Gases de efecto invernadero, albedo y ciclos de retroalimentación
Imagina que subes a un carro estacionado al sol en Phoenix en julio, con todas las ventanas cerradas. Adentro hace mucho más calor que afuera. La luz entra con facilidad, pero el calor no sale tan fácil. ¿Funciona así la atmósfera de la Tierra? ¿Y por qué la Tierra se calienta más rápido cuando se derrite el hielo? Lo vamos a resolver en esta página.
Gases de efecto invernadero
La Tierra recibe luz solar, en su mayoría visible. La superficie la absorbe, se calienta y devuelve la energía hacia el espacio como radiación infrarroja (calor). Los gases de efecto invernadero (GEI) son gases de la atmósfera que absorben parte de esa radiación infrarroja y la vuelven a emitir en todas direcciones, incluida hacia el suelo. Así la superficie recibe energía extra y se mantiene más cálida.
Los GEI principales son:
| Gas | Fuente natural | Fuente humana |
|---|---|---|
| Dióxido de carbono (CO$_2$) | Respiración, volcanes, incendios forestales | Quemar gasolina, carbón y gas natural |
| Metano (CH$_4$) | Humedales, descomposición | Ganadería, fugas de gas natural, vertederos |
| Óxido nitroso (N$_2$O) | Suelos y océanos | Fertilizantes agrícolas |
| Vapor de agua (H$_2$O) | Evaporación de océanos y lagos | Muy poca directa; aumenta porque el aire cálido retiene más |
El efecto invernadero natural es necesario: sin él, la Tierra promedio sería de unos $-18\,^\circ\text{C}$ y no habría océanos líquidos. El problema es el aumento causado por humanos. Los datos del Observatorio de Mauna Loa (NOAA), en Hawái, muestran que el CO$_2$ subió de unos 280 ppm hacia 1850 a unos 420 ppm hoy.
Nombra tres gases de efecto invernadero. Para cada uno, da una fuente natural o una fuente humana.
Nombra tres gases de efecto invernadero. Para cada uno, da una fuente natural o una fuente humana.
Cuánto vale el efecto invernadero
Podemos calcular cuánta energía absorbe la Tierra y compararla con la temperatura real. La constante solar es $S = 1{,}361\ \text{W/m}^2$ sobre una superficie que mira al Sol. Como la Tierra es una esfera que gira, el promedio global es $S/4$ (el área de un círculo es la cuarta parte del área de una esfera del mismo radio).
Sin GEI la temperatura sería $-18\,^\circ\text{C}$; la real es $15\,^\circ\text{C}$. La diferencia es $15 - (-18) = 33\,^\circ\text{C}$ de calentamiento por el efecto invernadero natural.
La energía solar promedio que llega al tope de la atmósfera (constante solar) es $1{,}361\ \text{W/m}^2$ sobre una superficie que mira al Sol. Como la Tierra es una…
La energía solar promedio que llega al tope de la atmósfera (constante solar) es $1{,}361\ \text{W/m}^2$ sobre una superficie que mira al Sol. Como la Tierra es una esfera, el promedio sobre todo el planeta es la cuarta parte de ese valor. El albedo de la Tierra es 0.30.
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Calcula la energía solar promedio absorbida por metro cuadrado, $\frac{S(1-\alpha)}{4}$.
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Sin ningún efecto invernadero, la temperatura superficial promedio de la Tierra sería de unos $-18\,^\circ\text{C}$. El promedio real es de unos $15\,^\circ\text{C}$. Calcula la diferencia.
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Explica cómo los gases de efecto invernadero causan esta diferencia.
Albedo
El albedo ($\alpha$) es la fracción de la luz solar que una superficie refleja. Va de 0 (absorbe todo) a 1 (refleja todo). La energía absorbida por metro cuadrado es:
$$E_{\text{abs}} = E_{\text{incidente}} \times (1 - \alpha)$$| Superficie | Albedo |
|---|---|
| Nieve fresca | 0.85 |
| Arena del desierto | 0.40 |
| Bosque | 0.15 |
| Océano abierto | 0.06 |
Una superficie clara refleja mucho y se calienta poco; una oscura absorbe mucho. Por eso una camiseta negra se siente más caliente que una blanca. El albedo promedio de la Tierra es de unos 0.30.
Define el albedo. ¿Qué superficie tiene mayor albedo: la nieve fresca o el océano abierto? Explica qué implica esto sobre cuánta luz solar absorbe cada superficie.
Define el albedo. ¿Qué superficie tiene mayor albedo: la nieve fresca o el océano abierto? Explica qué implica esto sobre cuánta luz solar absorbe cada superficie.
Valores de albedo de varias superficies: | Superficie | Albedo | |---|---| | Nieve fresca | 0.85 | | Arena del desierto | 0.40 | | Bosque | 0.15 | | Océano abierto |…
Valores de albedo de varias superficies:
| Superficie | Albedo |
|---|---|
| Nieve fresca | 0.85 |
| Arena del desierto | 0.40 |
| Bosque | 0.15 |
| Océano abierto | 0.06 |
La luz solar llega a cada superficie a $1{,}000\ \text{W/m}^2$.
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Calcula la energía absorbida por metro cuadrado por la nieve fresca y por el océano abierto.
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Calcula cuánta más energía absorbe un metro cuadrado cuando el hielo marino (supón albedo 0.85) se derrite y se convierte en océano abierto.
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Explica qué significa esto para el calentamiento del Ártico.
Ciclos de Milankovitch
Durante cientos de miles de años, el clima ha alternado entre épocas glaciales y cálidas. Una causa son tres cambios lentos y regulares en la órbita y la orientación de la Tierra, llamados ciclos de Milankovitch:
| Ciclo | Qué cambia | Periodo aproximado |
|---|---|---|
| Excentricidad | La forma de la órbita (más circular o más ovalada) | 100,000 años |
| Inclinación del eje (oblicuidad) | El ángulo del eje, entre $22.1^\circ$ y $24.5^\circ$ | 41,000 años |
| Precesión | El "bamboleo" del eje, que cambia en qué punto de la órbita ocurre cada estación | 23,000 años |
Estos ciclos casi no cambian la energía solar total anual. Lo que cambian es cómo se reparte entre latitudes y estaciones. Con mayor inclinación, los veranos en latitudes altas son más cálidos y los inviernos más fríos. Veranos frescos permiten que la nieve del invierno no se derrita y las capas de hielo crezcan.
Pero el cambio en la energía solar es pequeño. Por sí solo no explica las grandes diferencias entre épocas glaciales y cálidas. Entran en juego las retroalimentaciones: al crecer el hielo sube el albedo, y los océanos liberan o absorben CO$_2$, lo que amplifica el cambio inicial.
Además, el aumento actual del CO$_2$ ocurrió en unos 175 años, mientras que los ciclos de Milankovitch actúan en decenas de miles de años. No pueden explicar un cambio tan rápido.
Nombra los tres ciclos de Milankovitch. Para cada uno, indica qué parte de la órbita o de la orientación de la Tierra cambia (usa excentricidad, inclinación del eje y…
Nombra los tres ciclos de Milankovitch. Para cada uno, indica qué parte de la órbita o de la orientación de la Tierra cambia (usa excentricidad, inclinación del eje y precesión).
La inclinación del eje de la Tierra (oblicuidad) varía entre unos $22.1^\circ$ y $24.5^\circ$ con un periodo de unos 41,000 años. Desde aproximadamente 1850, el CO$2$…
La inclinación del eje de la Tierra (oblicuidad) varía entre unos $22.1^\circ$ y $24.5^\circ$ con un periodo de unos 41,000 años. Desde aproximadamente 1850, el CO$_2$ atmosférico ha subido de unos 280 ppm a unos 420 ppm, en unos 175 años.
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Calcula el aumento porcentual del CO$_2$.
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Explica cómo una mayor inclinación cambia el contraste entre verano e invierno en latitudes altas y cómo esto podría influir en el crecimiento o el derretimiento de las capas de hielo.
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Explica por qué un pequeño cambio en la energía solar causado por los ciclos orbitales no basta por sí solo para explicar la magnitud de los ciclos de las eras glaciales, e identifica al menos dos ciclos de retroalimentación que lo amplifican.
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Compara la escala de tiempo de los ciclos de Milankovitch con la del aumento reciente del CO$_2$ e indica qué implica esta comparación sobre la causa del calentamiento actual.
Ciclos de retroalimentación
Una retroalimentación (feedback) ocurre cuando un cambio provoca efectos que a su vez modifican el cambio original.
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Positiva (amplificadora): refuerza el cambio inicial.
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Negativa (estabilizadora): lo contrarresta.
"Positiva" no significa "buena": significa que amplifica.
Ejemplos importantes:
| Retroalimentación | Tipo |
|---|---|
| Hielo-albedo: el hielo se derrite, baja el albedo, hay más calentamiento | Positiva |
| Vapor de agua: aire cálido retiene más vapor, más calentamiento | Positiva |
| Permafrost: se descongela, libera metano y CO$_2$, más calentamiento | Positiva |
| Plantas: más CO$_2$ favorece el crecimiento vegetal, que retira CO$_2$ | Negativa |
Clasifica cada uno de los siguientes casos como retroalimentación positiva (amplificadora) o negativa (estabilizadora) y justifica cada respuesta: 1. El calentamiento…
Clasifica cada uno de los siguientes casos como retroalimentación positiva (amplificadora) o negativa (estabilizadora) y justifica cada respuesta:
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El calentamiento derrite el hielo marino del Ártico, lo que reduce el albedo, lo que causa más calentamiento.
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El aire más cálido retiene más vapor de agua, un gas de efecto invernadero, lo que causa más calentamiento.
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Más CO$_2$ atmosférico aumenta el crecimiento de las plantas, que retiran más CO$_2$ del aire.
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El calentamiento descongela el permafrost, lo que libera metano, lo que causa más calentamiento.
Modelar el efecto invernadero en el salón
En clase se puede modelar con dos botellas transparentes bajo una lámpara: una con aire (control) y otra con CO$_2$ adicional (vinagre y bicarbonato). Se mide el cambio de temperatura de cada una. El control permite saber que la diferencia se debe al CO$_2$.
Los límites del modelo: una botella cerrada también retiene calor por impedir la convección (como el carro al sol), el CO$_2$ de la reacción puede estar más tibio o húmedo, y la atmósfera real es enorme y tiene océanos y nubes. Sirve para ilustrar la idea, no para medir el clima real.
Una clase modela el efecto invernadero con dos botellas transparentes idénticas bajo una lámpara. La botella A contiene aire. La botella B contiene aire con CO$2$…
Una clase modela el efecto invernadero con dos botellas transparentes idénticas bajo una lámpara. La botella A contiene aire. La botella B contiene aire con CO$_2$ adicional producido al mezclar vinagre y bicarbonato en un recipiente aparte y pasar el gas a la botella. Se lee un termómetro en cada botella antes de encender la lámpara y después de 20 minutos.
| Botella | Inicio ($^\circ$C) | Después de 20 min ($^\circ$C) |
|---|---|---|
| A (aire) | 24.1 | 26.0 |
| B (CO$_2$ adicional) | 24.0 | 28.2 |
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Calcula el cambio de temperatura en cada botella y la diferencia entre ellos.
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Usa el modelo para explicar cómo los gases de efecto invernadero atrapan energía térmica.
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Identifica al menos dos maneras en que el modelo difiere de la atmósfera real de la Tierra.
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Sugiere un cambio que haría el experimento más confiable.
Vuelve al principio: la atmósfera funciona como el carro cerrado en el sentido de que deja entrar la luz y frena la salida del calor. Y el hielo que se derrite acelera el calentamiento porque el océano oscuro absorbe mucho más que el hielo blanco.