Un efecto invernadero descontrolado se produce cuando la atmósfera de un planeta contiene gases de efecto invernadero en una cantidad suficiente para bloquear la radiación térmica que sale del planeta, impidiendo que el planeta se enfríe y tenga agua líquida en su superficie. Una versión descontrolada 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 en la atmósfera, lo que aumenta su profundidad óptica . [1] Esta retroalimentación positiva significa que el planeta no puede enfriarse a través de la 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 descontrolado se suele formular con vapor de agua como especie condensable. El vapor de agua llega a la estratosfera y escapa al espacio a través de un escape hidrodinámico , lo que da como resultado un planeta desecado. [3] Esto probablemente sucedió en la historia temprana de Venus .
Una investigación realizada en 2012 concluyó que casi todas las líneas de evidencia indican que es poco probable que se pueda provocar un efecto invernadero descontrolado total en la Tierra añadiendo gases de efecto invernadero a la atmósfera . [4] Sin embargo, los autores advirtieron que "nuestra comprensión de la dinámica, la termodinámica, la transferencia radiativa y la física de las nubes de atmósferas cálidas y húmedas es débil", y que "por lo tanto no podemos descartar por completo 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]
Parece que no hay prácticamente ninguna posibilidad de que un efecto invernadero descontrolado como el de Venus sea causado por la acción de las personas. [5] Un artículo de 2013 concluía que el efecto invernadero descontrolado "podría, en teoría, ser provocado por un aumento del forzamiento de invernadero", pero que "las emisiones antropogénicas son probablemente 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 aumente su brillo en algunas decenas de puntos porcentuales, lo que tardará 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 aumenta la luminosidad solar". [4]
Aunque 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 relevante para el, posteriormente denominado, efecto invernadero desbocado fue explorada por Makoto Komabayashi en la Universidad de Nagoya . [11] Suponiendo una estratosfera saturada de vapor de agua, Komabayashi e Ingersoll calcularon de forma independiente el límite de la radiación infrarroja saliente que define el estado de invernadero desbocado. El límite ahora se conoce como el límite Komabayashi-Ingersoll para reconocer sus contribuciones. [3]
Un efecto invernadero descontrolado ocurre 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 escape del calor irradiado al espacio, aumentando así en gran medida la temperatura del planeta. [12]
El efecto invernadero desbocado se formula a menudo 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 invernadero desbocado se calcula como el estado de equilibrio en el que el agua no puede existir en forma líquida. [3] El vapor de agua se pierde entonces en el espacio a través del escape hidrodinámico . [4] En el equilibrio radiativo, la radiación de onda larga saliente (OLR) de un planeta debe equilibrar el flujo estelar entrante.
La ley de Stefan-Boltzmann es un ejemplo de una retroalimentación negativa que estabiliza el sistema climático de un planeta. Si la Tierra recibiera más luz solar, se produciría un desequilibrio temporal (más energía entrante que saliente) y se produciría un calentamiento. Sin embargo, debido a que la respuesta de Stefan-Boltzmann exige que este planeta más caliente emita más energía, con el tiempo se puede alcanzar un nuevo equilibrio de radiación y la temperatura se mantendrá en su nuevo valor más alto. [2] Las retroalimentaciones 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 descontrolado, en la Tierra. [13] Los efectos de retroalimentación positiva son comunes (por ejemplo, la retroalimentación del albedo del hielo ), pero los efectos descontrolados no surgen necesariamente de su presencia. Aunque el agua desempeña un papel importante en el proceso, el efecto invernadero descontrolado no es resultado de la retroalimentación del vapor de agua . [4]
El efecto invernadero desbocado puede verse como un límite en la radiación de onda larga saliente de un planeta que, cuando se sobrepasa, da como resultado un estado donde 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 efectivo y bloquea la radiación infrarroja adicional a medida que se acumula en la atmósfera. [14] Suponiendo un equilibrio radiativo, los límites de invernadero desbocado en la radiación de onda larga saliente corresponden a los límites en el aumento del flujo estelar recibido por un planeta para desencadenar el efecto invernadero desbocado. [15] 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 de Komabayashi-Ingersoll [9] [11] y el límite de Simpson-Nakajima. [16] [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, se puede utilizar la aproximación de Eddington 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 vapor de saturación . 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 la cantidad de vapor de agua presente en la tropopausa. [3] Si se toma la radiación de onda larga saliente como un parámetro libre, estas ecuaciones se intersectarán solo una vez para un solo 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]
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 invernadero descontrolado. [4] Por ejemplo, dados los parámetros utilizados para determinar un límite de Komabayashi-Ingersoll de 385 W/m 2 , el límite de Simpson-Nakajima correspondiente es de solo unos 293 W/m 2 . [3] [13] El límite de Simpson-Nakajima se basa en la derivación del límite de Komabayashi-Ingersoll al suponer una troposfera convectiva con una temperatura y una presión superficiales que determinan la profundidad óptica y la radiación de onda larga saliente en la tropopausa. [3] [13]
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 como una 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 da como resultado una alta relación 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, aún tiene efectos dramáticos en el clima de un planeta. Una alta relación 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 pérdida dramática de agua a través del escape hidrodinámico. [2] [4] Este estado climático se ha 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]
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 albergar agua líquida. [17] Según esta definición, el borde interior de la zona habitable (es decir, el punto más cercano a una estrella en el que puede estar un planeta hasta que ya no pueda albergar agua líquida) está determinado por el límite de radiación de onda larga saliente más allá del cual se produce el proceso de invernadero descontrolado (por ejemplo, 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 vuelta al espacio. [2] Aunque la zona habitable interior se determina normalmente utilizando el límite de Simpson-Nakajima, también se puede determinar con respecto al límite de invernadero húmedo, [15] aunque la diferencia entre los dos suele ser pequeña. [18]
El cálculo del borde interior de la zona habitable depende en gran medida del modelo utilizado para calcular el límite Simpson-Nakajima o límite de 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 para el agua de la base de datos HITRAN , mientras que los modelos más nuevos [19] utilizan la base de datos HITEMP, más actual y precisa, que ha dado lugar a diferentes valores calculados de límites de radiación térmica. Se han realizado cálculos más precisos utilizando modelos climáticos tridimensionales [20] que tienen en cuenta efectos como la rotación planetaria y las proporciones de mezcla de agua local, así como las retroalimentaciones de las nubes. [21] El efecto de las nubes en el cálculo de los límites de radiación térmica aún está en debate (en concreto, si las nubes de agua presentan o no un efecto de retroalimentación positivo o negativo). [2]
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Es probable que en Venus se produjera un efecto invernadero descontrolado que involucraba dióxido de carbono y vapor de agua . [22] En este escenario, Venus primitivo podría haber tenido un océano global si la radiación térmica saliente estaba por debajo del límite de Simpson-Nakajima pero por encima del límite de invernadero húmedo. [2] A medida que el brillo del Sol primitivo aumentaba, la cantidad de vapor de agua en la atmósfera aumentaba, lo que aumentaba la temperatura y, en consecuencia, 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 hay tan poco vapor de agua en la atmósfera de Venus hoy en día. Si Venus se formó inicialmente con agua, el efecto invernadero descontrolado habría hidratado la estratosfera de Venus, [13] y el agua habría escapado al espacio. [9] Algunas pruebas de este escenario provienen 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. [23] [24]
Venus recibe una fuerte calefacción solar que permite que el vapor de agua se eleve mucho más alto en la atmósfera y se descomponga en hidrógeno y oxígeno por la acción de la luz ultravioleta. El hidrógeno puede entonces escapar de la atmósfera mientras que 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 descontrolado explica por qué Venus no presenta características superficiales consistentes con la tectónica de placas, [25] lo que significa que sería un planeta con tapa estancada . [26]
El dióxido de carbono, el gas de efecto invernadero dominante en la atmósfera venusiana actual, 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 , [27] que requiere precipitación para funcionar. [28]
Las primeras investigaciones sobre el efecto de los niveles de dióxido de carbono atmosférico en el límite de invernadero desbocado descubrieron que se necesitarían órdenes de magnitud mayores de cantidades de dióxido de carbono para llevar a la Tierra a un estado de invernadero desbocado. [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 de Simpson-Nakajima. [13] [4] [5] [7]
Sin embargo, sigue habiendo debate sobre si el dióxido de carbono puede empujar las temperaturas de la superficie hacia el límite de invernadero húmedo. [29] [30] El científico del clima John Houghton escribió en 2005 que "[no] hay posibilidad de que las condiciones de invernadero descontroladas [de Venus] ocurran en la Tierra". [31] Sin embargo, el climatólogo James Hansen afirmó en Storms of My Grandchildren (2009) que la quema de carbón y la minería de arenas petrolíferas darán como resultado un efecto invernadero descontrolado en la Tierra. [32] 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 CO2 que podríamos liberar quemando todo el petróleo, carbón y gas natural en la corteza terrestre. [29]
Al igual que con las incertidumbres en el cálculo del borde interior de la zona habitable, la incertidumbre sobre si el CO2 puede impulsar un efecto invernadero húmedo se debe a las diferencias en las opciones de modelado y las incertidumbres que conllevan. [4] [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 invernadero descontrolados anteriores eran demasiado altos, pero la cantidad necesaria de dióxido de carbono haría improbable un estado de invernadero húmedo antropogénico. [33] Los modelos tridimensionales completos han demostrado que el límite de invernadero húmedo en la temperatura de la superficie es más alto 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. [20]
Otras complicaciones incluyen si la atmósfera está saturada o subsaturada con cierta humedad, [20] niveles más altos de CO2 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 el sistema climático. [21] [20]
Para complicar el asunto, la investigación sobre la historia climática de la Tierra a menudo ha utilizado el término "efecto invernadero descontrolado" 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, en cambio, han representado equilibrios climáticos diferentes de los que se observan en la Tierra hoy. [2] Por ejemplo, se ha planteado la hipótesis de que grandes liberaciones de gases de efecto invernadero pueden haber ocurrido simultáneamente con el evento de extinción del Pérmico-Triásico [34] [35] 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 un 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 el vapor de agua y el metano ) eran altos y las temperaturas superficiales del mar (TSM) oscilaban entre 40 °C (104 °F) en los trópicos y 16 °C (65 °F) en las regiones polares . [36]
La mayoría de los científicos creen que, a largo plazo, es inevitable que se produzca un efecto invernadero descontrolado, ya que el Sol se volverá cada vez más luminoso a medida que envejece, lo que supondrá el fin de toda vida en la Tierra. Cuando el Sol se vuelva un 10 % más brillante dentro de unos mil millones de años, la temperatura superficial de la Tierra alcanzará los 47 °C (117 °F) (a menos que el albedo aumente lo suficiente), lo que provocará un rápido aumento de la temperatura de la Tierra y la evaporación de sus océanos hasta que se convierta en un planeta de invernadero, similar a Venus en la actualidad.
La tasa actual de pérdida es de aproximadamente un milímetro de océano por millón de años. [37] Esto se debe a que la capa superior más fría de la troposfera actúa como una trampa de frío que actualmente impide que la Tierra pierda permanentemente su agua al espacio en la actualidad, incluso con el calentamiento global provocado por el hombre (esta es también la razón por la que el cambio climático solo empeorará 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 asegura que la atmósfera actual seguirá siendo demasiado fría para permitir que el vapor de agua se pierda rápidamente en el espacio). Esto se ve eclipsado por los cambios a corto plazo en el nivel del mar, como el nivel del mar en aumento actualmente debido al derretimiento de los glaciares y el hielo polar. Sin embargo, la tasa se está acelerando gradualmente, a medida que el sol se calienta, quizás tan rápido como un milímetro cada 1000 años, al hacer que la atmósfera sea tan caliente que la trampa de frío se empuje aún más alto hasta que finalmente no pueda evitar que el agua se pierda en el espacio. [37]
Ward y Brownlee predicen que habrá dos variantes 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, de modo que la Tierra comienza a experimentar un calentamiento rápido, que podría hacer que su temperatura superficial supere los 900 °C (1.650 °F), lo que provocaría que toda su superficie se derritiera y matara toda la vida, tal vez dentro de unos tres mil millones de años. En ambos casos, el invernadero húmedo y el desbocado establecen 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 dispersos cerca de los polos, así como en enormes salinas alrededor de lo que una vez fue el fondo del océano, muy parecido al desierto de Atacama en Chile o la cuenca Badwater en el Valle de la Muerte. Los pequeños reservorios de agua pueden permitir que la vida permanezca durante unos pocos miles de millones de años más.
A medida que el Sol se hace más brillante, los niveles de CO2 deberían disminuir debido a un aumento de la actividad en el ciclo de carbono-silicato correspondiente al aumento de la temperatura. Eso mitigaría parte del calentamiento que experimentaría la Tierra debido al aumento del brillo del Sol. [2] Sin embargo, con el tiempo, a medida que el agua se escape, el ciclo del carbono cesará, ya que la tectónica de placas se detendrá debido a la necesidad de agua como lubricante para la actividad tectónica. [26]
Es posible que Marte haya experimentado lo opuesto a un efecto invernadero descontrolado: un efecto refrigerador descontrolado . A través de este efecto, un proceso de retroalimentación descontrolado puede haber eliminado gran parte del dióxido de carbono y vapor de agua de la atmósfera y haber enfriado el planeta. El agua se condensa en la superficie, lo que hace que el dióxido de carbono se disuelva y se una químicamente a los minerales. Esto redujo el efecto invernadero, bajó la temperatura y provocó que se condensara más agua. El resultado fueron temperaturas más bajas, con agua congelada en forma de permafrost subterráneo, dejando solo una atmósfera delgada. [38] [39]
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