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Efecto invernadero

Los gases de efecto invernadero permiten que la luz solar pase a través de la atmósfera y caliente el planeta, pero luego absorben y redirigen parte de la radiación de onda larga (calor) que emite el planeta.
La energía fluye desde el sol hacia arriba desde la Tierra y su atmósfera. Cuando los gases de efecto invernadero interceptan la radiación emitida por la superficie de la Tierra, impiden que esa radiación escape al espacio, lo que provoca que la temperatura de la superficie aumente aproximadamente 33 °C (59 °F).

El efecto invernadero se produce cuando los gases de efecto invernadero en la atmósfera de un planeta impiden que el planeta pierda calor al espacio, elevando la temperatura de su superficie. El calentamiento de la superficie puede deberse a una fuente de calor interna, como en el caso de Júpiter , o a 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 atraviesa gases de efecto invernadero para calentar la superficie terrestre. En respuesta, la superficie de la Tierra emite radiación de onda larga (calor) que es absorbida en su mayor parte por los gases de efecto invernadero. Esa absorción de calor reduce la velocidad a la que la Tierra puede enfriarse en respuesta al calentamiento del Sol. La adición de gases de efecto invernadero reduce aún más la tasa de emisión de radiación de un planeta al espacio, elevando la temperatura promedio de su superficie.

La temperatura promedio de la superficie de la Tierra sería de aproximadamente -18 °C (-0,4 °F) sin el efecto invernadero, [1] [2] en comparación con el promedio de la Tierra en el siglo XX de aproximadamente 14 °C (57 °F), o una temperatura más reciente. promedio de aproximadamente 15 °C (59 °F). [3] [4] Además de los gases de efecto invernadero presentes naturalmente, 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] y la temperatura superficial promedio global ha aumentado a un ritmo de 0,18 °C (0,32 °F). ) por década desde 1981. [8]

Las longitudes de onda de la radiación 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 luz solar ). Por el contrario, 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 (a veces llamada radiación térmica o calor irradiado). [6] Un gas es un gas de efecto invernadero si absorbe radiación de onda larga . La atmósfera de la Tierra absorbe sólo 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 denomina así, 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 de la atmósfera que absorben infrarrojos. 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 potenciado 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 es diferente. Los invernaderos retienen el calor principalmente bloqueando 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 el calor escapa al espacio. [5]

Historia del descubrimiento y la investigación.

La existencia del efecto invernadero, aunque no se denomina así, 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. Concluyó que "Una atmósfera de ese gas le daría a nuestra tierra una temperatura alta..." [11] [12]

John Tyndall fue el primero en medir la absorción y emisión infrarroja de diversos gases y vapores. A partir de 1859 demostró que el efecto se debía a una proporción muy pequeña de la atmósfera, sin que los principales gases tuvieran 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 más plenamente por Svante Arrhenius en 1896, quien hizo la primera predicción cuantitativa del calentamiento global debido a una hipotética duplicación 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 atraviesan la atmósfera en un ángulo bajo, encontrando más dióxido de carbono (CO 2 ), para estimar un efecto de enfriamiento atmosférico debido a una futura disminución de CO 2 . Se dio cuenta de que una atmósfera más fría retendría 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 reflejara más luz solar y, por lo tanto, se enfriara aún más, como había planteado la hipótesis de 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 provoca el efecto invernadero.

La materia emite radiación térmica en una cantidad 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 promedio de -18 °C (-0,4 °F). Sin embargo, debido a que parte de la radiación se absorbe, la temperatura promedio de la superficie de la Tierra es de alrededor de 15 °C (59 °F). Por 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/m 2 ). 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 velocidad promedio de 398 W/m 2 , pero sólo 239 W/m 2 llegan al espacio. Por tanto, el efecto invernadero de la Tierra también puede medirse como un cambio en el flujo de energía de 159 W/m 2 . [22] : 968  [22] : 934  El efecto invernadero se puede expresar 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 de temperatura o como un cambio en la radiación térmica de onda larga, se mide 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 aumento del efecto invernadero. [27]

El fortalecimiento del efecto invernadero a través de gases de efecto invernadero adicionales provenientes de las actividades humanas se conoce como efecto invernadero mejorado . [15] : 2232  Además de inferirse de mediciones realizadas por ARGO , CERES y otros instrumentos a lo largo del siglo XXI, [28] : 7–17  este aumento en el forzamiento radiativo debido a 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 CO 2 se produce por la quema de combustibles fósiles y otras actividades como la producción de cemento y la deforestación tropical . [32] Las mediciones de CO 2 del Observatorio de Mauna Loa muestran que las concentraciones han aumentado de aproximadamente 313 partes por millón (ppm) [33] en 1960, superando el hito de 400 ppm en 2013. [34] La cantidad observada actualmente de CO 2 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 luz directa tanto en la parte superior de la atmósfera terrestre 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 en forma de 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 el infrarrojo cercano . [15] : 2251 

La luz del sol es reflejada y absorbida por la Tierra y su atmósfera. La atmósfera y las nubes reflejan alrededor del 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 en el flujo de radiación de onda larga saliente, lo que afecta el equilibrio radiativo del planeta. El espectro de radiación saliente muestra los efectos de diferentes gases de efecto invernadero.

La Tierra y su atmósfera emiten radiación de onda larga , también conocida como radiación térmica infrarroja o terrestre . [15] : 2251  Informalmente, la radiación de onda larga a veces se llama radiación térmica . La radiación de onda larga saliente (OLR) es la radiación de la Tierra y su atmósfera que atraviesa la atmósfera y llega al espacio.

El efecto invernadero se puede ver directamente en los gráficos de la radiación de onda larga saliente de la Tierra en función de la frecuencia (o longitud de onda). El área entre la curva de radiación de onda larga emitida por la superficie de la Tierra y la curva de radiación de onda larga saliente indica el tamaño 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, intervienen múltiples sustancias. [24] Se entiende que el dióxido de carbono es responsable de la caída en la radiación saliente (y el aumento asociado en el efecto invernadero) en 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 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 debajo. El aumento de la concentración de los gases aumenta la cantidad de absorción y emisión y, por lo tanto, provoca que se retenga más calor en la superficie y en las capas inferiores. [2]

Temperatura efectiva

Temperatura necesaria para emitir una determinada cantidad 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 necesitaría tener un planeta que irradia una temperatura uniforme (un cuerpo negro ) para poder irradiar la misma cantidad de energía.

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

La temperatura de la superficie de la Tierra a menudo se informa en términos de la temperatura promedio del aire cerca de la superficie. Esto es aproximadamente 15 °C (59 °F), [4] [44] un poco más bajo 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/m 2 , que es el número de julios de energía que pasan por un metro cuadrado cada segundo. La mayoría de los flujos citados en debates de alto nivel sobre el clima son valores globales, lo que significa que son el flujo total de energía en todo el planeta, dividido por la superficie de la Tierra, 5,1 × 10 14  m 2 (5,1 × 10 8  km 2 ; 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 excede la radiación saliente, un planeta se calentará. Si la radiación saliente excede la radiación entrante, un planeta se enfriará. Un planeta tenderá hacia un estado de equilibrio radiativo , en el que la potencia de la radiación saliente es igual a la potencia de la radiación entrante absorbida. [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 impulsa la temperatura de la superficie. [48] ​​Una presentación de la ONU dice: "El EEI es el número más crítico que define las perspectivas de un calentamiento global y un cambio climático continuos". [49] Un estudio sostiene: "El valor absoluto del EEI representa la métrica más fundamental que define el estado del cambio climático global". [50]

El desequilibrio energético de la Tierra (IEE) era de aproximadamente 0,7 W/m 2 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 radiación de onda larga, sin cambiar el albedo de la Tierra (es decir, reflexión/absorción de la luz solar). La parte superior muestra el equilibrio entre el calentamiento y el enfriamiento de la Tierra medido 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 (producido por la luz solar). Este desequilibrio provocaría un rápido descenso de la temperatura. El panel (c) muestra el estado estable final, después de que la superficie se enfría lo suficiente como para emitir sólo suficiente radiación de onda larga para igualar el flujo de energía de la luz solar absorbida. [52]

Ciclo diurno y nocturno

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 climáticas, complican las cosas. La calefacción solar se aplica sólo 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 diurnos disminuyen con la altura en la atmósfera.

Efecto de la tasa de caída

tasa de lapso

En la porción inferior de la atmósfera, la troposfera , la temperatura del aire disminuye (o "decae") al aumentar la altitud. La velocidad a la que la temperatura cambia con la altitud se llama tasa de caída . [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 cambio de temperatura se debe a la 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 la tasa de caída 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 un cuerpo negro . En el gráfico, las temperaturas de emisión oscilan entre T min y Ts . 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 sólo se vuelve transparente a la radiación de onda larga en altitudes más altas, donde el aire es menos denso, hay menos vapor de agua y la ampliación de las líneas de absorción por presión reducida limita las longitudes de onda que las moléculas de gas pueden absorber. [56] [46]

Para cualquier longitud de onda determinada, 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 promedio ponderada del aire dentro de esa capa. Entonces, para cualquier longitud de onda dada de radiación emitida al espacio, hay una temperatura de emisión efectiva asociada (o temperatura de brillo ). [57] [46]

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

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

Gases de efecto invernadero y la tasa de caída

Los gases de efecto invernadero (GEI) en el aire denso cerca de la superficie interceptan la mayor parte de la radiación de onda larga emitida por la superficie cálida. Los GEI en el aire escaso a mayor altitud (más frío debido a la tasa de caída ambiental ) emiten radiación de onda larga al espacio a un ritmo menor que las emisiones en 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 cerca de la superficie de la Tierra es en gran medida opaca a la radiación de onda larga y la mayor parte de la pérdida de calor desde la superficie se produce por evaporación y convección . Sin embargo, las pérdidas de energía radiativa se vuelven cada vez más importantes en la atmósfera, en gran parte debido a la disminución de la concentración de vapor de agua, un importante gas de efecto invernadero.

En lugar de pensar que la radiación de onda larga dirigida al espacio proviene de la superficie misma, es más realista pensar que esta radiación saliente es emitida por una capa en la troposfera media , que está efectivamente acoplada a la superficie mediante un gradiente de velocidad . La diferencia de temperatura entre estos dos lugares explica la diferencia entre las emisiones superficiales y las emisiones al espacio, es decir, explica el efecto invernadero. [59] [60]

Componentes absorbentes de infrarrojos en la atmósfera.

Gases de invernadero

Un gas de efecto invernadero (GEI) es un gas que contribuye a atrapar calor al impedir el flujo de radiación de onda larga fuera de la atmósfera de un planeta. Los gases de efecto invernadero contribuyen con la mayor parte del 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. Consulte Espectroscopia infrarroja ). [15]

Gases con un solo átomo (como el argón, Ar) o con dos átomos idénticos (como el nitrógeno, N
2y oxígeno, O
2) no son activos por infrarrojos. Son transparentes a la radiación de onda larga y, a efectos prácticos, no absorben ni emiten radiación de onda larga. (Esto se debe a que sus moléculas son simétricas y, por lo tanto, no tienen momento dipolar). Estos gases constituyen más del 99% de la atmósfera seca. [15]

Absorción y emisión

Coeficientes de absorción de onda larga de vapor de agua y dióxido de carbono. Para longitudes de onda cercanas a 15 micrones (15 μ m en la escala superior), donde la superficie de la Tierra emite fuertemente, el CO 2 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 (organizados como líneas o bandas espectrales ). [15]

Cuando los gases de efecto invernadero absorben 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 gases de efecto invernadero a otras moléculas mediante colisiones moleculares . [62]

Al contrario de lo que a veces se dice, los gases de efecto invernadero no "reemiten" fotones después de ser absorbidos. Debido a que cada molécula experimenta miles de millones de colisiones por segundo, cualquier energía que reciba una molécula de gas de efecto invernadero al absorber un fotón se redistribuirá a otras moléculas antes de que exista la posibilidad de que se emita un nuevo fotón. [62]

En un proceso separado, los gases de efecto invernadero emiten radiación de onda larga, a un ritmo determinado por la temperatura del aire. Esta energía térmica es absorbida por otras moléculas de gases de efecto invernadero o abandona la atmósfera, enfriándola. [62]

Efectos radiativos

Efecto sobre el aire: El aire se calienta por calor latente ( vapor de agua flotante que se condensa en gotas de agua y libera calor), calor (aire caliente que sube desde abajo) y por la absorción de la luz solar en la atmósfera. [6] El aire se enfría radiativamente mediante gases de efecto invernadero y nubes que emiten radiación térmica de onda larga. Dentro de la troposfera , los gases de efecto invernadero suelen tener un efecto de enfriamiento neto sobre el aire, emitiendo más radiación térmica de la que absorben. El calentamiento y el enfriamiento del aire están bien equilibrados, en promedio, de modo que la atmósfera mantiene una temperatura promedio aproximadamente estable. [46] : 139  [63]

Efecto sobre el enfriamiento de la superficie: la radiación de onda larga fluye hacia arriba y hacia abajo debido a la absorción y emisión en la atmósfera. Estos flujos de energía de cancelación reducen el enfriamiento radiativo de la superficie (flujo neto de energía radiativa ascendente). El transporte de calor latente y las térmicas proporcionan un enfriamiento de la superficie no radiativo que compensa parcialmente esta reducción, pero todavía hay una reducción neta en el enfriamiento de la superficie, para una temperatura de superficie determinada. [46] : 139  [63]

Efecto sobre el balance energético de los TOA: los gases de efecto invernadero impactan el balance energético de la parte superior de la atmósfera (TOA) al reducir el flujo de radiación de onda larga emitida al espacio, para una temperatura superficial determinada. Así, los gases de efecto invernadero alteran el balance energético en 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 presupuesto energético de la parte superior de la atmósfera (TOA) (en lugar del presupuesto 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 por radiación ascendente y los flujos de radiación ascendentes/descendentes, (b) el flujo de calor no radiativo ascendente ( calor latente y térmico ), (c) el equilibrio entre el calentamiento y el enfriamiento atmosféricos 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 de regreso al espacio, y efectos de calentamiento, asociados con la captura 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, dependiendo de las características detalladas de nubes particulares (incluido su tipo, altura y propiedades ópticas). [65] Los finos cirros pueden tener un efecto de calentamiento neto. Las nubes pueden absorber y emitir radiación infrarroja y así afectar las propiedades radiativas de la atmósfera. [66]

Los aerosoles atmosféricos afectan el clima de la Tierra al cambiar la cantidad de radiación solar entrante y la radiación de onda larga terrestre saliente retenida en el sistema terrestre. Esto ocurre a través de varios mecanismos distintos que se dividen en efectos de aerosol directos, indirectos [67] [68] y semidirectos. Los efectos climáticos de los aerosoles son la mayor fuente de incertidumbre en las predicciones climáticas futuras. [69] El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC), Tercer Informe de Evaluación, dice: [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 el forzamiento radiativo de los aerosoles siguen siendo grandes y dependen en gran medida de las estimaciones de estudios de modelización global que son difíciles de verificar a nivel mundial. la actualidad.

Fórmulas básicas

Temperatura efectiva

Un flujo dado de radiación térmica tiene asociada una temperatura radiante efectiva o temperatura efectiva . La temperatura efectiva es la temperatura que necesitaría un cuerpo negro (un absorbente/emisor perfecto) para emitir tanta radiación térmica. [71] Por lo tanto, la temperatura efectiva general de un planeta está dada por

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

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 en la superficie, aunque no existe una abreviatura estándar para esto) .

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]

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

El efecto invernadero normalizado es la fracción de la cantidad de radiación térmica emitida por la superficie que no llega al espacio . Según los números 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]

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

Cuando el efecto invernadero se expresa como una diferencia de temperatura, se refiere a la temperatura efectiva asociada a las emisiones de radiación térmica desde la superficie menos la temperatura efectiva asociada a las emisiones al espacio:

Las discusiones informales sobre el efecto invernadero a menudo comparan la temperatura real de la superficie con la temperatura que tendría el planeta si no hubiera gases de efecto invernadero. Sin embargo, en debates técnicos formales, cuando la magnitud del efecto invernadero se cuantifica como temperatura, generalmente se hace utilizando la fórmula anterior. La fórmula se refiere a la temperatura efectiva de la superficie en lugar de la temperatura real de la superficie, 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 la temperatura efectiva general del planeta.

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 emitida por la superficie menos que no llega al espacio, es decir, el 40% o 159 W/m 2 . Parte de la radiación emitida es efectivamente cancelada por la radiación que desciende 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]

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

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

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

La temperatura de un planeta tenderá a desplazarse hacia un estado de equilibrio radiativo, en el que el desequilibrio energético del TOA es cero, es decir, . Cuando el planeta está en equilibrio radiativo, la temperatura efectiva general del planeta está dada por

Así, 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.

Por eso es importante la cantidad conocida como efecto invernadero: es una de las pocas cantidades que intervienen para determinar la temperatura media de la superficie del planeta.

Efecto invernadero y temperatura.

Normalmente, un planeta estará 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 (cuánta luz solar se refleja de regreso al espacio en lugar de ser absorbida).

El efecto invernadero mide cuánto más cálida es la superficie que la temperatura efectiva general del planeta. Entonces, la temperatura superficial efectiva, es, usando la definición de ,

También se podría expresar la relación entre y usando G o g̃ .

Así pues, 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 por definición.

Tenga en cuenta que el efecto invernadero influye en la temperatura del planeta en su conjunto, junto 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 lo más cálido a lo más frío , respetando la Segunda Ley de la Termodinámica . [75] (Este diagrama de flujo de calor es equivalente al diagrama de presupuesto de energía terrestre de la NASA . Los datos son de 2009.)

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

La falacia superficial del presupuesto es un error de pensamiento común. [64] : 413  Implica pensar que una mayor concentración de CO 2 sólo podría causar calentamiento al aumentar la radiación térmica descendente hacia la superficie, como resultado de hacer de la atmósfera un mejor emisor. Si la atmósfera cerca de la superficie ya es casi opaca a la radiación térmica, esto significaría que el aumento de CO 2 no podría conducir a temperaturas más altas. Sin embargo, es un error centrarse en el presupuesto de energía de la superficie en lugar del presupuesto de energía de la parte superior de la atmósfera. Independientemente de lo que suceda en la superficie, el aumento de la concentración de CO 2 tiende a reducir la radiación térmica que llega al espacio (OLR), lo que lleva a un desequilibrio energético de TOA que conduce al calentamiento. Investigadores anteriores como Callendar (1938) y Plass (1959) se centraron en el presupuesto de superficie, pero el trabajo de Manabe en la década de 1960 aclaró la importancia del presupuesto de energía en 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 envíen 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 una vez que se han tenido en cuenta los flujos de radiación en ambas direcciones. [74] El flujo de calor por radiación se produce 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 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 la radiación térmica ascendente (flujo de calor de radiación), es decir, reduce el enfriamiento. [62]

Modelos simplificados

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

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

Modelos de capas atmosféricas

Se puede ver que el efecto invernadero ocurre en un modelo simplificado en el que el aire se trata como si fuera una sola capa uniforme que intercambia radiación con el suelo y el espacio. [78] Los modelos un poco 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 efectiva (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]

Este enfoque es menos preciso que tener en cuenta la variación de la longitud de onda de la radiación según la altitud de emisión. Sin embargo, puede resultar 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 total de emisión equivalente de la Tierra ha ido aumentando con una tendencia de 23 m (75 pies)/década, lo que se dice que es consistente con un calentamiento medio global de la superficie 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 de temperatura, de modo que el aire es más cálido que la superficie, es posible que el efecto invernadero se revierta, de modo que la presencia de gases de efecto invernadero aumente la tasa de radiación enfriamiento al espacio. En este caso, la tasa de emisión de radiación térmica al espacio es mayor que la tasa a la que la superficie emite radiación térmica. Por tanto, el valor local del efecto invernadero es negativo.

Efecto invernadero desbocado

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. de distancia hasta convertirse en un planeta 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 se compone aproximadamente de un 97% de dióxido de carbono. [86]

Aunque Venus está aproximadamente 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 efecto invernadero, se esperaría que la superficie de Venus tuviera una temperatura de 232 K (-41 °C; -42 °F). Por tanto, contrariamente a lo que podría pensarse, estar más cerca del Sol no es una razón por la que Venus sea más caliente que la Tierra. [88] [89] [90]

Debido a su alta presión, el CO 2 en la atmósfera de Venus presenta una absorción continua (absorción en una amplia gama de longitudes de onda) y no se limita a la absorción dentro de las bandas relevantes a su absorción en la Tierra. [57]

Durante muchos años se ha planteado la hipótesis de que en Venus se produjo un efecto invernadero desbocado que implicaba 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% de dióxido de carbono y una presión atmosférica en la superficie aproximadamente la misma que la que se encuentra a 900 m (3000 pies) bajo el agua en la Tierra. Es posible que Venus haya tenido océanos de agua, pero se habrían evaporado cuando la temperatura media de la superficie aumentó a los actuales 735 K (462 °C; 863 °F). [93] [94] [95]

Marte

Marte tiene alrededor de 70 veces más dióxido de carbono que la Tierra, [96] pero experimenta sólo 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

Titán , la luna de Saturno , tiene tanto un efecto invernadero como un efecto anti-invernadero . La presencia de nitrógeno ( N 2 ), metano ( CH 4 ) e hidrógeno ( H 2 ) en la atmósfera contribuye al 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 radiación infrarroja, estos gases absorben radiación térmica en Titán debido a las colisiones inducidas por la presión, la gran masa y espesor de la atmósfera y las largas longitudes de onda de la radiación térmica de la superficie fría. . [57] [86] [100]

La existencia de una neblina a gran altitud, que absorbe longitudes de onda de la radiación solar pero es transparente al infrarrojo, contribuye a un efecto anti-invernadero 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. sería si no hubiera atmósfera. [86] [100]

Efecto de la presión

No se pueden predecir los tamaños relativos de los efectos de invernadero en diferentes cuerpos simplemente comparando la cantidad de gases de efecto invernadero en sus atmósferas. Esto se debe a que otros factores además de la cantidad de estos gases también influyen en la determinación de la magnitud del efecto invernadero.

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

Esto se debe al "ampliamiento de la presión" de las líneas espectrales . Cuando la presión atmosférica total es mayor, las colisiones entre moléculas se producen a mayor velocidad. Las colisiones amplían el ancho de las líneas de absorción, lo que permite que un gas de efecto invernadero absorba radiación térmica en una gama más amplia 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 en altitudes más altas, donde la presión y la temperatura son más bajas. [101] Esto significa que los gases de efecto invernadero son capaces de absorber más longitudes de onda en la atmósfera inferior que en la atmósfera superior. [56] [46]

En otros planetas, el aumento 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 Venus). Marte). [57]

Efecto anti-invernadero

El efecto anti-invernadero es un proceso que ocurre cuando la energía del sol de un objeto celeste es absorbida o dispersada por la atmósfera superior del objeto , impidiendo que esa energía llegue a la superficie, lo que resulta en un enfriamiento de la superficie, lo opuesto al efecto invernadero. En un caso ideal donde la atmósfera superior absorbe toda la luz solar y es casi transparente a la energía infrarroja (calórica) de la superficie, la temperatura de la superficie se reduciría en un 16%, lo que representa una cantidad significativa de enfriamiento. [102]

Ver también

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