10.6: La enorme importancia del clima
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El aspecto más importante de la atmósfera para los humanos y otros seres vivos es el clima. El clima consiste en tendencias a largo plazo en el clima y varía mucho sobre la superficie de la Tierra. Por ejemplo, el clima en las regiones desérticas del mundo puede ser relativamente caluroso y seco, pero el clima en tales regiones a veces puede producir lluvias torrenciales o temperaturas gélidas. De todas las cosas que los humanos podrían hacer para dañar irreversiblemente y catastróficamente a la Madre Tierra, el único hogar que tienen o pueden tener, el potencial para cambiar el clima es el más grave. Está bien establecido que el clima ha cambiado notablemente en tiempos pasados, sobre todo durante varias edades de hielo que duraron miles de años cada una. Las erupciones volcánicas señaladas en los relatos históricos han causado un enfriamiento temporal de la atmósfera y un hambre generalizada cuando las temporadas de crecimiento de verano se acortaron como resultado. Los datos de anillos de árboles indican sequías de siglos de duración en partes del mundo en el pasado, lo que resultó en el declive de algunas civilizaciones en el actual suroeste de Estados Unidos, por ejemplo. A pesar de que se trataba de eventos naturales, los datos meteorológicos recientes indican cambios en el microclima debido a las actividades humanas. Por ejemplo, algunas zonas urbanas del sudeste asiático se han vuelto más oscuras en las últimas décadas debido a la contaminación del aire particulada.
De todas las cosas que pueden estar haciendo los humanos que podrían cambiar el clima, las emisiones de grandes cantidades de gases que provocan el calentamiento atmosférico son las más graves. De estos, el dióxido de carbono, el CO 2, es el más importante. El dióxido de carbono es un constituyente normal de la atmósfera, esencial como fuente de carbono para la fotosíntesis vegetal. Junto con el vapor de agua y otros gases traza, el dióxido de carbono atmosférico absorbe la radiación infrarroja saliente de la Tierra, manteniendo así la temperatura superficial del planeta a un nivel tolerable. Los niveles de gas dióxido de carbono en la atmósfera son ahora de aproximadamente 390 partes por millón en volumen. Esto representa un incremento de casi 50% sobreestimado las concentraciones preindustriales de 260 ppm. Además, como muestra la gráfica de la Figura 10.4, los niveles globales de CO 2 están aumentando en aproximadamente 1 ppm por año, y la evidencia de núcleos de hielo indica que estos niveles fueron solo de aproximadamente 200 ppm en el pico de la última edad de hielo hace alrededor de 18,000 años. Entonces, los humanos claramente están aumentando significativamente los niveles de dióxido de carbono atmosférico, en gran parte a través de la combustión de combustibles fósiles que contienen carbono y como resultado de la destrucción de los bosques. La importancia de la fotosíntesis en la determinación del dióxido de carbono atmosférico se ilustra mediante el recuadro en la Figura 10.4 que muestra una fluctuación anual de aproximadamente 5 ppm de CO 2 en el hemisferio norte atribuida a la fotosíntesis. El mínimo en este ciclo ocurre alrededor de septiembre al final de la temporada de crecimiento de verano y el máximo ocurre alrededor de abril ya que la fotosíntesis se está poniendo en marcha después del invierno.
La preocupación por el aumento del dióxido de carbono en la atmósfera es que conducirá a —de hecho está llevando a— un exceso de algo bueno, el calentamiento de la atmósfera global. Este es el ahora bien conocido efecto invernadero, que puede no llegar a ser tan grave como predicen algunos expertos, pero que tiene una posibilidad real de convertirse en el peor problema ambiental creado hasta ahora por los humanos.
¿Está calentando la Tierra? Modelos de computadora sofisticados indican que está respaldado por evidencia de registros de temperatura cada vez más precisos a lo largo de más de 100 años. Estos registros de temperatura han sido especialmente precisos en las últimas décadas porque han sido leídos por toda la superficie de la Tierra por satélite. Las temperaturas globales analizadas por el Instituto Goddard de Estudios Espaciales (GISS) en la ciudad de Nueva York muestran que la década de 1980 fue la década más cálida registrada a nivel mundial ya que se han medido temperaturas globales razonablemente precisas. La década de 1980 fue seguida por una década más cálida en la década de 1990 y la década más cálida de todas desde principios de 2000 hasta finales de 2009 (ver Figura 10.5). El año más caluroso jamás documentado históricamente fue 2005 con 1998, 2002, 2003, 2006, 2007 y 2009, todos esencialmente empatados en segundo lugar.
Gases distintos al dióxido de carbono pueden estar involucrados en el calentamiento del invernadero. Estos incluyen clorofluorocarbonos y N 2 O. El que más probabilidades de causar un problema es el metano, el CH4, que ha aumentado desde niveles atmosféricos preindustriales estimados de 0.70 ppm, hasta presentar valores de l.8ppm. Aunque estos valores son mucho más bajos que los del dióxido de carbono, cada molécula de metano es 20 a 30 veces más efectiva en la captura de calor que cada molécula de CO 2. Varias ctividades humanas han contribuido a la liberación de metano. Parte de esto se debe a la fuga de gas natural, que consiste en metano, y por la liberación como subproducto de la producción de petróleo. El estallido de 2010 del pozo Deepwater Horizon en el Golfo de México liberó grandes cantidades de metano que habían sido secuestrados en gran parte en combinación con el agua como hidratos de metano sólido muy por debajo del fondo oceánico. Estas estructuras que contienen metano pertenecen a una clase de materiales llamados clatratos, una red inherentemente inestable de moléculas hospedadoras que contienen cavidades abiertas. En el caso de los hidratos de metano los clatratos son conglomerados de aproximadamente 46 moléculas de H 2 O que encierran moléculas de CH 4. Los hidratos de metano pueden formarse y ser estables bajo presión a temperaturas significativamente superiores al punto de congelación del agua. Se estima que en estas estructuras hay más metano contenido a nivel mundial que en todos los yacimientos de gas natural. Una preocupación importante con el calentamiento global es que el metano contenido en los hidratos de metano retenidos por el permafrost se liberará provocando un bucle de retroalimentación que pondrá aún más metano en la atmósfera y dará como resultado un calentamiento aún mayor. Las bacterias que crecen en ausencia de oxígeno en los vertederos municipales, en arrozales y en los estómagos de animales rumiantes (vacas, ovejas, alces) liberan enormes cantidades de metano.
Aunque podría haber algunos beneficios del calentamiento global leve, el efecto neto sería casi seguro que sería malo, quizás catastrófico. Los modelos climáticos predicen un aumento promedio de la temperatura global de 1.5—5° C. Eso no suena como mucho, pero es aproximadamente tan nuevo como el aumento de temperatura que se produjo desde la última edad de hielo hasta ahora. Especialmente si el calentamiento es hacia el lado alto del rango proyectado, afectaría mucho el clima y las precipitaciones. El derretimiento de los casquetes polares y de Groenlandia junto con la expansión de las aguas oceánicas más cálidas harían que los niveles del mar aumentaran tanto como 0.5—1.5 metros. La disminución de las precipitaciones y el aumento de la evaporación del agua contribuirían a una severa sequía y escasez de agua que podría hacer que algunas zonas actualmente populares del mundo sean prácticamente inhabitables.
¿Puede la química verde ayudar a lidiar con el calentamiento global?
La química verde y el área relacionada de la ecología industrial pueden ayudar a enfrentar el problema del calentamiento global en dos grandes aspectos. El primer enfoque es proporcionar medios para evitar que se produzca el calentamiento global. El segundo enfoque es hacer frente al calentamiento global, si ocurre.
La prevención del calentamiento global se logra mejor evitando la liberación de posibles gases de efecto invernadero. Como se señaló anteriormente, el más significativo de estos es el dióxido de carbono. Una forma de reducir la liberación de dióxido de carbono es mediante el uso de biomasa como combustible o materia prima para la fabricación de diversos productos. La quema de un combustible de biomasa sí libera dióxido de carbono a la atmósfera, pero una cantidad exactamente igual de dióxido de carbono se eliminó de la atmósfera en el proceso fotosintético por el cual se hizo la biomasa, por lo que no hay adición neta de CO 2. A menos que o hasta que los materiales derivados de la biomasa utilizados en las materias primas sean quemados o biodegradados, su uso representa una pérdida neta de dióxido de carbono de la atmósfera.
Otro uso potencial de la química verde para evitar la adición de dióxido de carbono a la atmósfera es a través del secuestro de carbono en el que se produce el dióxido de carbono, pero se une en una forma tal que no se libera a la atmósfera. Este enfoque tiene el mayor potencial en aplicaciones donde el dióxido de carbono se produce en forma concentrada. En el Capítulo 16, se muestran reacciones mediante las cuales el carbono del carbón se hace reaccionar con oxígeno y agua para producir hidrógeno elemental y dióxido de carbono. La reacción neta para esta producción es la siguiente:
\[\ce{2C + O2 + 2H2O \rightarrow 2CO2 + 2H2}\]
El hidrógeno generado puede ser utilizado como combustible libre de contaminación en pilas de combustible o motores de combustión. El dióxido de carbono puede ser bombeado a las aguas profundas del océano, aunque esto tiene el potencial de bajar ligeramente el pH del océano, lo que sería perjudicial para los organismos marinos. Otra opción es bombear el dióxido de carbono bajo tierra profunda. Un beneficio secundario de este último enfoque es que en algunas áreas el dióxido de carbono bombeado bajo tierra puede usarse para recuperar petróleo crudo adicional de formaciones petroleras agotadas.
Un enfoque de química verde indirecta para la reducción de las emisiones de dióxido de carbono es desarrollar métodos alternativos de producción de energía. Una cosa que sería muy beneficiosa es el desarrollo de células fotovoltaicas más eficientes. Estos dispositivos se han vuelto marginalmente competitivos para la generación de electricidad, e incluso mejoras relativamente pequeñas en la eficiencia permitirían su uso mucho más amplio, reemplazando las fuentes de generación de electricidad de combustibles fósiles. Otro dispositivo que sería extremadamente útil es un sistema para la disociación fotoquímica directa del agua para producir hidrógeno elemental y oxígeno, que podría ser utilizado en celdas de combustible. Una aplicación de la bioquímica verde que reduciría las emisiones de dióxido de carbono es el desarrollo de plantas con eficiencias mucho mayores para la fotosíntesis. Las plantas ahora solo son aproximadamente 0.5% eficientes en la conversión de energía lumínica en energía química. Elevar este valor a solo 1% marcaría una gran diferencia en la economía de producir biomasa como sustituto del carbono fósil.
La química verde también se puede aplicar en la prevención de la liberación de gases de efecto invernadero distintos del dióxido de carbono, especialmente compuestos volátiles ultrastables que tienen un alto potencial de gases de efecto invernadero. Un excelente ejemplo de química verde ha sido el reemplazo de clorofluorocarbonos (Freones) por compuestos análogos que tienen al menos un enlace C-H, que se destruyen bastante fácilmente en la troposfera. Si bien esto se hizo para evitar la destrucción del ozono estratosférico por los clorofluorocarbonos, ha sido útil para reducir el calentamiento del invernadero. Ambos tipos de compuestos actúan como gases de efecto invernadero, pero aquellos con al menos un enlace C-H duran tiempos mucho más cortos durante los cuales están disponibles para absorber la radiación infrarroja. Como se discute en la Sección 10.10, la química verde se puede aplicar para evitar generar hexafluoruro de azufre extremadamente estable, SF 6, e hidrocarburos completamente fluorados, como el CF 4.
Otro enfoque es limitar las emisiones de metano, CH 4. Grandes cantidades de metano son liberadas por bacterias anóxicas que crecen en arrozales inundados. Al desarrollar cepas de arroz y medios de cultivo que permitan que el cultivo sea cultivado en suelo no inundado, esta fuente de metano se puede reducir en gran medida. Los sistemas de recolección de metano colocados en los vertederos de desechos municipales pueden evitar la liberación de metano de esta fuente y proporcionar una fuente de combustible de metano.
La química verde, la bioquímica y la biología se pueden utilizar para lidiar con el calentamiento global cuando ocurre. Se pueden desarrollar cultivos, fertilizantes y pesticidas que permitan que las plantas crezcan bajo las condiciones de sequía que seguirían al calentamiento global. Otro enfoque es el desarrollo de cultivos tolerantes a la sal que pueden cultivarse en suelos regados con agua salina, donde los suministros de agua dulce son limitados.