. ^{[46] : 139  [63]}

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 de energía radiativa ascendente neto). El transporte de calor latente y las corrientes térmicas proporcionan un enfriamiento no radiativo de la superficie que compensa parcialmente esta reducción, pero sigue habiendo una reducción neta del enfriamiento de la superficie para una temperatura de superficie dada. ^{[46] : 139  [63]}

Efecto sobre el balance energético de la atmósfera superior: los gases de efecto invernadero afectan el balance energético de la atmósfera superior (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 de la superficie 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. ^{[46] : 139  [63]} Es importante centrarse en el balance energético de la atmósfera superior (TOA) (en lugar del balance energético de la superficie) al razonar sobre el efecto de calentamiento de los gases de efecto invernadero. ^{[64] : 414}

Flujo de calor en la atmósfera de la Tierra, que muestra (a) el flujo de calor de radiación ascendente y los flujos de radiación hacia arriba/abajo, (b) el flujo de calor no radiativo ascendente ( calor latente y térmicos ), (c) el equilibrio entre el calentamiento y el enfriamiento atmosférico en cada altitud, y (d) el perfil de temperatura de la atmósfera.

Nubes y aerosoles

Las nubes y los aerosoles tienen efectos de enfriamiento, asociados con el reflejo de la luz solar hacia el espacio, y efectos de calentamiento, asociados con el atrapamiento de la radiación térmica.

En promedio, las nubes tienen un fuerte efecto neto de enfriamiento. Sin embargo, la combinación de efectos de enfriamiento y calentamiento varía según las características específicas de cada nube (incluido su tipo, altura y propiedades ópticas). ^[65] Las nubes cirros delgadas pueden tener un efecto neto de calentamiento. Las nubes pueden absorber y emitir radiación infrarroja y, por lo tanto, afectar las propiedades radiativas de la atmósfera. ^[66]

Los aerosoles atmosféricos afectan el clima de la Tierra modificando la cantidad de radiación solar entrante y de radiación terrestre de onda larga saliente retenida en el sistema terrestre. Esto ocurre a través de varios mecanismos distintos que se dividen en efectos directos, indirectos ^{[67] [68]} y semidirectos de los aerosoles. Los efectos climáticos de los aerosoles son la mayor fuente de incertidumbre en las predicciones climáticas futuras. ^[69] El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) afirmó en 2001: ^[70]

Si bien el forzamiento radiativo debido a los gases de efecto invernadero puede determinarse con un grado razonablemente alto de precisión... las incertidumbres relacionadas con los forzamientos radiativos de los aerosoles siguen siendo grandes y dependen en gran medida de las estimaciones de estudios de modelos globales 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 necesitaría tener un cuerpo negro (un absorbente/emisor perfecto) para emitir esa cantidad de radiación térmica. ^[71] Por lo tanto, la temperatura efectiva general de un planeta viene dada por

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

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

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

donde SLR es el flujo promedio de radiación de onda larga emitida por la superficie. (OLR es una abreviatura convencional. SLR se utiliza aquí para indicar el flujo de radiación de onda larga emitida por la superficie, aunque no existe una abreviatura estándar para esto.) ^[72]

Métricas del efecto invernadero

Aumento del efecto invernadero de la Tierra (2000-2022) según datos del satélite CERES de la NASA.

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: ^{[22] : 968  [23] [25] [24]}

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

Alternativamente, el efecto invernadero se puede describir utilizando el efecto invernadero normalizado , g̃ , definido como

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

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, llega al espacio un 40 por ciento menos de radiación térmica que la que sale de la superficie. ^{[22] : 968  [23] [26]}

A veces, el efecto invernadero se cuantifica como una diferencia de temperatura. Esta diferencia de temperatura está estrechamente relacionada con las magnitudes anteriores.

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

${\displaystyle \Delta T_{\mathrm {GHE} }=T_{\mathrm {surface,eff} }-T_{\mathrm {eff} }}$

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

En los debates informales sobre el efecto invernadero, a menudo se compara la temperatura superficial real con la temperatura que tendría el planeta si no existieran los gases de efecto invernadero. Sin embargo, en los debates técnicos formales, cuando se cuantifica el tamaño del efecto invernadero como una temperatura, esto se hace generalmente utilizando la fórmula anterior. La fórmula se refiere a la temperatura superficial efectiva en lugar de la temperatura superficial real, y compara la superficie con la parte superior de la atmósfera, en lugar de comparar la realidad con una situación hipotética. ^[72]

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

Equilibrio radiativo

El efecto invernadero puede entenderse como una disminución de la eficiencia del enfriamiento planetario. El efecto invernadero se cuantifica como la porción del flujo de radiación emitido por la superficie que no llega al espacio, es decir, el 40% o 159 W/m2 ^. Parte de la radiación emitida es efectivamente cancelada por la radiación descendente y, por lo tanto, no transfiere calor . La evaporación y la convección compensan parcialmente esta reducción en el enfriamiento de la superficie. Las bajas temperaturas a grandes altitudes limitan la tasa de emisiones térmicas al espacio.

El desequilibrio energético (EEI) de la parte superior de la atmósfera (TOA) de la Tierra es la cantidad en la que la potencia de la radiación entrante excede la potencia de la radiación saliente: ^[49]

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

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

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

donde es el albedo (reflectividad) del planeta y MSI es la irradiancia solar media entrante en la parte superior de la atmósfera. ${\displaystyle A}$

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

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

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

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

Por lo tanto, el concepto de equilibrio radiativo es importante porque indica qué temperatura efectiva tenderá a tener un planeta. ^{[73] [52]}

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

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 caliente está la superficie que la temperatura efectiva general del planeta. Por lo tanto, la temperatura efectiva de la superficie, , es, utilizando la definición de , ${\displaystyle T_{\mathrm {surface,eff} }}$ ${\displaystyle \Delta T_{\mathrm {GHE} }}$

${\displaystyle T_{\mathrm {surface,eff} }=T_{\mathrm {eff} }+\Delta T_{\mathrm {GHE} }\;.}$

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

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

Obsérvese que el efecto invernadero influye en la temperatura del planeta en su conjunto, en paralelo con la tendencia del planeta a avanzar hacia el equilibrio radiativo. ^[74]

Conceptos erróneos

Flujo de calor general de la Tierra. El calor (energía neta) siempre fluye de los lugares más cálidos a los más fríos , de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica . ^{[75] (Este diagrama de flujo de calor es equivalente al diagrama de} presupuesto energético de la Tierra de la NASA . Los datos son de 2009).

A veces hay malentendidos sobre cómo funciona el efecto invernadero y cómo aumenta las temperaturas.

La falacia del balance de la superficie es un error de pensamiento común. ^{[64] : 413} Implica pensar que una mayor concentración de CO2 _sólo podría causar calentamiento al aumentar 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 el aumento de CO2 _no podría conducir a temperaturas más altas. Sin embargo, es un error centrarse en el balance de energía de la superficie en lugar del balance de energía de la parte superior de la atmósfera. Independientemente de lo que suceda en la superficie, el aumento de la concentración de CO2 _tiende a reducir la radiación térmica que llega al espacio (OLR), lo que conduce a un desequilibrio energético TOA que conduce al calentamiento. Investigadores anteriores como Callendar (1938) y Plass (1959) se centraron en el balance de la superficie, pero el trabajo de Manabe en la década de 1960 aclaró la importancia del balance de energía de la parte superior de la atmósfera. ^{[64] : 414}

Entre quienes no creen en el efecto invernadero, existe la falacia de que el efecto invernadero 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 . ^{[75] [76]} 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. ^[74] El flujo de calor por radiación ocurre en la dirección de la superficie a 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 a la superficie, esto es parte del proceso normal de transferencia de calor por radiación . ^[77] La ​​radiación térmica descendente simplemente reduce el flujo neto de energía de radiación térmica ascendente (flujo de calor por radiación), es decir, reduce el enfriamiento. ^[62]

Modelos simplificados

La energía fluye entre el espacio, la atmósfera y la superficie terrestre, y los gases de efecto invernadero de la atmósfera absorben y emiten calor radiante, lo que afecta el equilibrio energético de la Tierra . Datos de 2007.

A veces se utilizan modelos simplificados para ayudar a comprender cómo se produce el efecto invernadero y cómo afecta la temperatura de la superficie.

Modelos de capas atmosféricas

El efecto invernadero se puede observar en un modelo simplificado en el que el aire se trata como si fuera una única capa uniforme que intercambia radiación con el suelo y el espacio. ^[78] Modelos ligeramente más complejos añaden capas adicionales o introducen convección. ^[79]

Altitud de emisión equivalente

Una simplificación es tratar toda la radiación de onda larga saliente como emitida desde una altitud donde la temperatura del aire es igual a la temperatura efectiva general para las emisiones planetarias. [ ^80] 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 aumentar para mantener la misma masa de CO ₂ por encima de ese nivel. ^[81] ${\displaystyle T_{\mathrm {eff} }}$

Este enfoque es menos preciso que tener en cuenta la variación de la longitud de onda de la radiación en función de la altitud de emisión. Sin embargo, puede ser útil para respaldar una comprensión simplificada del efecto invernadero. ^[80] Por ejemplo, se puede utilizar para explicar cómo aumenta el efecto invernadero a medida que aumenta la concentración de gases de efecto invernadero. ^{[82] [81] [60]}

La altitud de emisión equivalente total de la Tierra ha ido aumentando con una tendencia de 23 m (75 pies)/década, lo que se dice que es coherente con un calentamiento superficial medio global de 0,12 °C (0,22 °F)/década durante el período 1979-2011. ^[80]

Efectos relacionados en la Tierra

Efecto invernadero negativo

Los científicos han observado que, en ocasiones, se produce un efecto invernadero negativo en algunas partes de la Antártida. ^{[83] [84]} En un lugar donde hay una fuerte inversión térmica, de modo que el aire es más cálido que la superficie, es posible que el efecto invernadero se invierta, de modo que la presencia de gases de efecto invernadero aumenta 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 a la que la radiación térmica es 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, a largo plazo, es inevitable que se produzca un efecto invernadero descontrolado, ya que el Sol se volverá cada vez más luminoso a medida que envejece, lo que supondrá el fin de toda vida en la Tierra. Cuando el Sol se vuelva un 10 % más brillante dentro de unos mil millones de años, la temperatura superficial de la Tierra alcanzará los 47 °C (117 °F) (a menos que el albedo aumente lo suficiente), lo que provocará un rápido aumento de la temperatura de la Tierra y la evaporación de sus océanos hasta que se convierta en un planeta de invernadero, similar a Venus en la actualidad.

Cuerpos distintos de la Tierra

En el sistema solar, además de la Tierra, al menos otros dos planetas y una luna también tienen 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, que consta de aproximadamente un 97 % de dióxido de carbono. ^[86]

Aunque Venus está un 30% más cerca del Sol, absorbe (y se calienta) 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, al contrario de lo que se podría pensar, estar más cerca del Sol no es una razón por la que Venus sea más cálido que la Tierra. ^{[88] [89] [90]}

Debido a su alta presión, el CO ₂ en la atmósfera de Venus exhibe una absorción continua (absorción en un amplio rango de longitudes de onda) y no está limitada a la absorción dentro de las bandas relevantes para su absorción en la Tierra. ^[57]

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 ; ^[91] esta idea todavía es ampliamente aceptada. ^[92] El planeta Venus experimentó un efecto invernadero descontrolado, lo que resultó en una atmósfera que es 96% dióxido de carbono y una presión atmosférica superficial aproximadamente igual a la encontrada a 900 m (3000 pies) bajo el agua en la Tierra. Venus puede haber tenido océanos de agua, pero se habrían evaporado a medida que la temperatura media de la superficie aumentó a los 735 K (462 °C; 863 °F) actuales. ^{[93] [94] [95]}

Marte

Marte tiene aproximadamente 70 veces más dióxido de carbono que la Tierra, ^[96] pero experimenta solo un pequeño efecto invernadero, alrededor de 6 K (11 °F). ^[85] El efecto invernadero es pequeño debido a la falta de vapor de agua y la delgadez general de la atmósfera. ^[97]

Los mismos cálculos de transferencia radiativa que predicen el calentamiento en la Tierra explican con precisión la temperatura en Marte, dada su composición atmosférica. ^{[98] [99] [72]}

Titán

La luna Titán de Saturno tiene un efecto invernadero y un efecto antiinvernadero . La presencia de nitrógeno ( N 2 ), metano ( CH 4 ) e hidrógeno ( H 2 ) en la atmósfera contribuye a un efecto invernadero, aumentando la temperatura de la superficie en 21 K (38 °F) por encima de la temperatura esperada del cuerpo sin estos gases. ^{[86] [100]}

Si bien los gases N ₂ y H ₂ normalmente no absorben la radiación infrarroja, estos gases absorben la radiación térmica en Titán debido a las colisiones inducidas por la presión, la gran masa y el espesor de la atmósfera y las largas longitudes de onda de la radiación térmica de la superficie fría. ^{[57] [86] [100]}

La existencia de una neblina a gran altitud, que absorbe longitudes de onda de la radiación solar pero es transparente a los rayos infrarrojos, contribuye a un efecto antiinvernadero de aproximadamente 9 K (16 °F). ^{[86] [100]}

El resultado neto de estos dos efectos es un calentamiento de 21 K − 9 K = 12 K (22 °F), por lo que la temperatura de la superficie de Titán de 94 K (−179 °C; −290 °F) es 12 K más cálida de lo que sería si no hubiera atmósfera. ^{[86] [100]}

Efecto de la presión

No es posible predecir la magnitud relativa de los efectos de invernadero en diferentes cuerpos simplemente comparando la cantidad de gases de invernadero en sus atmósferas, ya que otros factores, además de la cantidad de estos gases, también influyen en la magnitud del efecto de invernadero.

La presión atmosférica general afecta la cantidad de radiación térmica que puede absorber cada molécula de un gas de efecto invernadero. La presión alta produce una mayor absorción y la presión baja, una menor. ^[57]

Esto se debe a un "ensanchamiento de presión" de las líneas espectrales . Cuando la presión atmosférica total es mayor, las colisiones entre moléculas se producen a un ritmo mayor. Las colisiones amplían 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. ^{[64] : 226}

Cada molécula del aire cerca de la superficie de la Tierra experimenta alrededor de 7 mil millones de colisiones por segundo. Esta tasa es menor a mayores altitudes, donde la presión y la temperatura son más bajas. ^[101] Esto significa que los gases de efecto invernadero pueden absorber más longitudes de onda en la atmósfera inferior que en la atmósfera superior. ^{[56] [46]}

En otros planetas, la ampliación de la 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). ^[57]

Véase también

• Portal del calentamiento global
• Portal del medio ambiente

• Efecto anti-invernadero
• Retroalimentación sobre el cambio climático
• Modelo climático
• Oscurecimiento global
• Modelo de invernadero idealizado
• Modelo ilustrativo del efecto invernadero sobre el cambio climático
• Gestión de la radiación solar

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