Gas de efecto invernadero

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Esquema del efecto invernadero mostrando los flujos de energía entre el espacio, la atmósfera y la superficie de la tierra. El intercambio de energía se expresa en vatios por metro cuadrado (W/m2). En esta gráfica la radiación absorbida es igual a la emitida, por lo que la Tierra no se calienta ni se enfría.

Un gas de efecto invernadero (GEI) es un gas atmosférico que absorbe y emite radiación dentro del rango infrarrojo. Este proceso es la fundamental causa del efecto invernadero.[1]​ Los principales GEI en la atmósfera terrestre son el vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano, el óxido de nitrógeno y el ozono. Sin los gases de efecto invernadero la temperatura promedio de la superficie terrestre sería alrededor de −18 °C,[2]​ en lugar de la media actual de 15 °C.[3][4][5]​ En el sistema solar, las atmósferas de Venus, Marte y Titán también albergan gases que causan un efecto invernadero.

Las actividades humanas desde el inicio de la Revolución Industrial (considerado en 1750) ha producido un incremento del 40 % en la concentración atmosférica del dióxido de carbono, de fórmula CO2, desde 280 ppm en 1750 a 400 ppm en 2015.[6][7]​ Este incremento ha ocurrido a pesar de la absorción de una gran porción de las emisiones por varios depósitos naturales que participan del ciclo del carbono.[8][9]​ Las emisiones de CO2 antropogénicas (producidas por actividades humanas) provienen de la combustión de combustibles fósiles, principalmente carbón, petróleo y gas natural, además de la deforestación, la erosión del suelo y la crianza animal.[10]

Se ha estimado que si las emisiones de GEI continúan al ritmo actual, la temperatura de la superficie terrestre podría exceder los valores históricos tan pronto como 2047, con efectos potencialmente dañinos en los ecosistemas, la biodiversidad y peligraría la subsistencia de las personas en el planeta.[11]​ Estimaciones de agosto de 2016 sugieren que de seguir la actual trayectoria de emisiones la Tierra podría superar el límite de 2 °C de calentamiento global (el límite señalado por el IPCC como un calentamiento global "peligroso") en 2036.[12]

Gases implicados[editar]

Concentración en la atmósfera de los principales GEI.
Espectro de absorción en el infrarrojo del conjunto de la atmósfera (abajo) y de gases específicos. De algunos se marcan solamente los centros de sus bandas de absorción (De Graedel & Crutzen, 1993).
  • El vapor de agua(H2O) es un gas que se obtiene por evaporación o ebullición del agua líquida o por sublimación del hielo. Es el que más contribuye al efecto invernadero debido a la absorción de los rayos infrarrojos. Es inodoro e incoloro y, a pesar de lo que pueda parecer, las nubes o el vaho blanco de una cacerola o un congelador, vulgarmente llamado "vapor", no son vapor de agua sino el resultado de minúsculas gotas de agua líquida o cristales de hielo.
  • Dióxido de carbono (CO2) óxido de carbono (IV), también denominado dióxido de carbono, gas carbónico y anhídrido carbónico, es un gas cuyas moléculas están compuestas por dos átomos de oxígeno y uno de carbono. Su fórmula química es CO2.
  • Metano (CH4) El metano (del griego methy, vino, y el sufijo -ano) es el hidrocarburo alcano más sencillo, cuya fórmula química es CH4.
Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido al carbono por medio de un enlace covalente. Es una sustancia no polar que se presenta en forma de gas a temperaturas y presiones ordinarias. Es incoloro e inodoro y apenas soluble en agua en su fase líquida.
En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de las plantas. Este proceso natural se puede aprovechar para producir biogás. Muchos microorganismos anaeróbicos lo generan utilizando el CO2 como aceptor final de electrones.
Constituye hasta el 97 % del gas natural. En las minas de carbón se le llama grisú y es muy peligroso ya que es fácilmente inflamable y explosivo.
El metano es un gas de efecto invernadero relativamente potente que podría contribuir al calentamiento global del planeta Tierra ya que tiene un potencial de calentamiento global de 23; pero que su concentración es bajísima. Esto significa que en una media de tiempo de 100 años cada Kg de CH4 calienta la Tierra 25 veces más que la misma masa de CO2, sin embargo hay aproximadamente 220 veces más dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra que metano por lo que el metano contribuye de manera menos importante al efecto invernadero.
  • Óxidos de nitrógeno (NOx) El término óxidos de nitrógeno (NxOy) se aplica a varios compuestos químicos binarios gaseosos formados por la combinación de oxígeno y nitrógeno. El proceso de formación más habitual de estos compuestos inorgánicos es la combustión a altas temperaturas, proceso en el cual habitualmente el aire es el comburente.
  • Ozono (O3) El ozono (O3), es una sustancia cuya molécula está compuesta por tres átomos de oxígeno, formada al disociarse los 2 átomos que componen el gas de oxígeno. Cada átomo de oxígeno liberado se une a otra molécula de oxígeno (O2), formando moléculas de Ozono (O3).
  • Clorofluorocarbonos (CFC) El clorofluorocarbono o clorofluorocarburo, es cada uno de los derivados de los hidrocarburos saturados obtenidos mediante la sustitución de átomos de hidrógeno por átomos de flúor y/o cloro principalmente.
Debido a su alta estabilidad fisicoquímica y su nula toxicidad, han sido muy usados como gases refrigerantes, agentes extintores y propelentes para aerosoles. Fueron introducidos a principios de la década de los años 1930 por ingenieros de General Motors, para sustituir materiales peligrosos como el dióxido de azufre y el amoníaco.

Efecto invernadero[editar]

La atmósfera, por el hecho de ser muy transparente para la luz visible pero mucho menos para la radiación infrarroja, produce para la superficie terrestre el mismo efecto que el techo de cristal produce en un invernadero; la luz solar, que llega sin grandes obstáculos hasta el suelo, lo calienta, dando lugar a que emita rayos infrarrojos (ondas caloríficas), los cuales, a diferencia de los rayos de luz, son absorbidos en gran parte por el vidrio o la atmósfera. Al final la cantidad de energía emitida al espacio tiene que ser la misma que la absorbida, pero la superficie terrestre tiene que alcanzar la temperatura en que ambos flujos se equilibran, la cual es más alta en presencia de una atmósfera (en un planeta) o de techos de cristal (en un invernadero; aunque en realidad el cristal de un invernadero protege de la pérdida de calor más porque interrumpe la circulación del aire, que porque sea opaco a los rayos infrarrojos).

Es importante señalar que el efecto invernadero afecta a todos los cuerpos planetarios del sistema solar dotados de atmósfera, porque aunque no todos los gases absorben radiación infrarroja, en ninguna de esas atmósferas faltan los que sí lo hacen. En la Tierra el efecto invernadero es responsable de un exceso de 33 °C de la temperatura superficial (15 °C de valor medio) sobre la temperatura de emisión (−18 °C), pero en Marte la diferencia es de tan solo 3 °C y en Venus la diferencia alcanza los 466 °C.

El efecto invernadero es un fenómeno natural, pero la alusión frecuente a él en relación con el calentamiento global hace creer a algunos que es en sí indeseable, y una consecuencia reciente de la contaminación atmosférica. Hay que aclarar que el calentamiento no es atribuido a la simple existencia, sino al aumento del efecto invernadero por encima de sus valores naturales por acción del hombre.

Mecanismo[editar]

No todos los componentes de la atmósfera contribuyen al efecto invernadero. Los gases de invernadero absorben los fotones infrarrojos emitidos por el suelo calentado por el sol. La energía de esos fotones no basta para causar reacciones químicas —para romper enlaces covalentes— sino que simplemente aumenta la energía de rotación y de vibración de las moléculas implicadas. El exceso de energía es a continuación transferido a otras moléculas, por las colisiones moleculares, en forma de energía cinética, es decir, de calor; aumentando la temperatura del aire. De la misma forma, la atmósfera se enfría emitiendo energía infrarroja cuando se producen las correspondientes transiciones de estado vibracional y rotacional en las moléculas hacia niveles menores de energía. Todas esas transiciones requieren cambios en el momento dipolar de las moléculas (es decir, modificaciones de la separación de cargas eléctricas en sus enlaces polares) lo que deja fuera de este papel a los dos gases principales en la composición del aire, nitrógeno (N2) y oxígeno (O2), cuyas moléculas, por estar formadas por dos átomos iguales, carecen de cualquier momento dipolar.

Contaminación[editar]

Si bien todos ellos —salvo los compuestos del flúor— son naturales, en tanto que existen en la atmósfera desde antes de la aparición de los seres humanos, a partir de la Revolución industrial de mediados del siglo XIX, y debido principalmente al uso intensivo de combustibles fósiles en las actividades industriales, la ganadería y el transporte, se han producido sensibles incrementos en las cantidades de óxidos de nitrógeno y dióxido de carbono emitidas a la atmósfera. Se estima que también el metano y el óxido nitroso están aumentando su presencia por razones antropogénicas (debidas a la actividad humana, en mayor parte la ganadería y la agricultura ganadera). Además, a este incremento de emisiones se suman otros problemas, como la deforestación, que han reducido la cantidad de dióxido de carbono retenida en materia orgánica, contribuyendo así indirectamente al aumento antropogénico del efecto invernadero. Asimismo, el excesivo dióxido de carbono está acidificando los océanos y reduciendo el fitoplancton.

Impactos sobre el efecto invernadero en general[editar]

Componente[editar]

Schmidt y otros (2010) analizaron cómo los componentes individuales de la atmósfera contribuyen al efecto invernadero total. Estimaron que el vapor de agua representa alrededor del 50% del efecto invernadero de la Tierra, y que las nubes contribuyen con el 25%, el dióxido de carbono con el 20%, y los gases de efecto invernadero menores y los aerosoles con el 5% restante. En el estudio, la atmósfera modelo de referencia es para las condiciones de 1980. Crédito de la imagen: NASA.

La contribución de cada gas al efecto invernadero está determinada por las características de ese gas, su abundancia y los efectos indirectos que pueda causar. Por ejemplo, el efecto radiativo directo de una masa de metano es aproximadamente 84 veces más fuerte que la misma masa de dióxido de carbono en un período de 20 años, pero está presente en concentraciones mucho más pequeñas, de modo que su efecto radiativo directo total es menor, en parte debido a su menor vida atmosférica.[13]​ Por otro lado, además de su impacto radiativo directo, el metano tiene un gran efecto radiativo indirecto porque contribuye a la formación de ozono. Shindell et al (2005)[14]​ sostienen que la contribución del metano al cambio climático es al menos el doble de las estimaciones anteriores como resultado de este efecto.[15]​ Cuando se clasifican por su contribución directa al efecto invernadero, las más importantes son:[16]

Compuesto Fórmula Concentración en la atmósfera (ppm) Contribución

(%)

Vapor de agua y nubes H
2
O
10–50,000(A) 36–72%
Dióxido de carbono CO2 ~400 9–26%
Metano CH
4
~1.8 4–9%
Ozono O
3
2–8(B) 3–7%
(A) El vapor de agua varía mucho localmente

(B) La concentración en la estratosfera. Alrededor del 90% del ozono de la atmósfera terrestre está contenido en la estratosfera.

Además de los principales gases de efecto invernadero enumerados anteriormente, otros gases de efecto invernadero incluyen el hexafluoruro de azufre, los hidrofluorocarbonos y los perfluorocarbonos (véase la lista de gases de efecto invernadero del IPCC). Algunos gases de efecto invernadero no suelen figurar en la lista. Por ejemplo, el trifluoruro de nitrógeno tiene un alto potencial de calentamiento global (GWP) pero sólo está presente en cantidades muy pequeñas.[17]

Proporción de efectos directos en un momento dado[editar]

No es posible afirmar que un determinado gas cause un porcentaje exacto del efecto invernadero. Esto se debe a que algunos de los gases absorben y emiten radiación a las mismas frecuencias que otros, de modo que el efecto invernadero total no es simplemente la suma de la influencia de cada gas. Los extremos más altos de los rangos citados son sólo para cada gas; los extremos más bajos representan solapamientos con los otros gases.[16][18]​ Además, se sabe que algunos gases, como el metano, tienen grandes efectos indirectos que todavía se están cuantificando.[19]

Forzamiento radiativo[editar]

La Tierra absorbe parte de la energía radiante recibida del sol, refleja parte de ella en forma de luz y refleja o irradia el resto al espacio en forma de calor. La temperatura de la superficie de la Tierra depende de este equilibrio entre la energía entrante y saliente. Si se cambia este equilibrio energético, la superficie de la Tierra se vuelve más cálida o más fría, lo que conduce a una variedad de cambios en el clima global.[20]

Una serie de mecanismos naturales y artificiales pueden afectar el equilibrio energético mundial y forzar cambios en el clima de la Tierra. Los gases de efecto invernadero son uno de esos mecanismos.  Los gases de efecto invernadero absorben y emiten parte de la energía saliente que irradia la superficie de la Tierra, lo que hace que ese calor se retenga en la atmósfera inferior. Como se ha explicado anteriormente, algunos gases de efecto invernadero permanecen en la atmósfera durante décadas o incluso siglos y, por lo tanto, pueden afectar al equilibrio energético de la Tierra durante un largo período.  El forzamiento radiativo cuantifica el efecto de los factores que influyen en el balance energético de la Tierra, incluyendo los cambios en las concentraciones de gases de efecto invernadero. El forzamiento radiativo positivo conduce al calentamiento al aumentar la energía neta entrante, mientras que el forzamiento radiativo negativo conduce al enfriamiento.[20]

Potencial de calentamiento global[editar]

El potencial de calentamiento global (GWP) depende tanto de la eficiencia de la molécula como del gas de efecto invernadero como de su vida atmosférica. El GWP se mide en relación con la misma masa de CO2 y se evalúa en una escala de tiempo específica. Por lo tanto, si un gas tiene una fuerza radiativa alta (positiva) pero también una vida corta, tendrá un GWP grande en una escala de 20 años pero uno pequeño en una escala de 100 años. Por el contrario, si una molécula tiene una vida atmosférica más larga que el CO2, su GWP aumentará cuando se considere la escala de tiempo. El dióxido de carbono se define como un GWP de 1 en todos los períodos de tiempo.

El metano tiene una vida útil de 12 ± 3 años. El informe de 2007 del IPCC enumera el GWP como 72 en una escala de tiempo de 20 años, 25 en 100 años y 7,6 en 500 años. Un análisis de 2014, sin embargo, establece que aunque el impacto inicial del metano es aproximadamente 100 veces mayor que el del CO2, debido a la menor vida atmosférica, después de seis o siete décadas, el impacto de los dos gases es casi igual, y a partir de entonces el papel relativo del metano continúa disminuyendo.[21]​ La disminución del GWP en tiempos más largos se debe a que el metano se degrada a agua y CO2 a través de reacciones químicas en la atmósfera.

En la siguiente tabla se dan ejemplos de la vida atmosférica y del GWP en relación con el CO2 de varios gases de efecto invernadero:

Nombre del gas Fórmula química Años de vida Potencial de calentamiento global (PCA) para un tiempo determinado
20 años 100 años 500 años
Dióxido de carbono CO2 30–95 1 1 1
Metano CH4 12 84 28 7.6
Óxido nitroso N2O 121 264 265 153
Diclorodifluorometano CCl2F2 100 10 800 10 200 5 200
Clorodifluorometano CHClF2 12 5 280 1 760 549
Tetrafluorometano CF4 50 000 4 880 6 630 11 200
Hexafluoretano C2F6 10 000 8 210 11 100 18 200
Hexafluoruro de azufre SF6 3 200 17 500 23 500 32 600
Trifluoruro de nitrógeno NF3 500 12 800 16 100 20 700

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. «IPCC AR4 SYR Appendix Glossary» (PDF). Consultado el 14 de diciembre de 2008. 
  2. «NASA GISS: Science Briefs: Greenhouse Gases: Refining the Role of Carbon Dioxide». www.giss.nasa.gov. Consultado el 26 de abril de 2016. 
  3. Karl TR; Trenberth KE (2003). «Modern global climate change». Science 302 (5651): 1719-23. Bibcode:2003Sci...302.1719K. PMID 14657489. doi:10.1126/science.1090228. 
  4. Le Treut, H.; Somerville, R.; Cubasch, U.; Ding, Y.; Mauritzen, C.; Mokssit, A.; Peterson, T.; Prather, M. (2007). Historical overview of climate change science. En: Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K. B., Tignor, M. y Miller, H. L., coordinadores) (PDF). Cambridge University Press. Consultado el 14 de diciembre de 2008. 
  5. «NASA Science Mission Directorate article on the water cycle». Nasascience.nasa.gov. Archivado desde el original el 17 de enero de 2009. Consultado el 16 de octubre de 2010. 
  6. From non-copyrighted source: Blasing, T. J. (February 2013), Current Greenhouse Gas Concentrations, doi:10.3334/CDIAC/atg.032 , on CDIAC, 2013. Details on copyright status: Frequently Asked Global Change Questions, Q34: I would like to use a diagram, image, graph, table, or other materials from the CDIAC Web site. How can I obtain permission? Are there copyright restrictions?, consultado el 26 de septiembre de 2012 , on CDIAC, 2013. "All of the reports, graphics, data, and other information on the CDIAC Web site are freely and publicly available without copyright restrictions. However as a professional courtesy, we ask that the original data source be acknowledged."
  7. The most recent preliminary estimate of global monthly mean CO2 concentration (as of May 2013) is 396.71 ppm: (Ed Dlugokencky y Pieter Tans, NOAA/ESRL ([1])
  8. «Frequently asked global change questions». Carbon Dioxide Information Analysis Center. 
  9. ESRL Web Team (14 de enero de 2008). «Trends in carbon dioxide». Esrl.noaa.gov. Consultado el 11 de septiembre de 2011. 
  10. «AR4 SYR Synthesis Report Summary for Policymakers – 2 Causes of change». ipcc.ch. 
  11. Mora, C (2013). «The projected timing of climate departure from recent variability». Nature 502: 183-187. doi:10.1038/nature12540. 
  12. Mann, Michael E. (1 de abril de 2014). «Earth Will Cross the Climate Danger Threshold by 2036». Scientific American. Consultado el 30 de agosto de 2016. 
  13. Lacis, A. (Octubre de 2010), NASA GISS: CO2: The Thermostat that Controls Earth's Temperature, New York: NASA GISS 
  14. Shindell, Drew T. (2005). «An emissions-based view of climate forcing by methane and tropospheric ozone». Geophysical Research Letters 32 (4): L04803. Bibcode:2005GeoRL..32.4803S. doi:10.1029/2004GL021900. 
  15. «Methane's Impacts on Climate Change May Be Twice Previous Estimates». Nasa.gov. 30 de noviembre de 2007. Consultado el 2010-10-16. 
  16. a b Kiehl, J.T.; Kevin E. Trenberth (1997). «Earth's annual global mean energy budget» (PDF). Bulletin of the American Meteorological Society 78 (2): 197-208. Bibcode:1997BAMS...78..197K. doi:10.1175/1520-0477(1997)078<0197:EAGMEB>2.0.CO;2. Archivado desde el original el 30 de marzo de 2006. Consultado el 1 de mayo de 2006. 
  17. Prather, Michael J.; J Hsu (2008). «NF
    3
    , the greenhouse gas missing from Kyoto». Geophysical Research Letters 35 (12): L12810. Bibcode:2008GeoRL..3512810P. doi:10.1029/2008GL034542.
     
  18. «Water vapour: feedback or forcing?». RealClimate. 6 de abril de 2005. Consultado el 1 de mayo de 2006. 
  19. Isaksen, Ivar S.A.; Michael Gauss; Gunnar Myhre; Katey M. Walter Anthony; Carolyn Ruppel (20 April 2011). «Strong atmospheric chemistry feedback to climate warming from Arctic methane emissions». Global Biogeochemical Cycles 25 (2): n/a. Bibcode:2011GBioC..25B2002I. doi:10.1029/2010GB003845. Consultado el 29 July 2011. 
  20. a b «Climate Change Indicators in the United States». U.S. Environmental Protection Agency (EPA). 2010. Greenhouse Gases: Figure 1. The Annual Greenhouse Gas Index, 1979–2008: Background. . PDF (p. 18)
  21. Chandler, David L. «How to count methane emissions». MIT News. Consultado el 2018-08-20.  Referenced paper is Trancik, Jessika; Edwards, Morgan (April 25, 2014). «Climate impacts of energy technologies depend on emissions timing». Nature Climate Change 4: 347. Archivado desde el original el 16 January 2015. Consultado el January 15, 2015. 
  • Graedel, T.E. & Crutzen, P.J. (1993) Atmospheric change. An Earth System perspective. Freeman, N. York.

Enlaces externos[editar]