Efecto invernadero
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Los gases de efecto invernadero permiten que la luz solar atraviese la atmósfera, pero luego absorben y reflejan la radiación infrarroja (calor) que emite el planeta.
Análisis cuantitativo: la energía fluye entre el espacio, la atmósfera y la superficie de la Tierra, y los gases de efecto invernadero en la atmósfera capturan una parte sustancial del calor reflejado desde la superficie de la Tierra.

El efecto invernadero es el proceso por el cual la radiación de la atmósfera de un planeta calienta la superficie del planeta a una temperatura superior a la que tendría sin esta atmósfera. [1] [2]

Los gases radiativamente activos (es decir, gases de efecto invernadero ) en la atmósfera de un planeta irradian energía en todas las direcciones. Parte de esta radiación se dirige hacia la superficie, calentándola. [3] La intensidad de la radiación descendente, es decir, la fuerza del efecto invernadero, depende de la cantidad de gases de efecto invernadero que contiene la atmósfera. La temperatura aumenta hasta que la intensidad de la radiación ascendente de la superficie, enfriándola así, equilibra el flujo de energía descendente . [4]

El efecto invernadero natural de la Tierra es fundamental para sustentar la vida e inicialmente fue un precursor de la vida que se movía del océano a la tierra. Las actividades humanas, principalmente la quema de combustibles fósiles y la tala de bosques, han aumentado el efecto invernadero y provocado el calentamiento global . [5]

El planeta Venus experimentó un efecto invernadero desbocado , lo que resultó en una atmósfera que es 96% de dióxido de carbono y una presión atmosférica en la superficie aproximadamente la misma que se encuentra a 900 m (3.000 pies) bajo el agua en la Tierra. Venus pudo haber tenido océanos de agua, pero se habrían evaporado cuando la temperatura media de la superficie se elevó a los 735 K actuales (462 ° C; 863 ° F). [6] [7] [8]

El término efecto invernadero es un nombre poco apropiado , en el sentido de que los invernaderos físicos se calientan a través de un mecanismo diferente. El efecto invernadero como mecanismo atmosférico funciona a través de la pérdida de calor por radiación [9], mientras que un invernadero tradicional como estructura construida bloquea la pérdida de calor por convección . [2] El resultado, sin embargo, es un aumento de la temperatura en ambos casos. [10] [11]

Historia

Artículo principal: Historia de la ciencia del cambio climático
El efecto invernadero se describió sucintamente en este artículo de Mecánica Popular de 1912 destinado a la lectura del público en general.

La existencia del efecto invernadero, aunque no se nombró como tal, fue propuesta por Joseph Fourier en 1824. [12] El argumento y la evidencia fueron reforzados por Claude Pouillet en 1827 y 1838. John Tyndall fue el primero en medir la absorción infrarroja y emisión de varios gases y vapores. A partir de 1859, demostró que el efecto se debía a una proporción muy pequeña de la atmósfera, sin que los gases principales tuvieran efecto, y se debía en gran medida al vapor de agua, aunque pequeños porcentajes de hidrocarburos y dióxido de carbono tenían un efecto significativo. [13] El efecto fue cuantificado más completamente por Svante Arrhenius.en 1896, quien hizo la primera predicción cuantitativa del calentamiento global debido a una hipotética duplicación del dióxido de carbono atmosférico. [14] Sin embargo, ninguno de estos científicos utilizó el término "invernadero" para referirse a este efecto; el término fue utilizado por primera vez de esta manera por Nils Gustaf Ekholm en 1901. [15] [16]

Descripción

El espectro de radiación solar para luz directa tanto en la parte superior de la atmósfera terrestre como al nivel del mar.

La Tierra recibe energía del Sol en forma de radiación ultravioleta , visible e infrarroja cercana . Aproximadamente el 26% de la energía solar entrante es reflejada de regreso al espacio por la atmósfera y las nubes, y el 19% es absorbido por la atmósfera y las nubes. La mayor parte de la energía restante se absorbe en la superficie de la Tierra. Debido a que la superficie de la Tierra es más fría que el Sol, irradia a longitudes de onda que son mucho más largas que las longitudes de onda que fueron absorbidas. La mayor parte de esta radiación térmica es absorbida por la atmósfera y la calienta. La atmósfera también gana calor por calor sensible y latente.flujos de la superficie. La atmósfera irradia energía tanto hacia arriba como hacia abajo; la parte irradiada hacia abajo es absorbida por la superficie de la Tierra. Esto conduce a una temperatura de equilibrio más alta que si la atmósfera no irradiara.

Un cuerpo negro idealmente conductor térmico a la misma distancia del Sol que la Tierra tendría una temperatura de aproximadamente 5,3 ° C (41,5 ° F). Sin embargo, debido a que la Tierra refleja aproximadamente el 30% [17] [18] de la luz solar entrante, la temperatura efectiva de este planeta idealizado (la temperatura de un cuerpo negro que emitiría la misma cantidad de radiación) sería de aproximadamente -18 ° C (0 ° F ). [19] [20] La temperatura de la superficie de este planeta hipotético es 33 ° C (59 ° F) por debajo de la temperatura real de la superficie de la Tierra de aproximadamente 14 ° C (57 ° F). [21] El efecto invernadero es la contribución de los gases de efecto invernadero a esta diferencia. [ aclaración necesaria ]

Detalles

El modelo de invernadero idealizado es una simplificación. En realidad, la atmósfera cercana a la superficie de la Tierra es en gran parte opaca a la radiación térmica y la mayor parte de la pérdida de calor de la superficie se produce por convección . Sin embargo, las pérdidas de energía radiativa se vuelven cada vez más importantes en la atmósfera, en gran parte debido a la disminución de la concentración de vapor de agua, un importante gas de efecto invernadero. En lugar de la superficie en sí, es más realista pensar que el efecto invernadero se aplica a una capa en la troposfera media , que está acoplada efectivamente a la superficie por una tasa de caída . Una imagen simple también asume un estado estable, pero en el mundo real, el ciclo diurno, así como el ciclo estacional y las alteraciones meteorológicas, complican las cosas. La calefacción solar se aplica solo durante el día. Durante la noche, la atmósfera se enfría un poco, pero no mucho, porque su emisividad es baja. Los cambios de temperatura diurnos disminuyen con la altura en la atmósfera.

Dentro de la región donde los efectos radiativos son importantes, la descripción dada por el modelo de invernadero idealizado se vuelve realista. La superficie de la Tierra, calentada a una "temperatura efectiva" alrededor de -18 ° C (0 ° F), irradia calor infrarrojo de longitud de onda larga en el rango de 4 a 100 μm. [22] A estas longitudes de onda, los gases de efecto invernadero que eran en gran parte transparentes a la radiación solar entrante son más absorbentes. [22]Cada capa de la atmósfera con gases de efecto invernadero absorbe parte del calor que se irradia hacia arriba desde las capas inferiores. Vuelve a irradiar en todas direcciones, tanto hacia arriba como hacia abajo; en equilibrio (por definición) la misma cantidad que ha absorbido. Esto da como resultado más calidez a continuación. El aumento de la concentración de los gases aumenta la cantidad de absorción y reradiación y, por lo tanto, calienta aún más las capas y, en última instancia, la superficie inferior. [20]

Los gases de efecto invernadero, incluidos la mayoría de los gases diatómicos con dos átomos diferentes (como el monóxido de carbono, CO) y todos los gases con tres o más átomos, pueden absorber y emitir radiación infrarroja. Aunque más del 99% de la atmósfera seca es transparente a los rayos infrarrojos (porque los componentes principales, N
2, O
2, y Ar — no pueden absorber o emitir directamente radiación infrarroja), las colisiones intermoleculares hacen que la energía absorbida y emitida por los gases de efecto invernadero se comparta con los otros gases no activos en IR.

Gases de invernadero

Artículo principal: Gas de efecto invernadero

Por su contribución porcentual al efecto invernadero en la Tierra, los cuatro gases principales son: [23] [24]

Los gases atmosféricos solo absorben algunas longitudes de onda de energía, pero son transparentes para otras. Los patrones de absorción de vapor de agua (picos azules) y dióxido de carbono (picos rosados) se superponen en algunas longitudes de onda. El dióxido de carbono no es un gas de efecto invernadero tan fuerte como el vapor de agua, pero absorbe energía en longitudes de onda más largas (12-15 micrómetros) que el vapor de agua, cerrando parcialmente la "ventana" a través de la cual el calor irradiado por la superficie normalmente escaparía al espacio. . (Ilustración de la NASA, Robert Rohde) [25]
  • vapor de agua , 36–70%
  • dióxido de carbono , 9-26%
  • metano , 4-9%
  • ozono , 3-7%

No es posible asignar un porcentaje específico a cada gas porque las bandas de absorción y emisión de los gases se superponen (de ahí los rangos indicados anteriormente). Las nubes también absorben y emiten radiación infrarroja y, por lo tanto, afectan las propiedades radiativas de la atmósfera. [24]

Papel en el cambio climático

Artículos principales: Calentamiento global y presupuesto energético de la Tierra.
Ver también: Modelo ilustrativo del efecto invernadero sobre el cambio climático
La curva de Keeling de las concentraciones atmosféricas de CO 2 medidas en el Observatorio Mauna Loa .

El fortalecimiento del efecto invernadero a través de actividades humanas se conoce como efecto invernadero aumentado (o antropogénico ). [26] Este aumento en el forzamiento radiativo de la actividad humana se ha observado directamente [27] [28] y es atribuible principalmente al aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico. [29] Según el informe de evaluación de 2014 del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, "las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono, metano y óxido nitroso no tienen precedentes en al menos los últimos 800.000 años. Sus efectos, junto con los de otros impulsores antropogénicos, se han detectado en todo el sistema climático y es muy probable que hayan sido la causa dominante del calentamiento observado desde mediados del siglo XX '". [30]

CO
2es producido por la quema de combustibles fósiles y otras actividades como la producción de cemento y la deforestación tropical . [31] Medidas de CO
2del observatorio de Mauna Loa muestran que las concentraciones han aumentado de aproximadamente 313 partes por millón (ppm) [32] en 1960, pasando el hito de 400 ppm el 9 de mayo de 2013. [33] La cantidad observada actual de CO
2excede los máximos del registro geológico (≈300 ppm) de los datos del núcleo de hielo. [34] El efecto del dióxido de carbono producido por la combustión en el clima global, un caso especial del efecto invernadero descrito por primera vez en 1896 por Svante Arrhenius , también se ha denominado efecto Callendar .

Durante los últimos 800.000 años, [35] los datos de los núcleos de hielo muestran que el dióxido de carbono ha variado desde valores tan bajos como 180 ppm hasta el nivel preindustrial de 270 ppm. [36] Los paleoclimatólogos consideran que las variaciones en la concentración de dióxido de carbono son un factor fundamental que influye en las variaciones climáticas en esta escala de tiempo. [37] [38]

Invernaderos reales

Un invernadero moderno en RHS Wisley

El "efecto invernadero" de la atmósfera se denomina por analogía a los invernaderos que se calientan con la luz del sol. Sin embargo, un invernadero no se calienta principalmente por el "efecto invernadero". [39] "Efecto invernadero" es en realidad un nombre inapropiado ya que el calentamiento en el invernadero habitual se debe a la reducción de la convección , [11] mientras que el "efecto invernadero" actúa evitando que el calor absorbido abandone la estructura a través de la transferencia radiativa .

Un invernadero está construido con cualquier material que pase la luz solar: generalmente vidrio o plástico. El sol calienta el suelo y el contenido en el interior al igual que en el exterior, y estos luego calientan el aire. En el exterior, el aire cálido cerca de la superficie se eleva y se mezcla con el aire más frío en el aire, manteniendo la temperatura más baja que en el interior, donde el aire continúa calentándose porque está confinado dentro del invernadero. Esto se puede demostrar abriendo una pequeña ventana cerca del techo de un invernadero: la temperatura bajará considerablemente. Se demostró experimentalmente ( RW Wood , 1909) que un "invernadero" (no calentado) con una cubierta de sal de roca (que es transparente al infrarrojo) calienta un recinto de manera similar a uno con una cubierta de vidrio. [10] Por lo tanto, los invernaderos funcionan principalmente previniendoenfriamiento convectivo . [9]

Los invernaderos con calefacción son otra cuestión: como tienen una fuente interna de calefacción, es deseable minimizar la cantidad de calor que se escapa por enfriamiento radiativo. Esto se puede hacer mediante el uso de un acristalamiento adecuado. [40]

En teoría, es posible construir un invernadero que reduzca su emisividad térmica durante las horas de oscuridad; [41] tal invernadero atraparía el calor mediante dos mecanismos físicos diferentes, combinando múltiples efectos de invernadero, uno de los cuales se asemeja más al mecanismo atmosférico, haciendo que el debate sobre el nombre inapropiado sea discutible.

Efectos relacionados

Efecto anti-invernadero

Ver también: efecto anti-invernadero

El efecto anti-invernadero es un mecanismo similar y simétrico al efecto invernadero: en el efecto invernadero, la atmósfera deja entrar la radiación sin dejar salir la radiación térmica, calentando así la superficie corporal; en el efecto anti-invernadero, la atmósfera mantiene la radiación fuera mientras deja salir la radiación térmica, lo que reduce la temperatura de equilibrio de la superficie. Se ha propuesto tal efecto para Titán , la luna de Saturno . [42]

Efecto invernadero desbocado

Ver también: efecto invernadero desbocado

Se produce un efecto invernadero desbocado si la retroalimentación positiva conduce a la evaporación de todos los gases de efecto invernadero a la atmósfera. [43] Hace mucho tiempo que se ha planteado la hipótesis de que un efecto invernadero desbocado que involucra dióxido de carbono y vapor de agua ocurrió en Venus, [44] esta idea todavía es ampliamente aceptada. [45]

Cuerpos distintos de la Tierra

El 'efecto invernadero' en Venus es particularmente grande por varias razones:

  1. Está más cerca del Sol que de la Tierra en aproximadamente un 30%.
  2. Su atmósfera muy densa se compone principalmente de dióxido de carbono. [46]

"Venus experimentó un efecto invernadero desbocado en el pasado, y esperamos que la Tierra lo haga en unos 2 mil millones de años a medida que aumenta la luminosidad solar". [47]

Titán es un cuerpo con efecto invernadero y efecto anti-invernadero . La presencia de N 2 , CH 4 y H 2 en la atmósfera contribuye a un efecto invernadero, aumentando la temperatura de la superficie en 21K por encima de la temperatura esperada del cuerpo sin atmósfera. La existencia de una neblina a gran altitud, que absorbe longitudes de onda de la radiación solar pero es transparente al infrarrojo, contribuye a un efecto anti-invernadero de aproximadamente 9K. El efecto neto del resultado de estos dos fenómenos es un calentamiento neto de 21K- 9K = 12K, por lo que Titán es 12 K más cálido de lo que sería si no hubiera atmósfera. [48] [49]

Ver también

  • Principales contribuyentes a las emisiones de gases de efecto invernadero
  • Punto de inflexión climático

Referencias

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  48. ^ McKay, CP; Pollack, JB; Courtin, R. (6 de septiembre de 1991). "Los efectos invernadero y anti-invernadero en Titán". Ciencia . 253 (5024): 1118–1121. Código Bibliográfico : 1991Sci ... 253.1118M . doi : 10.1126 / science.11538492 . ISSN 0036-8075 . PMID 11538492 . S2CID 10384331 .   
  49. ^ "Titán: invernadero y anti-invernadero" . Revista de Astrobiología . 3 de noviembre de 2005 . Consultado el 4 de noviembre de 2019 .

Otras lecturas

  • Businger, Joost Alois ; Fleagle, Robert Guthrie (1980). Introducción a la física atmosférica . Geofísica internacional (2ª ed.). Académico. ISBN 978-0-12-260355-6.
  • Henderson-Sellers, Ann ; McGuffie, Kendal (2005). Una cartilla de modelado climático (3ª ed.). Wiley. ISBN 978-0-470-85750-2.

enlaces externos

  • Universidad de Rutgers: Presupuesto de radiación terrestre
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