El metano atmosférico es el metano presente en la atmósfera terrestre . [1] La concentración de metano atmosférico está aumentando debido a las emisiones de metano , y está provocando el cambio climático . [2] [3] El metano es uno de los gases de efecto invernadero más potentes . [4] : 82 El forzamiento radiativo (RF) del clima causado por el metano es directo, [5] : 2 y es el segundo mayor contribuyente al forzamiento climático causado por el hombre en el período histórico. [5] : 2 El metano es una fuente importante de vapor de agua en la estratosfera a través de la oxidación; [6] y el vapor de agua añade aproximadamente un 15% al efecto de forzamiento radiativo del metano. [7] El potencial de calentamiento global (GWP) del metano es de aproximadamente 84 en términos de su impacto en un período de 20 años. y 28 en términos de su impacto en un período de 100 años. [8] [9]
Desde el comienzo de la Revolución Industrial (alrededor de 1750), la concentración de metano en la atmósfera ha aumentado aproximadamente un 160%, y este aumento se debe casi en su totalidad a las actividades humanas. [10] Desde 1750 el metano ha contribuido con el 3% de las emisiones de GEI en términos de masa [11] pero es responsable de aproximadamente el 23% del forzamiento radiativo o climático . [12] [13] [14] En 2019, las concentraciones globales de metano aumentaron de 722 partes por mil millones (ppb) en la época preindustrial a 1866 ppb. [15] Este es un aumento de un factor de 2,6 y el valor más alto en al menos 800.000 años. [16] : 4 [17] [18]
El metano aumenta la cantidad de ozono O 3 en la troposfera (de 4 millas (6,4 km) a 12 millas (19 km) de la superficie de la Tierra) y también en la estratosfera (de la troposfera a 31 millas (50 km) sobre la superficie de la Tierra). ). [19] Tanto el vapor de agua como el ozono son GEI, lo que a su vez contribuye al calentamiento climático. [5] : 2
El metano en la atmósfera terrestre es un poderoso gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global (GWP) 84 veces mayor que el CO 2 en un período de 20 años. [21] [22]
El forzamiento radiativo o climático es el concepto científico utilizado para medir el impacto humano en el medio ambiente en vatios /metro². [23] Se refiere a la "diferencia entre la irradiancia solar absorbida por la Tierra y la energía irradiada de regreso al espacio" [24] El efecto radiativo directo de forzamiento de gases de efecto invernadero del metano en relación con 1750 se ha estimado en 0,5 W/m 2 (vatios por metros²) en el "Informe de síntesis del cambio climático 2007" del IPCC de 2007. [25] : 38
En su "Evaluación global del metano" de 173 páginas del 21 de mayo de 2021, el PNUMA y el CCAP dijeron que su "comprensión del efecto del metano sobre el forzamiento radiativo" mejoró con la investigación realizada por equipos dirigidos por M. Etminan en 2016, [12] y William Collins. en 2018, [5] lo que resultó en una "revisión al alza" desde el Quinto Informe de Evaluación del IPCC (AR5) de 2014. La "comprensión mejorada" dice que las estimaciones anteriores del "impacto social general de las emisiones de metano" probablemente fueron subestimadas. [26] : 18
Etminan et al. publicaron sus nuevos cálculos para el forzamiento radiativo (RF) del metano en un artículo de la revista Geophysical Research Letters de 2016 que incorporó las bandas de onda corta del CH 4 para medir el forzamiento, no utilizado en métodos anteriores y más simples del IPCC. Sus nuevos cálculos de RF, que revisaron significativamente los citados en informes sucesivos anteriores del IPCC para los forzamientos de gases de efecto invernadero bien mezclados (WMGHG, por sus siglas en inglés) al incluir el componente de forzamiento de onda corta debido al CH 4 , dieron como resultado estimaciones que eran aproximadamente entre un 20 y un 25 % más altas. [12] Collins y cols. dijo que la mitigación del CH 4 , que reduce el metano atmosférico para finales de siglo, podría "marcar una diferencia sustancial en la viabilidad de alcanzar los objetivos climáticos de París" y nos proporcionaría más "emisiones de carbono permitidas hasta 2100". [5]
El metano es un potente GEI con un potencial de calentamiento global 84 veces mayor que el CO 2 en un período de 20 años. El metano no es un gas tan persistente y disminuye a aproximadamente 28 veces más que el CO 2 durante un período de 100 años. [9]
Además del efecto de calentamiento directo y las reacciones normales, el metano se descompone en dióxido de carbono y agua. Esta agua suele estar por encima de la tropopausa, donde suele llegar poca agua. Ramanathan (1988) [27] señala que tanto las nubes de agua como las de hielo, cuando se forman a temperaturas estratosféricas bajas y frías, son extremadamente eficaces para potenciar el efecto invernadero atmosférico. También señala que existe una clara posibilidad de que grandes aumentos en el metano en el futuro puedan conducir a un calentamiento de la superficie que aumente de manera no lineal con la concentración de metano.
Los esfuerzos de mitigación para reducir los contaminantes climáticos de vida corta, como el metano y el carbono negro, ayudarían a combatir el "cambio climático a corto plazo" y apoyarían los Objetivos de Desarrollo Sostenible . [28]
Cualquier proceso que dé como resultado la producción de metano y su liberación a la atmósfera puede considerarse una "fuente". Las fuentes conocidas de metano se encuentran predominantemente cerca de la superficie de la Tierra. [11] Dos procesos principales responsables de la producción de metano incluyen los microorganismos que convierten anaeróbicamente compuestos orgánicos en metano ( metanogénesis ), que están muy extendidos en los ecosistemas acuáticos , y los animales rumiantes . Otras fuentes naturales incluyen el derretimiento del permafrost , los humedales, las plantas y los clatratos de metano . [ cita necesaria ]
Las crecientes emisiones de metano contribuyen en gran medida a la creciente concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera de la Tierra y son responsables de hasta un tercio del calentamiento global a corto plazo . [30] [31] Durante 2019, alrededor del 60 % (360 millones de toneladas) del metano liberado a nivel mundial provino de actividades humanas, mientras que las fuentes naturales contribuyeron con alrededor del 40 % (230 millones de toneladas). [32] [33] La reducción de las emisiones de metano mediante la captura y utilización del gas puede producir beneficios ambientales y económicos simultáneos. [30] [34]
Desde la Revolución Industrial, las concentraciones de metano en la atmósfera se han más que duplicado, y alrededor del 20 por ciento del calentamiento que ha experimentado el planeta puede atribuirse al gas. [35] Aproximadamente un tercio (33%) de las emisiones antropogénicas provienen de la liberación de gas durante la extracción y entrega de combustibles fósiles ; principalmente debido a la ventilación y fugas de gas tanto de la infraestructura activa de combustibles fósiles como de los pozos huérfanos . [36] Rusia es el principal emisor de metano del mundo procedente del petróleo y el gas. [37] [38]
La ganadería es una fuente igualmente importante (30%); principalmente debido a la fermentación entérica del ganado rumiante como el ganado vacuno y ovino. Según la Evaluación Global de Metano publicada en 2021, las emisiones de metano del ganado (incluido el ganado vacuno) son las mayores fuentes de emisiones agrícolas en todo el mundo [39] Una sola vaca puede producir hasta 99 kg de gas metano al año. [40] El ganado rumiante puede producir de 250 a 500 litros de metano por día. [41]El metano se midió normalmente mediante cromatografía de gases . La cromatografía de gases es un tipo de cromatografía que se utiliza para separar o analizar compuestos químicos. Es menos costoso en general, en comparación con métodos más avanzados, pero requiere más tiempo y mano de obra. [ cita necesaria ]
Los métodos espectroscópicos fueron el método preferido para las mediciones de gases atmosféricos debido a su sensibilidad y precisión. Además, los métodos espectroscópicos son la única forma de detectar de forma remota los gases atmosféricos. La espectroscopia infrarroja cubre un amplio espectro de técnicas, una de las cuales detecta gases basándose en la espectroscopia de absorción . Existen varios métodos para los métodos espectroscópicos, incluida la espectroscopia de absorción óptica diferencial , la fluorescencia inducida por láser y la transformada infrarroja de Fourier . [ cita necesaria ]
[42]
En 2011, la espectroscopia de anillo de cavidad fue la técnica de absorción IR más utilizada para detectar metano. Es una forma de espectroscopia de absorción láser que determina la fracción molar al orden de partes por billón.
El CH 4 se mide directamente en el medio ambiente desde los años 1970. [44] [10] La concentración de metano en la atmósfera de la Tierra ha aumentado un 160% desde los niveles preindustriales de mediados del siglo XVIII. [10]
Las mediciones atmosféricas a largo plazo de metano realizadas por la NOAA muestran que la acumulación de metano casi se triplicó desde la época preindustrial desde 1750. [45] En 1991 y 1998 hubo una tasa de crecimiento repentino de metano que representó una duplicación de las tasas de crecimiento en años anteriores. [45] La erupción del Monte Pinatubo del 15 de junio de 1991 , que midió VEI -6, fue la segunda erupción terrestre más grande del siglo XX. [46] En 2007 se informó que temperaturas cálidas sin precedentes en 1998 (el año más cálido desde que se registraron registros en superficie) podrían haber inducido emisiones elevadas de metano, junto con un aumento en las emisiones de humedales y campos de arroz y en la cantidad de quema de biomasa. [47]
Los datos de 2007 sugirieron que las concentraciones de metano estaban comenzando a aumentar nuevamente. [48] Esto se confirmó en 2010 cuando un estudio mostró que los niveles de metano estaban aumentando durante los tres años 2007 a 2009. Después de una década de crecimiento casi nulo en los niveles de metano, "el metano atmosférico promedio global aumentó en [aproximadamente] 7 nmol /mol por año durante 2007 y 2008. Durante la primera mitad de 2009, el CH4 atmosférico promediado a nivel mundial fue [aproximadamente] 7 nmol/mol mayor que en 2008, lo que sugiere que el aumento continuará en 2009." [49] De 2015 a 2019 se han registrado fuertes aumentos en los niveles de metano atmosférico. [50]
En 2010, los niveles de metano en el Ártico se midieron en 1.850 nmol/mol, más del doble que en cualquier otro momento de los últimos 400.000 años. [ cita necesaria ] Según el IPCC AR5, desde 2011 las concentraciones continuaron aumentando. Después de 2014, el aumento se aceleró y en 2017 alcanzó 1.850 (partes por mil millones) ppb. [51] El promedio anual de metano (CH 4 ) fue de 1866 ppb en 2019 y los científicos informaron con "muy alta confianza" que las concentraciones de CH 4 eran más altas que en cualquier otro momento en al menos 800.000 años. [13] El mayor aumento anual se produjo en 2021, con concentraciones actuales que alcanzaron un récord del 260 % con respecto a la época preindustrial, y un porcentaje abrumador causado por la actividad humana. [10]
En 2013, los científicos del IPCC dijeron con "muy alta confianza" que las concentraciones de metano CH 4 atmosférico "excedían los niveles preindustriales en aproximadamente un 150%, lo que representaba "niveles sin precedentes en al menos los últimos 800.000 años". [ 13] [52 ] La concentración promedio mundial de metano en la atmósfera de la Tierra aumentó aproximadamente un 150% de 722 ± 25 ppb en 1750 a 1803,1 ± 0,6 ppb en 2011. [53] [54] A partir de 2016, el metano contribuyó a un forzamiento radiativo de 0,62 ± 14% Wm −2 , [12] o alrededor del 20% del forzamiento radiativo total de todos los gases de efecto invernadero de larga duración y mezclados globalmente. [9] La concentración de metano atmosférico ha seguido aumentando desde 2011 hasta una concentración global promedio de 1911,8 ± 0,6 ppb a partir de 2022. [15] El pico de mayo de 2021 fue de 1891,6 ppb, mientras que el pico de abril de 2022 fue de 1909,4 ppb, un aumento del 0,9 % [54]
El consorcio Global Carbon Project produce el Presupuesto Global de Metano. Trabajando con más de cincuenta instituciones de investigación internacionales y 100 estaciones en todo el mundo, actualiza el presupuesto de metano cada pocos años. [55]
En 2013, aún no se entendía completamente el equilibrio entre las fuentes y los sumideros de metano. Los científicos no pudieron explicar por qué la concentración atmosférica de metano había dejado de aumentar temporalmente. [56]
La atención prestada al papel del metano en el cambio climático antropogénico se ha vuelto más relevante desde mediados de la década de 2010. [57]
La cantidad de metano en la atmósfera es el resultado de un equilibrio entre la producción de metano en la superficie terrestre (su fuente) y la destrucción o eliminación de metano, principalmente en la atmósfera (su sumidero), en un proceso químico atmosférico . [58]
Otro sumidero natural importante es la oxidación provocada por bacterias metanotróficas o consumidoras de metano en los suelos de la Tierra.
Estas simulaciones de modelos informáticos de la NASA de 2005, calculadas en base a los datos disponibles en ese momento, ilustran cómo se destruye el metano a medida que asciende.
A medida que el aire se eleva en los trópicos, el metano es transportado hacia arriba a través de la troposfera (la porción más baja de la atmósfera de la Tierra, que se encuentra entre 4 millas (6,4 km) y 12 millas (19 km) de la superficie de la Tierra, hacia la estratosfera inferior (la capa de ozono). y luego la porción superior de la estratosfera. [58]
Este proceso químico atmosférico es el sumidero de metano más eficaz, ya que elimina el 90% del metano atmosférico. [56] Esta destrucción global del metano atmosférico se produce principalmente en la troposfera. [56]
Las moléculas de metano reaccionan con los radicales hidroxilo (OH), el "principal eliminador químico de la troposfera" que "controla la vida atmosférica de la mayoría de los gases en la troposfera". [59] A través de este proceso de oxidación del CH 4 , se destruye el metano atmosférico y se produce vapor de agua y dióxido de carbono.
Si bien esto disminuye la concentración de metano en la atmósfera, también aumenta el forzamiento radiativo porque tanto el vapor de agua como el dióxido de carbono son factores de GEI más poderosos en términos de afectar el calentamiento de la Tierra.
Este vapor de agua adicional en la estratosfera causado por la oxidación del CH 4 añade aproximadamente un 15% al efecto de forzamiento radiativo del metano. [60] [6]
En la década de 1980, el problema del calentamiento global se había transformado con la inclusión del metano y otros gases traza distintos del CO 2 (CFC, N 2 O y O 3 ) en el calentamiento global, en lugar de centrarse principalmente en el dióxido de carbono. [61] [62] Tanto las nubes de agua como las de hielo, cuando se forman a temperaturas estratosféricas bajas y frías, tienen un impacto significativo al aumentar el efecto invernadero atmosférico. Grandes aumentos en el metano en el futuro podrían conducir a un calentamiento de la superficie que aumente de manera no lineal con la concentración de metano. [61] [62]
El metano también afecta la degradación de la capa de ozono , la capa más baja de la estratosfera, situada entre 15 y 35 kilómetros (9 a 22 millas) sobre la Tierra, justo por encima de la troposfera. [63] Investigadores de la NASA en 2001 habían dicho que este proceso se vio reforzado por el calentamiento global, porque el aire más cálido contiene más vapor de agua que el aire más frío, por lo que la cantidad de vapor de agua en la atmósfera aumenta a medida que se calienta por el efecto invernadero. Sus modelos climáticos, basados en datos disponibles en ese momento, indicaban que el dióxido de carbono y el metano mejoraban el transporte de agua hacia la estratosfera. [64]
El metano atmosférico podría durar unos 120 años en la estratosfera hasta que finalmente sea destruido mediante el proceso de oxidación de radicales hidroxilo. [sesenta y cinco]
En 2001, la vida media del metano en la atmósfera se estimaba en 9,6 años. Sin embargo, el aumento de las emisiones de metano con el tiempo redujo la concentración del radical hidroxilo en la atmósfera. [66] Con menos OH˚ para reaccionar, la vida útil del metano también podría aumentar, lo que resultaría en mayores concentraciones de metano atmosférico. [67]
En 2013, se estimaba que la vida media del metano en la atmósfera era de doce años. [28] [68]
La reacción de los átomos de metano y cloro actúa como un sumidero primario de átomos de Cl y es una fuente primaria de ácido clorhídrico (HCl) en la estratosfera. [69]
CH4 + Cl → CH3 + HCl
El HCl producido en esta reacción provoca la destrucción catalítica del ozono en la estratosfera. [sesenta y cinco]
Los suelos actúan como un importante sumidero de metano atmosférico a través de las bacterias metanotróficas que residen en ellos. Esto ocurre con dos tipos diferentes de bacterias. Las bacterias metanotróficas de "alta capacidad y baja afinidad" crecen en áreas de alta concentración de metano, como suelos anegados en humedales y otros ambientes húmedos. Y en áreas de baja concentración de metano, las bacterias metanotróficas de "baja capacidad y alta afinidad" utilizan el metano de la atmósfera para crecer, en lugar de depender del metano en su entorno inmediato. [70]
Los suelos forestales actúan como buenos sumideros de metano atmosférico porque están óptimamente húmedos para la actividad metanótrofa y el movimiento de gases entre el suelo y la atmósfera (difusividad del suelo) es alto. [70] Con un nivel freático más bajo, cualquier metano en el suelo tiene que pasar las bacterias metanotróficas antes de que pueda llegar a la atmósfera.
Sin embargo, los suelos de los humedales suelen ser fuentes de metano atmosférico en lugar de sumideros porque el nivel freático es mucho más alto y el metano puede difundirse con bastante facilidad en el aire sin tener que competir con los metanótrofos del suelo.
Bacterias metanotróficas en los suelos : las bacterias metanotróficas que residen en el suelo utilizan el metano como fuente de carbono en la oxidación del metano. [70] La oxidación del metano permite que las bacterias metanotróficas utilicen el metano como fuente de energía, haciendo reaccionar el metano con oxígeno y, como resultado, produciendo dióxido de carbono y agua.
La eliminación de metano atmosférico es una categoría de enfoques potenciales que se están investigando para acelerar la descomposición del metano una vez en la atmósfera para mitigar algunos de los impactos del cambio climático . [71]
Los diferentes métodos para eliminar el metano de la atmósfera incluyen la oxidación termocatalítica, la oxidación fotocatalítica, la eliminación biológica metanotrófica del metano, la concentración con zeolitas u otros sólidos porosos y la separación por membranas. [72]
De 1996 a 2004, los investigadores del Proyecto Europeo para la extracción de núcleos de hielo en la Antártida (EPICA) pudieron perforar y analizar los gases atrapados en los núcleos de hielo de la Antártida para reconstruir las concentraciones de GEI en la atmósfera durante los últimos 800.000 años". [73] Descubrieron que antes de hace aproximadamente 900.000 años, el ciclo de edades de hielo seguido de períodos cálidos relativamente cortos duraba unos 40.000 años, pero hace 800.000 años el intervalo de tiempo cambió drásticamente a ciclos que duraban 100.000 años.[73] Había valores bajos de GEI en las eras glaciales y valores elevados durante los períodos cálidos [73]
Esta ilustración anterior de la EPA de 2016 es una recopilación de paleoclimatología que muestra concentraciones de metano a lo largo del tiempo según el análisis de burbujas de gas de [74] EPICA Dome C , Antártida, aproximadamente del 797 446 a. C. a 1937 d. C., [75] Law Dome , Antártida, aproximadamente del 1008 a. C. 1980 CE [76] Cape Grim , Australia: 1985 CE a 2015 CE [77] Mauna Loa , Hawái: 1984 CE a 2015 CE [78] e Islas Shetland , Escocia: 1993 CE a 2001 CE [79]
La liberación masiva y rápida de grandes volúmenes de gas metano desde dichos sedimentos a la atmósfera se ha sugerido como una posible causa de rápidos eventos de calentamiento global en el pasado distante de la Tierra, como el Máximo Térmico Paleoceno-Eoceno , [81] y el Gran Muriendo . [82]
En 2001, científicos del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA y del Centro de Investigación de Sistemas Climáticos de la Universidad de Columbia confirmaron que otros gases de efecto invernadero, aparte del dióxido de carbono, eran factores importantes en el cambio climático en una investigación presentada en la reunión anual de la Unión Geofísica Americana (AGU). . [83] Ofrecieron una teoría sobre el máximo térmico del Paleoceno-Eoceno de 100.000 años de duración que ocurrió hace aproximadamente 55 millones de años. Postularon que hubo una gran liberación de metano que previamente se había mantenido estable a través de "temperaturas frías y alta presión... debajo del fondo del océano". Esta liberación de metano a la atmósfera provocó el calentamiento de la Tierra. Un artículo de 2009 en Science confirmó una investigación de la NASA que anteriormente había sido subestimada la contribución del metano al calentamiento global. [84] [85]
Al principio de la historia de la Tierra, el dióxido de carbono y el metano probablemente produjeron un efecto invernadero . El dióxido de carbono habría sido producido por los volcanes y el metano por los primeros microbios. Durante este tiempo apareció la vida más temprana en la Tierra. [86] Según un artículo de 2003 en la revista Geology , estas primeras bacterias antiguas aumentaron la concentración de metano al convertir hidrógeno y dióxido de carbono en metano y agua. El oxígeno no se convirtió en una parte importante de la atmósfera hasta que los organismos fotosintéticos evolucionaron más adelante en la historia de la Tierra. Sin oxígeno, el metano permaneció en la atmósfera por más tiempo y en concentraciones más altas que en la actualidad. [87]
{{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda ) Consulte la Tabla 8.7.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Rusia es la principal fuente mundial de emisiones de metano procedentes de la industria del petróleo y el gas.
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )CS1 maint: location missing publisher (link){{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)