7.3: La ciencia del cambio climático

¿Qué está causando el cambio climático global?

Los científicos han identificado la fuente de nuestro actual cambio climático global como el aumento de las emisiones humanas de gases de efecto invernadero como dióxido de carbono (CO ₂), metano (CH ₄) y óxido nitroso (N ₂ O), desde la revolución industrial. Los gases de efecto invernadero se definen como moléculas de gas grandes (al menos tres átomos) que participan en el efecto invernadero. Si bien ya conoces los “tres grandes” gases de efecto invernadero (CO ₂, CH ₄ y N ₂ O), es importante darse cuenta de que el vapor de agua (H ₂ O) también es un gas de efecto invernadero. Si bien los humanos tienen poco impacto directo en las concentraciones de vapor de agua en la atmósfera, sigue siendo un componente esencial del efecto invernadero natural que se produce en nuestra atmósfera.

La Tierra recibe energía del sol y a su vez irradia energía de regreso al espacio. Cuando estas dos energías son iguales, se logra una temperatura estable de la Tierra. Esta temperatura se puede calcular a partir de la física básica y es igual a aproximadamente -18°C (0°F). Esta temperatura de equilibrio térmico es obviamente mucho más fría que la de la superficie de la Tierra. El valor promedio real de la temperatura de la superficie terrestre es de aproximadamente 15°C (59°F). La diferencia entre estas temperaturas se debe principalmente a las concentraciones de gases naturales de efecto invernadero en la atmósfera, provocando el efecto invernadero. Si la Tierra no tuviera gases atmosféricos de efecto invernadero de origen natural, la temperatura en la superficie de la Tierra sería igual a la temperatura de equilibrio térmico. La influencia de estos gases de efecto invernadero, principalmente agua y algo de CO ₂, modera el clima de la Tierra y hace posible la vida (Figura\(\PageIndex{1}\)).

A medida que la radiación solar llega a la atmósfera de la Tierra, hay una variedad de posibilidades para su destino. Parte de la radiación solar es reflejada por la Tierra y su atmósfera, y no contribuye al calentamiento. Algunos pasan por la atmósfera y llegan a la superficie de la Tierra. Cuando esta radiación solar es absorbida por objetos en la superficie de la Tierra, es reemitida como radiación infrarroja (calor) que escapa al espacio. Sin embargo, parte de este calor es interceptado en la atmósfera por gases de efecto invernadero. Estos gases absorben y reemiten la radiación en todas las direcciones. Esto crea un impacto de calentamiento en la superficie de la Tierra. La radiación puede rebotar de una molécula de gas de efecto invernadero a otra, quedar atrapada y aumentar su potencial de calentamiento. Por esta razón, un aumento de la concentración de gases de efecto invernadero provoca un incremento en el potencial general de calentamiento de la atmósfera terrestre.

Figura\(\PageIndex{1}\): Este diagrama muestra el efecto invernadero de la Tierra. La Tierra absorbe parte de la energía que recibe del sol e irradia el resto hacia el espacio. No obstante, ciertos gases de la atmósfera, llamados gases de efecto invernadero, absorben parte de la energía que se irradia desde la Tierra y la atrapan en la atmósfera. Estos gases esencialmente actúan como una manta, haciendo que la superficie de la Tierra sea más cálida de lo que sería de otra manera. Si bien este efecto invernadero ocurre de forma natural, haciendo posible la vida tal como la conocemos, las actividades humanas en el siglo pasado han aumentado sustancialmente la cantidad de gases de efecto invernadero en la atmósfera, provocando que la atmósfera atrape más calor y provocando cambios en la temperatura de la Tierra. Crédito: US EPA

En una escala de tiempo geológico, el clima ha cambiado muchas veces en el pasado, incluso antes de la presencia de los humanos. Estos cambios ocurrieron naturalmente porque el hombre aún no había evolucionado. Un ejemplo bien conocido del cambio climático pasado es la ocurrencia de edades de hielo. Las edades de hielo han ocurrido repetidamente a lo largo de la historia de la Tierra, la edad de hielo más severa de la que los científicos tienen datos confiables ocurrió hace alrededor de 650.000 años. Durante este tiempo, el hielo glacial cubrió gran parte de Canadá, el norte de Estados Unidos y el norte de Europa; el nivel del océano disminuyó 120 m y la temperatura disminuyó 5°C.

Se conserva una historia geológica de eventos de hielo en las capas de hielo que cubren la Antártida y Groenlandia. Esta historia ha sido descubierta en las últimas décadas por científicos que se han sumergido profundamente en el hielo y han descifrado los registros de temperatura y composición atmosférica almacenados en el hielo. Este proceso de obtención de núcleos de hielo se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). La temperatura a la que se formó originalmente el hielo se puede obtener a partir de una interpretación de la relación medida de los isótopos estables (ver capítulo 1 suplemento para una descripción de isótopos) de oxígeno en las moléculas de agua que forman el hielo. La composición del gas atmosférico se toma de burbujas de aire atrapadas en el hielo en el momento de la formación. A partir de estos datos, los científicos han recopilado un conjunto de datos confiables que rastrean la temperatura atmosférica y las concentraciones de gas que se remontan a 800,000 años. Estos datos ayudaron a los científicos a llegar a la conclusión de que la temperatura de la Tierra y las concentraciones de gases de efecto invernadero están directamente correlacionadas entre sí (Figura\(\PageIndex{3}\)). Durante la edad de hielo de hace 650 mil años, la Tierra experimentaba una temperatura deprimida y concentraciones atmosféricas de CO ₂ por debajo de 200 partes por millón (ppm). También podemos ver a partir de estos datos, que las concentraciones de CO ₂ pueden elevarse naturalmente hasta alcanzar los 300 ppm, correlacionándose con el aumento de las temperaturas.

Figura\(\PageIndex{2}\): El 8 de diciembre de 2010, Michelle Koutnik, del Centro para el Hielo y el Clima de la Universidad de Copenhague, preparó mineral de hielo antártico para ser envuelto y colocado en tubos centrales para su transporte de regreso a los laboratorios de la Universidad Brigham Young en Utah. Pero primero, Koutnik midió la longitud, diámetro y peso del núcleo. El recorrido fue la primera de dos campañas de campo para estudiar la acumulación de nieve en la capa de hielo de la Antártida Occidental y atar la información a datos de mayor escala recopilados de satélites. 120 m, y el promedio global Crédito: NASA/Lora Koenig.

Figura\(\PageIndex{3}\): Estimaciones de la concentración cambiante de CO ₂ en la Tierra (arriba) y la temperatura antártica (abajo), con base en el análisis de datos de núcleos de hielo que se remontan a 800,000 años. Hasta el siglo pasado, los factores naturales causaron que las concentraciones atmosféricas de CO ₂ variaran dentro de un rango de aproximadamente 180 a 300 ppm. Los períodos más cálidos coinciden con períodos de concentraciones relativamente altas de CO ₂. NOTA: Los cambios de temperatura del siglo pasado y el rápido aumento del CO ₂ (a 400 ppm en 2015) no se muestran aquí. Fuente: Basado en datos que aparecen en NRC (2010).

El ciclo mayor de 100 mil años de las edades de hielo y algunas variaciones dentro de los ciclos concuerdan muy bien con las relaciones periódicas predichas entre la órbita de la Tierra alrededor del sol, generalmente conocidos como los ciclos Milankovitch. Los ciclos de Milankovitch describen las “oscilaciones” muy leves que ocurren en la inclinación y trayectoria de la Tierra a medida que se mueve alrededor del sol. La Tierra siempre está ligeramente inclinada sobre su eje con respecto al sol. El ángulo de esta inclinación, sin embargo, cambia periódicamente, variando de aproximadamente 22° a aproximadamente 25°. Una inclinación menos severa provocará veranos e inviernos más suaves cerca de los polos, lo que impedirá que el hielo de verano se derrita por completo en las regiones más septentrionales y meridionales, y permitirá una acumulación de hielo de año en año.

El camino por el que viaja la Tierra en su viaje alrededor del sol también cambia de una forma más circular a otra más alargada. Nuevamente, una órbita redonda provocará veranos e inviernos más suaves cerca de los polos. Estos son cambios a muy largo plazo, y los resultados de los ciclos de Milankovitch se pueden observar en los cambios de temperatura y concentración atmosférica de CO ₂ mostrados en la Figura\(\PageIndex{3}\). El evento del cambio climático que los científicos están documentando actualmente está ocurriendo mucho más rápidamente de lo que podría explicarse por los ciclos de Milankovitch. Por lo tanto, los científicos coinciden en que la causa de nuestro clima actualmente cambiante se debe a impactos humanos y no a fuerzas naturales.