Efecto invernadero desbocado

Efecto climático que hace que la atmósfera de un planeta atrape calor y evite el enfriamiento.

Un efecto invernadero desbocado se producirá cuando la atmósfera de un planeta contenga gases de efecto invernadero en una cantidad suficiente para bloquear la salida de la radiación térmica del planeta, evitando que el planeta se enfríe y tenga agua líquida en su superficie. Una versión desbocada del efecto invernadero puede definirse por un límite en la radiación de onda larga saliente de un planeta que se alcanza asintóticamente debido a que las temperaturas superficiales más altas evaporan el agua hacia la atmósfera, aumentando su profundidad óptica . ^[1] Esta retroalimentación positiva significa que el planeta no puede enfriarse mediante radiación de onda larga (a través de la ley de Stefan-Boltzmann ) y continúa calentándose hasta que puede irradiar fuera de las bandas de absorción ^[2] del vapor de agua.

El efecto invernadero desbocado a menudo se formula con vapor de agua como especie condensable. El vapor de agua llega a la estratosfera y se escapa al espacio mediante un escape hidrodinámico , dando como resultado un planeta desecado. ^[3] Esto probablemente sucedió en la historia temprana de Venus .

Una investigación realizada en 2012 encontró que casi todas las líneas de evidencia indican que es poco probable que sea posible desencadenar un efecto invernadero descontrolado en la Tierra, simplemente agregando gases de efecto invernadero a la atmósfera . ^[4] Sin embargo, los autores advirtieron que "nuestro conocimiento de la dinámica, la termodinámica, la transferencia radiativa y la física de las nubes de las atmósferas calientes y humeantes es débil", y que "por lo tanto, no podemos descartar completamente la posibilidad de que las acciones humanas puedan causar una transición , si no a un descontrol total, al menos a un estado climático mucho más cálido que el actual". ^[4]

Un efecto invernadero desbocado similar al de Venus parece no tener prácticamente ninguna posibilidad de ser causado por personas. ^[5] Un artículo de 2013 concluyó que el efecto invernadero descontrolado "podría, en teoría, ser provocado por un aumento del forzamiento del efecto invernadero", pero que "las emisiones antropogénicas probablemente sean insuficientes". ^[6] Las condiciones similares a las de Venus en la Tierra requieren un gran forzamiento a largo plazo que es poco probable que ocurra hasta que el Sol se ilumine en algunas decenas de porcentajes, lo que tomará unos pocos miles de millones de años. ^[7] Se espera que la Tierra experimente un efecto invernadero descontrolado "en unos 2 mil millones de años a medida que aumente la luminosidad solar". ^[4]

Historia

Este artículo de 1902 atribuye al premio Nobel sueco (de química) Svante Arrhenius una teoría de que la combustión de carbón podría eventualmente conducir a un grado de calentamiento global que causaría la extinción humana . ^[8]

Si bien el término fue acuñado por el científico de Caltech Andrew Ingersoll en un artículo que describía un modelo de la atmósfera de Venus, ^[9] la idea inicial de un límite a la radiación infrarroja saliente terrestre fue publicada por George Simpson en 1927. ^[10] La física Makoto Komabayashi de la Universidad de Nagoya exploró un fenómeno relevante para el, más tarde, denominado efecto invernadero galopante . ^[11] Suponiendo una estratosfera saturada de vapor de agua, Komabayashi e Ingersoll calcularon de forma independiente el límite de radiación infrarroja saliente que define el estado de efecto invernadero desbocado. El límite ahora se conoce como límite Komabayashi-Ingersoll para reconocer sus contribuciones. ^[3]

Física del invernadero desbocado

Gráfico de la profundidad óptica de la tropopausa por temperatura de la tropopausa, que ilustra el límite de Komabayashi-Ingersoll de 385 W/m ² utilizando ecuaciones y valores de Nakajima et al. (1992) "Un estudio sobre el efecto invernadero descontrolado con un modelo de equilibrio radiativo-convectivo unidimensional". El límite de Komabayashi-Ingersoll es el valor de la radiación de onda larga saliente (FIRtop) más allá del cual las líneas no se cruzan.

Un efecto invernadero desbocado se produce cuando los gases de efecto invernadero se acumulan en la atmósfera a través de un ciclo de retroalimentación positiva hasta tal punto que bloquean sustancialmente el calor irradiado para que no escape al espacio, aumentando así considerablemente la temperatura del planeta. ^[12]

El efecto invernadero desbocado a menudo se formula en términos de cómo cambia la temperatura de la superficie de un planeta con diferentes cantidades de luz estelar recibida. ^[13] Si se supone que el planeta está en equilibrio radiativo , entonces el estado de efecto invernadero descontrolado se calcula como el estado de equilibrio en el que el agua no puede existir en forma líquida. ^[3] El vapor de agua luego se pierde en el espacio mediante un escape hidrodinámico . ^{[14] En equilibrio radiativo,} la radiación de onda larga (OLR) saliente de un planeta debe equilibrar el flujo estelar entrante.

La ley de Stefan-Boltzmann es un ejemplo de retroalimentación negativa que estabiliza el sistema climático de un planeta. Si la Tierra recibiera más luz solar, se produciría un desequilibrio temporal (entraría más energía que saldría) y se produciría un calentamiento. Sin embargo, debido a que la respuesta de Stefan-Boltzmann exige que este planeta más caliente emita más energía, eventualmente se podrá alcanzar un nuevo equilibrio de radiación y la temperatura se mantendrá en su nuevo valor más alto. ^[2] Las reacciones positivas del cambio climático amplifican los cambios en el sistema climático y pueden provocar efectos desestabilizadores para el clima. ^[2] Un aumento de la temperatura debido a los gases de efecto invernadero que conduce a un aumento del vapor de agua (que es en sí mismo un gas de efecto invernadero) que causa un mayor calentamiento es una retroalimentación positiva, pero no un efecto desbocado, en la Tierra. ^[13] Los efectos de retroalimentación positiva son comunes (por ejemplo, retroalimentación de hielo-albedo ), pero los efectos desbocados no necesariamente surgen de su presencia. Aunque el agua juega un papel importante en el proceso, el efecto invernadero desbocado no es el resultado de la retroalimentación del vapor de agua . ^[14]

El efecto invernadero desbocado puede verse como un límite en la radiación de onda larga saliente de un planeta que, cuando se supera, da como resultado un estado en el que el agua no puede existir en su forma líquida (por lo tanto, todos los océanos se han "evaporado"). ^[3] La radiación de onda larga saliente de un planeta está limitada por esta agua evaporada, que es un gas de efecto invernadero eficaz y bloquea la radiación infrarroja adicional a medida que se acumula en la atmósfera. ^[15] Suponiendo un equilibrio radiativo, los límites descontrolados del efecto invernadero en la radiación de onda larga saliente corresponden a los límites del aumento del flujo estelar recibido por un planeta para desencadenar el efecto invernadero descontrolado. ^[16] Se han calculado dos límites en la radiación de onda larga saliente de un planeta que se corresponden con el inicio del efecto invernadero desbocado: el límite Komabayashi-Ingersoll ^{[9] [11]} y el límite Simpson-Nakajima. ^{[17] [3] [13]} En estos valores, el efecto invernadero descontrolado supera la retroalimentación de Stefan-Boltzmann, por lo que un aumento en la temperatura de la superficie de un planeta no aumentará la radiación de onda larga saliente. ^[2]

El límite de Komabayashi-Ingersoll fue el primero en derivarse analíticamente y solo considera una estratosfera gris en equilibrio radiativo. ^{[9] [11]} Una estratosfera (o atmósfera) gris es un enfoque para modelar la transferencia radiativa que no tiene en cuenta la dependencia de la frecuencia de la absorción por un gas. En el caso de una estratosfera o atmósfera gris, la aproximación de Eddington se puede utilizar para calcular los flujos radiativos. Este enfoque se centra en el equilibrio entre la radiación de onda larga saliente en la tropopausa , y la profundidad óptica del vapor de agua, en la tropopausa, que está determinada por la temperatura y la presión en la tropopausa de acuerdo con la presión de saturación del vapor . Este equilibrio está representado por las siguientes ecuaciones ^[3] donde la primera ecuación representa el requisito de equilibrio radiativo en la tropopausa y la segunda ecuación representa cuánto vapor de agua está presente en la tropopausa. ^[3] Tomando la radiación de onda larga saliente como parámetro libre, estas ecuaciones se cruzarán solo una vez para un único valor de la radiación de onda larga saliente; este valor se toma como el límite de Komabayashi-Ingersoll. ^[3] En ese valor, la retroalimentación de Stefan-Boltzmann se rompe porque la temperatura troposférica requerida para mantener el valor OLR de Komabayashi-Ingersoll da como resultado una profundidad óptica de vapor de agua que bloquea el OLR necesario para enfriar la tropopausa. ^[2] ${\textstyle F_{\text{IRtop}}^{\uparrow }}$ ${\textstyle \tau _{\text{tp}}}$ $${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {1}{2}}F_{\text{IRtop}}^{\uparrow }\left({\frac {3}{2}}\tau _{\text{tp}}+1\right)&=\sigma T_{\text{tp}}^{4}\\\tau _{\text{tp}}&=\kappa _{v}p^{*}(T_{\text{tp}}){\frac {1}{g}}{\frac {m_{v}}{\bar {m}}}\end{aligned}}}$$

El límite de Simpson-Nakajima es inferior al límite de Komabayashi-Ingersoll y, por lo tanto, suele ser más realista para el valor en el que un planeta entra en un estado de efecto invernadero descontrolado. ^[14] Por ejemplo, dados los parámetros utilizados para determinar un límite de Komabayashi-Ingersoll de 385 W/m ² , el límite correspondiente de Simpson-Nakajima es sólo de aproximadamente 293 W/m ² . ^{[3] [13]} El límite Simpson-Nakajima se basa en la derivación del límite Komabayashi-Ingersoll al asumir una troposfera convectiva con una temperatura y presión superficiales que determinan la profundidad óptica y la radiación de onda larga saliente en la tropopausa. ^{[3] [13]}

El límite húmedo del invernadero

Debido a que el modelo utilizado para derivar el límite de Simpson-Nakajima (una estratosfera gris en equilibrio radiativo y una troposfera convectiva) puede determinar la concentración de agua en función de la altitud, el modelo también se puede utilizar para determinar la temperatura de la superficie (o por el contrario, la cantidad de flujo estelar) que resulta en una alta proporción de mezcla de agua en la estratosfera. ^[13] Si bien este valor crítico de la radiación de onda larga saliente es menor que el límite de Simpson-Nakajima, todavía tiene efectos dramáticos en el clima de un planeta. Una alta proporción de mezcla de agua en la estratosfera superaría los efectos de una trampa fría y daría como resultado una estratosfera "húmeda", lo que daría lugar a la fotólisis del agua en la estratosfera que a su vez destruiría la capa de ozono y eventualmente conduciría a una dramática Pérdida de agua por escape hidrodinámico. ^{[2] [14]} Este estado climático ha sido denominado efecto invernadero húmedo, ya que el estado final es un planeta sin agua, aunque puede existir agua líquida en la superficie del planeta durante este proceso. ^[13]

Conexión con la habitabilidad

El concepto de zona habitable ha sido utilizado por científicos planetarios y astrobiólogos para definir una región orbital alrededor de una estrella en la que un planeta (o luna) puede contener agua líquida. ^[18] Según esta definición, el borde interior de la zona habitable (es decir, el punto más cercano a una estrella que puede estar un planeta hasta que ya no pueda sostener agua líquida) está determinado por el límite de radiación de onda larga saliente más allá del cual el invernadero descontrolado ocurre el proceso (p. ej., el límite de Simpson-Nakajima). Esto se debe a que la distancia de un planeta a su estrella anfitriona determina la cantidad de flujo estelar que recibe el planeta, lo que a su vez determina la cantidad de radiación de onda larga saliente que el planeta irradia de regreso al espacio. ^[2] Si bien la zona interior habitable generalmente se determina utilizando el límite de Simpson-Nakajima, también se puede determinar con respecto al límite húmedo del invernadero, ^[16] aunque la diferencia entre los dos suele ser pequeña. ^[19]

El cálculo del borde interior de la zona habitable depende en gran medida del modelo utilizado para calcular el límite Simpson-Nakajima o del invernadero húmedo. ^[2] Los modelos climáticos utilizados para calcular estos límites han evolucionado con el tiempo; algunos modelos suponen una atmósfera gris unidimensional simple, ^[3] y otros utilizan una solución de transferencia radiativa completa para modelar las bandas de absorción de agua y dióxido de carbono. . ^[13] Estos modelos anteriores que utilizaban transferencia radiativa derivaban los coeficientes de absorción del agua de la base de datos HITRAN , mientras que los modelos más nuevos ^[20] utilizan la base de datos HITEMP, más actual y precisa, que ha llevado a diferentes valores calculados de los límites de radiación térmica. Se han realizado cálculos más precisos utilizando modelos climáticos tridimensionales ^[21] que tienen en cuenta efectos como la rotación planetaria y las proporciones locales de mezcla de agua, así como la retroalimentación de las nubes. ^[22] El efecto de las nubes en el cálculo de los límites de radiación térmica aún está en debate (específicamente, si las nubes de agua presentan o no un efecto de retroalimentación positiva o negativa). ^[2]

Efecto invernadero desbocado en el Sistema Solar

Venus

Los océanos de Venus pueden haberse evaporado en un efecto invernadero descontrolado.

Es probable que en Venus se haya producido un efecto invernadero desbocado que involucra dióxido de carbono y vapor de agua . ^[23] En este escenario, Venus primitivo pudo haber tenido un océano global si la radiación térmica saliente estaba por debajo del límite de Simpson-Nakajima pero por encima del límite de efecto invernadero húmedo. ^[2] A medida que aumentó el brillo del Sol primitivo, aumentó la cantidad de vapor de agua en la atmósfera, aumentando la temperatura y, en consecuencia, aumentando la evaporación del océano, lo que finalmente llevó a la situación en la que los océanos se evaporaron.

Este escenario ayuda a explicar por qué hoy en día hay poco vapor de agua en la atmósfera de Venus. Si Venus se formó inicialmente con agua, el efecto invernadero desbocado habría hidratado la estratosfera de Venus ^[13] y el agua habría escapado al espacio. ^[9] Alguna evidencia de este escenario proviene de la extremadamente alta proporción de deuterio a hidrógeno en la atmósfera de Venus, aproximadamente 150 veces la de la Tierra, ya que el hidrógeno ligero escaparía de la atmósfera más fácilmente que su isótopo más pesado , el deuterio. ^{[24] [25]}

Venus es calentado con tanta fuerza por el Sol que el vapor de agua puede elevarse mucho más alto en la atmósfera y descomponerse en hidrógeno y oxígeno mediante la luz ultravioleta. Luego, el hidrógeno puede escapar de la atmósfera mientras el oxígeno se recombina o se une al hierro en la superficie del planeta. ^[2] Se cree que el déficit de agua en Venus debido al efecto invernadero desbocado explica por qué Venus no exhibe características superficiales consistentes con la tectónica de placas, ^[26] lo que significa que sería un planeta con tapa estancada . ^[27]

El dióxido de carbono, el gas de efecto invernadero dominante en la actual atmósfera de Venus, debe su mayor concentración a la debilidad del reciclaje de carbono en comparación con la Tierra , donde el dióxido de carbono emitido por los volcanes es subducido eficientemente hacia la Tierra por la tectónica de placas en escalas de tiempo geológico a través del ciclo carbonato-silicato , ^[28] que requiere precipitación para funcionar. ^[29]

Tierra

Las primeras investigaciones sobre el efecto de los niveles de dióxido de carbono atmosférico en el límite de efecto invernadero descontrolado descubrieron que se necesitarían cantidades de dióxido de carbono de órdenes de magnitud mayores para llevar a la Tierra a un estado de efecto invernadero descontrolado. ^[13] Esto se debe a que el dióxido de carbono no es tan eficaz para bloquear la radiación de onda larga saliente como lo es el agua. ^[9] Dentro de los modelos actuales del efecto invernadero desbocado, el dióxido de carbono (especialmente el dióxido de carbono antropogénico) no parece capaz de proporcionar el aislamiento necesario para que la Tierra alcance el límite Simpson-Nakajima. ^{[13] [14] [5] [7]}

Sin embargo, persiste el debate sobre si el dióxido de carbono puede empujar las temperaturas de la superficie hacia el límite húmedo del efecto invernadero. ^{[30] [31]} El científico climático John Houghton escribió en 2005 que "[no] hay posibilidad de que se produzcan condiciones de invernadero desbocadas [de Venus] en la Tierra". ^[32] Sin embargo, el climatólogo James Hansen afirmó en Storms of My Grandchildren (2009) que la quema de carbón y la extracción de arenas bituminosas darán como resultado un efecto invernadero desbocado en la Tierra. ^[33] Una reevaluación en 2013 del efecto del vapor de agua en los modelos climáticos mostró que el resultado de James Hansen requeriría diez veces la cantidad de CO ₂ que podríamos liberar al quemar todo el petróleo, carbón y gas natural de la corteza terrestre. . ^[30]

Al igual que con las incertidumbres al calcular el borde interior de la zona habitable, la incertidumbre sobre si el CO ₂ puede provocar un efecto invernadero húmedo se debe a diferencias en las opciones de modelización y las incertidumbres que existen en ellas. ^{[14] [2]} El cambio del uso de HITRAN a las listas de líneas de absorción HITEMP más actuales en los cálculos de transferencia radiativa ha demostrado que los límites de efecto invernadero descontrolados anteriores eran demasiado altos, pero la cantidad necesaria de dióxido de carbono haría improbable un estado de efecto invernadero húmedo antropogénico. ^[34] Los modelos tridimensionales completos han demostrado que el límite de temperatura de la superficie del invernadero húmedo es mayor que el encontrado en los modelos unidimensionales y, por lo tanto, requeriría una mayor cantidad de dióxido de carbono para iniciar un invernadero húmedo que en los modelos unidimensionales. ^[21]

Otras complicaciones incluyen si la atmósfera está saturada o subsaturada con cierta humedad, ^[21] niveles más altos de CO ₂ en la atmósfera que resultan en una Tierra menos caliente de lo esperado debido a la dispersión de Rayleigh , ^[2] y si las retroalimentaciones de las nubes estabilizan o desestabilizan la atmósfera. sistema climático. ^{[22] [21]}

Para complicar las cosas, la investigación sobre la historia climática de la Tierra ha utilizado a menudo el término "efecto invernadero desbocado" para describir cambios climáticos a gran escala cuando no es una descripción apropiada, ya que no depende de la radiación de onda larga saliente de la Tierra. Aunque la Tierra ha experimentado una diversidad de extremos climáticos, estos no son estados finales de la evolución climática y, por el contrario, han representado equilibrios climáticos diferentes a los que se ven en la Tierra hoy. ^[2] Por ejemplo, se ha planteado la hipótesis de que pueden haber ocurrido grandes emisiones de gases de efecto invernadero al mismo tiempo que el evento de extinción del Pérmico-Triásico ^{[35] [36]} o el Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno . Además, durante el 80% de los últimos 500 millones de años, se cree que la Tierra estuvo en estado de invernadero debido al efecto invernadero , cuando no había glaciares continentales en el planeta, los niveles de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero (como como vapor de agua y metano ) eran altas, y las temperaturas de la superficie del mar (TSM) oscilaban entre 40 °C (104 °F) en los trópicos y 16 °C (65 °F) en las regiones polares . ^[37]

Futuro lejano

La mayoría de los científicos creen que un efecto invernadero descontrolado es inevitable a largo plazo, a medida que el Sol se vuelve gradualmente más luminoso a medida que envejece, y significará el fin de toda la vida en la Tierra. A medida que el Sol se vuelva un 10% más brillante dentro de mil millones de años, la temperatura de la superficie de la Tierra alcanzará los 47 °C (117 °F) (a menos que el Albedo aumente lo suficiente), lo que provocará que la temperatura de la Tierra aumente rápidamente y que sus océanos hiervan. hasta convertirse en un planeta invernadero, similar a Venus en la actualidad.

La tasa de pérdida actual es de aproximadamente un milímetro de océano por millón de años. ^[38] Esto se debe a que la capa superior más fría de la troposfera actúa como una trampa fría que actualmente impide que la Tierra pierda permanentemente su agua en el espacio, incluso con el calentamiento global provocado por el hombre (esta es también la razón por la cual el cambio climático solo va a empeorar los fenómenos meteorológicos extremos en el corto plazo, ya que una atmósfera más cálida puede retener más humedad , ya que incluso con el calentamiento global, la trampa de frío garantiza que la atmósfera actual seguirá siendo demasiado fría para permitir que el vapor de agua se pierda rápidamente en el espacio). Esto se está viendo eclipsado por cambios a corto plazo en el nivel del mar, como el actual aumento del nivel del mar debido al derretimiento de los glaciares y el hielo polar. Sin embargo, el ritmo se está acelerando gradualmente, a medida que el sol se calienta, hasta tal vez hasta un milímetro cada 1.000 años, haciendo en última instancia que la atmósfera esté tan caliente que la trampa fría es empujada aún más hacia arriba hasta que finalmente no logra impedir que el agua se filtre. perdiéndose en el espacio. ^[38]

Ward y Brownlee predicen que habrá dos variaciones de la retroalimentación del calentamiento futuro: el "invernadero húmedo" en el que el vapor de agua domina la troposfera y comienza a acumularse en la estratosfera y el "invernadero desbocado" en el que el vapor de agua se convierte en un componente dominante de la atmósfera. la atmósfera de tal manera que la Tierra comience a sufrir un rápido calentamiento, lo que podría elevar la temperatura de su superficie a más de 900 °C (1,650 °F), causando que toda su superficie se derrita y matando toda la vida, tal vez dentro de unos tres mil millones de años. En ambos casos, el invernadero húmedo y desbocado afirma que la pérdida de océanos convertirá a la Tierra en un mundo principalmente desértico. La única agua que quedaría en el planeta estaría en unos pocos estanques de evaporación esparcidos cerca de los polos, así como en enormes salinas alrededor de lo que alguna vez fue el fondo del océano, muy parecido al desierto de Atacama en Chile o la cuenca Badwater en el Valle de la Muerte. Las pequeñas reservas de agua pueden permitir que la vida permanezca durante unos cuantos miles de millones de años más.

A medida que el Sol se ilumina, los niveles de CO ₂ deberían disminuir debido a un aumento de la actividad en el ciclo del silicato de carbono correspondiente al aumento de la temperatura. Eso mitigaría parte del calentamiento que experimentaría la Tierra debido al aumento de brillo del Sol. ^[2] Sin embargo, eventualmente, a medida que el agua se escape, el ciclo del carbono cesará a medida que la tectónica de placas se detenga debido a la necesidad de agua como lubricante para la actividad tectónica. ^[27]

Efecto refrigerador desbocado

Marte puede haber experimentado lo opuesto a un efecto invernadero desbocado: un efecto refrigerador desbocado . A través de este efecto, un proceso de retroalimentación desbocado pudo haber eliminado gran parte del dióxido de carbono y el vapor de agua de la atmósfera y haber enfriado el planeta. El agua se condensó en la superficie, lo que provocó que el dióxido de carbono se disolviera en el agua y se uniera químicamente a los minerales. Esto redujo el efecto invernadero, bajando la temperatura y provocando que se condensara más agua. El resultado fueron temperaturas más bajas, y el agua se congeló como permafrost subterráneo, dejando sólo una fina atmósfera. ^{[39] [40]}

Ver también

• Portal de cambio climático

• Atmósfera de Venus , un ejemplo de efecto invernadero desbocado
• Invernadero y invernadero Tierra

Referencias

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