La atmósfera, el calentamiento global y el cambio climático

La atmósfera.

Aparte de proporcionar el oxígeno que nos permite respirar, la atmósfera es la reguladora de la temperatura en su superficie. El oxígeno, el nitrógeno y un poco de dióxido de carbono (CO2), son los gases que la forman. Cuando era estudiante de bachillerato, a finales de los años 60, nuestro libro de ciencias naturales decía que la cantidad de CO2 en la atmósfera era de 320 ppm. Es decir 320 moléculas de cada millón de moléculas de aire. Una pequeña cantidad pero con un papel fundamental. 

Jhon Tyndall, científico británico, fue el primero en proponer, allá por el año 1850, una explicación de ese papel fundamental que juega en la atmósfera el dióxido de carbono. Tyndall midió con el primer espectrofotómetro, fabricado por él, las propiedades de absorción de la radiación por los gases del aire. Y descubrió que todos ellos dejaban pasar a su través la luz visible, la que impresiona nuestra retina, y por eso la atmósfera es transparente. Pero con la radiación  infrarroja el comportamiento era diferente: el oxígeno y nitrógeno eran transparentes pero no el CO2, que la absorbía en parte. La radiación infrarroja es la emitida por los cuerpos calientes como un radiador o nosotros mismos. No impresiona la retina, y por eso no vemos los objetos en una habitación a oscuras, pero si es absorbida por la piel. Y por eso localizamos focos de calor aunque no los veamos.

La superficie de la tierra tiene una temperatura media fruto del equilibrio que se alcanza entre la energía radiante que absorbe procedente del sol, unos 230 w/m^2, y la que pierde emitiéndola al espacio y que ha de ser la misma. Las leyes de la física permiten calcular de forma sencilla el valor teórico de esa temperatura y está en torno a los 0º C. Sin embargo, la temperatura media de la superficie de la tierra es de unos saludables 15 °C. ¡Gracias al CO2¡ La inmensa mayoría de la energía que recibe la tierra lo hace en forma de radiación visible que pasa a través de la atmósfera. Pero la superficie de la tierra calentada por el sol emite radiación infrarroja que el CO2 absorbe y no deja escapar al espacio. Como consecuencia, para alcanzar el equilibrio emitiendo los 230 w/m^2 que absorbe, la tierra ha de calentarse un poco más. Son esos 15 grados que hacen que la mayoría de la superficie de la tierra sea  habitable y no un gran témpano de hielo, ni tampoco un horno. 

Efecto invernadero. 

Materiales  como el plástico o el vidrio tienen propiedades parecidas al CO2. Por eso dentro del coche hace calor cuando le da el sol y las pareces de un invernadero son de plástico transparente. En el interior del coche o del invernadero la luz del sol calienta los objetos y estos emiten radiación infrarroja que ni el plástico ni el vidrio dejan salir. El recinto se calienta para alcanzar el equilibrio térmico y tal efecto se llama efecto invernadero. Podemos imaginar la atmósfera, con su CO2, como si la tierra estuviera rodeada de un plástico con agujeros. La cantidad de CO2 estará relacionada con el número y tamaño de los agujeros. 

Historia del CO2.

Svante Arrhenius fue un eminente químico sueco que, entre otras cosas, continuó los estudios de Tyndall sobre el papel del CO2 en la atmósfera y se dio cuenta que su abundancia relativa podía ayudar a explicar el clima del pasado, en especial las glaciaciones y que su abundancia en la atmósfera aumentaría con el proceso de industrialización que iba viento en poca a comienzos del siglo XX. Pensaba que eso sería beneficioso porque el planeta produciría cosechas más abundantes potenciando la expansión el género humano. 

A partir de los primeros años del s. XX el interés de los científicos por el CO2 se perdió hasta que un joven científico, Charles D. Keeling colocó un medidor de CO2 en la montaña volcánica de Mauna Loa, en Hawai y empezó a medir la cantidad de CO2 en la atmósfera el año 1958. Quería comprobar si había una relación entre la cantidad de CO2 y la época del año. 

Ese medidor continúa y esta es la llamada Curva de Keeling. Los dientes de sierra son años naturales y la parte inferior de cada diente nos da la cantidad de CO2 en verano, cuando la actividad del árbol consume más CO2 por la fotosíntesis. Lo llamativo de la curva es su pendiente hacia arriba, cada vez más elevada que nos indica que el CO2 No ha parado de crecer y que cada vez lo ha hecho a mayor ritmo. Hoy estamos prácticamente en 400 ppm, con un crecimiento desde el año 1958 del 25%: los agujeros del plástico imaginario se están tapando, el calor no sale de la superficie de la tierra y  ésta se está calentando. 

En el año 1979, la Academia Nacional de Ciencias de EEUU encarga el primer estudio de envergadura sobre el calentamiento de la tierra por acumulación de CO2. Dirige el estudio el científico Jule Charney, quien en 1940 había demostrado que la predicción del tiempo con cálculos numéricos era posible, y las conclusiones fueron categóricas: el aumento del CO2 altera el equilibrio energético de la tierra y para restablecerlo, la tierra ha de calentarse. 

Han pasado 36 años y de lo único que ya nadie duda es que, en efecto, la tierra se está calentando y en señalar al CO2 que se desprende en la quema de combustibles fósiles como causa principal del calentamiento. En lo que no hay consenso es en ver esto como un problema. Tendremos un cielo más cálido, como decía Arrhenius. Un invierno menos crudo que nos haga gastar menos en calefacción y además, cuando se funda el hielo del Ártico, se podrá extraer el petróleo y gas que hay debajo...En esto último ya están muchas compañías petroleras.

Consecuencias.

Pero para mucha gente lo que está pasando es muy grave y desde hace ya casi 20 años la ONU ha promovido encuentros a nivel internacional para tratar de llegar a compromisos para reducir las emisiones de CO2. El lunes 30 de noviembre se inicia en París una reunión más en la que los jefes de Estado y de Gobierno de casi todos los países del mundo intentarán llegar a un acuerdo que frene las emisiones y tratar de detener así la subida de temperaturas.

El asunto parece tener la suficiente gravedad que el papa Francisco, en una encíclica publicada el pasado mes de mayo ha señalado al calentamiento global como un problema prioritario para la humanidad que afectará especialmente a los más pobres. Hace unos días, en su viaje por África ha manifestado su preocupación por que no se alcance un acuerdo sobre el clima. 

Voy a pasar a analizar los problemas ligados a la emisión de CO2. Evitaré usar demasiadas cifras, aunque se trata de un análisis que pretende ser objetivo y sustentado por cálculos rigurosos. En torno al crecimiento del CO2 hay varios fenómenos que suman sus efectos y que pueden poner a nuestra civilización en una situación límite. Veamos:

1. El problema del equilibrio térmico.

Una atmósfera con 300 ppm de CO2 emitía los 230 w/m^2 de energía en forma de calor y estaba en equilibrio térmico. De pronto, en menos de 60 años, el CO2 ha aumentado un 25%. Las mediciones nos dicen que la temperatura media ha subido 1° C. Pero no sabemos si hemos alcanzado el equilibrio. Un sistema tan grande como la tierra tiene mucha inercia y todo parece indicar que aunque se frenase en seco la emisión de CO2, la temperatura seguiría subiendo.

2. El problema del albedo.

Recibe este nombre la relación entre la energía radiante que un cuerpo refleja y la que incide sobre él. La tierra tiene un albedo global de 0,3. Refleja, de media, 0,3 julios de energía por cada julio que recibe del sol. Curiosamente el agua presenta los albedos extremos: 0,1 en forma líquida y los mares son excelentes sumideros de la energía solar que los calienta; y 0,85 en forma de sólida, siendo la nieve y el hielo los mejores reflectores de luz solar. 

Tenemos por tanto una superficie terrestre que cada vez retiene más calor debido a que la fusión de los hielos deja al descubierto más tierra y agua líquida. Si retiene más calor favorecerá el calentamiento y que se funda más hielo. El sistema se retroalimenta y amenaza con que la subida de temperaturas pueda hacerse exponencial. 

3. El problema del metano.

El metano es un gas que está en la atmósfera en pequeñísimas cantidades. Pero es un gas cuyo efecto  invernadero es mayor al del CO2. Absorbe una banda más ancha de radiación infrarroja y amenaza con ser un gas que entrará en la atmósfera a borbotones. Desde hace más de una década los habitantes de Alaska están asustados porque muchas de sus casas, levantadas sobre un suelo que permanecía helado desde siempre (permagel), se están resquebrajando. Y se resquebrajan y se vienen abajo porque el hielo del suelo se está fundiendo. La capa de permagel, que ocupa miles de km^2, mantiene sepultado debajo de él gas metano, formado por descomposición anaerobia de algas y otros vegetales a lo largo de siglos. Se ignora la cantidad exacta de metano que puede haber y algunos cálculos hablan de miles de millones de toneladas. Este metano está saliendo ya a la superficie, cambiando la composición del aire de esas latitudes y ayudando al CO2 a retener el calor. 

De nuevo es un proceso que se retroalimenta: cuanto más suba la temperatura, más permagel se deshiela, más metano sale y más se retiene el calor que hace que aumente más la temperatura. 

4. El problema de la circulación termohalina. 

La corriente del Golfo es una corriente marina que hace circular ingentes cantidades de agua del ecuador a los polos. Para muchos, esta y otras corrientes de agua que distribuyen el calor en la tierra, son los motores que mueven el clima mundial. Este motor está alimentado por el agua fría y muy salada (cuando se congela el agua del mar suelta la sal que tiene), de la zona del Atlántico Norte. Se trata de agua muy densa que se hunde en las profundidades marinas y su hueco pasa a ocuparlo el agua ecuatorial, caliente y menos densa que circula, en el caso de la corriente del Golfo, por la costa occidental de Europa templando el clima de los países que miramos al Atlántico. 

El deshielo del Ártico y sobre todo el deshielo que ha comenzado hace ya unos años del hielo de Groenlandia, están inyectando agua dulce en el Atlántico Norte que hace que su densidad disminuya. Esta disminución de densidad puede provocar que, en un futuro que nadie sabe fijar, el agua del Atlántico Norte deje de hundirse o se hunda a un ritmo mucho menor. Esto podría afectar a la corriente termohalina hasta llegar a detenerla y las consecuencias serían impredecibles. 

5. El problema de la energía y  el  cambio climático.

La temperatura del aire en la superficie de la tierra ha subido en torno a 1° C desde que se inició la era industrial y se habla de frenar el calentamiento para que no pase de 2° C. Ya comentamos que no sabemos si la inercia térmica puede llevar a superar ese límite aunque cese la emisión de gases invernadero ya. Lo que es preocupante es que una subida de 2ºC de la temperatura de la atmósfera de la tierra la transformaría y sería irreconocible para nosotros, actuales ocupantes. Y eso debido sobre todo a tres hechos:

a) Una tierra sin hielo. Se puede hacer un sencillo cálculo (excelente ejercicio para los alumnos de 4° de ESO ) de cuánta energía adicional se inyecta en la atmósfera cuando su temperatura suba 2°C. El resultado es que la energía adicional es del mismo orden de magnitud que la necesaria para fundir todo el hielo del Ártico. ¡Nos quedamos sin hielo! Y en este caso; ¿quién nos refrigera?

b)  Una tierra sin playas y casi sin islas. Por cada julio de energía que se acumula en el aire, los océanos absorben 30 julios. Con este dato y teniendo en cuenta el agua adicional vertida al mar procedente del hielo fundido y el coeficiente de dilatación del agua, es también fácil calcular (otro buen ejercicio para los de 4°. ESO), en cuánto aumentaría el nivel del agua del mar cuando se funda el hielo. Las hermosas y extensas playas que hoy disfrutamos desaparecerán bajo el mar, que se elevaría decenas de metros respecto a su nivel actual. Y además de las playas desaparecerán muchas islas y ciudades costeras en las que actualmente viven millones de personas.

c) Una tierra con sus océanos seriamente dañados.  

El aumento del CO2 en la atmósfera hace que se su concentración en el agua del mar también esté aumentando. El agua del mar se hace más ácida y su pH disminuye. Los seres vivos somos muy sensibles ante mínimas variaciones del pH, como todos experimentamos con los champuses y cremas que usamos diariamente. La acidificación del agua de los océanos afecta muy especialmente a los animales con concha y a los corales. Los arrecifes coralinos, que albergan una inmensa variedad de vida marina, hace años que están sufriendo una seria degradación que va en aumento. Será difícil reconocer los fondos marinos dentro de unos años si el proceso continúa.

d)  Una tierra con fenómenos meteorológicos extremos y nuevas corrientes de agua y de aire: cambio climático.   Al subir la temperatura, aumenta la energía almacenada en la atmósfera y con ella la capacidad de evaporar agua y de mover masas de aire. Fenómenos meteorológicos que llevan asociada mucha energía como los huracanes y grandes borrascas serán más frecuentes y devastadores. 

Se teme que esos 2° C de subida supongan también la alteración de las corrientes marinas, como la del Golfo de la que hemos hablado y de las de aire, como la del chorro, que ahora están determinando el clima que tenemos. 

De ser así, el calentamiento global por todos asumido, desencadenaría un cambio en el clima de la tierra, con otros regímenes de circulación del agua y de aire. Ese es el escenario. Y los fenómenos que apuntan a un crecimiento exponencial de la temperatura nos indican que esto puede ocurrir en pocos años.

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Las temperaturas en el centro de la península ibérica.

El año 2013 coordiné, como profesor de Física y química un trabajo sobre el clima con alumnos de 4º de ESO del IES Francisco Giner de los Ríos. Con datos de temperaturas y precipitaciones facilitados por los observatorios de Guadarrama y Segovia estudiamos la evolución de las temperaturas desde el año 1951 hasta el 2013. Fue un trabajo en el que se usaron muchos datos y se obtuvieron muchos resultados y conclusiones y que se publicó en la prensa segoviana (Norte de Castilla, 10 de junio de 2013). Sólo recojo aquí la gráfica que da las temperaturas medias anuales desde el año 1951 con los datos del observatorio de Navacerrada. Las temperaturas, en el eje de ordenadas, están en décimas de grado y para interpretar los valores hay que tener en cuenta que se trata de datos del observatorio situado en el puerto de Navacerrada, a 1880 m de altitud.

La línea de tendencia, claramente hacia arriba, nos da un incremento de la temperatura media anual de 1,8 ºC. La temperatura media global ha subido 1ºC pero en zonas cercanas al polo N se han registrado incrementos de temperatura de casi 4ºC. Aquí, en el centro de la península ibérica casi 2ºC en estos 63 años.

La ecuación de la recta nos permite aventurar cuál sería la temperatura en el futuro de mantenerse el incremento registrado desde el año 1951. Si en la variable ‘año’ ponemos 2050, nos sale una temperatura media de 8,4ºC y por tanto un incremento de casi 3ºC respecto al año 1951.

He querido recoger este dato porque es muy importante. Y si no, vean por favor el video al que le lleva este enlace, (o escriban esto en su navegador: https://www.youtube.com/watch?v=qI8aSf6nXb4). El video ha sido elaborado por el equipo de El tiempo de TVE.

La cumbre de París. 

En la cumbre sobre el clima que se celebra estos días en París, se debe tener todo esto presente para tomar decisiones responsables. 

Es imprescindible iniciar un cambio drástico en la utilización de las fuentes de energía y en el concepto de crecimiento. 

Un hermoso y acogedor planeta poblado con 7000 millones de primates inteligentes y que admiran su hermosura, no puede volverse hostil por la estupidez, la ambición y la desidia.

Existen energías alternativas no contaminantes. Cada día leemos cómo los científicos se afanan por encontrar nuevas fuentes y mejorar las que tenemos. Dicen que obtenerlas es más caro, pero  depende de lo que se ponga en el haber y en debe. 

Pasan los años y las cumbres climáticas, pero la emisión de gases invernadero sigue aumentando. 

A la cumbre de París asisten mandatarios de todos los países del mundo, supuestamente bien asesorados y conocedores del asunto que se trata. Pero la mayoría, ¿a que parecen que van de fiesta? Ignorantes! ¡Cuánto tiempo perdido!

Rafael Calderón Fernández.

Catedrático de Bachillerato de Física y química.

Jubilado

DNI 10030882