Este análisis fue desarrollado por Marie-Antoinette Mélières del laboratorio de glaciología y geofísica del medio ambiente (LGGE Francia) y divulgado por el centro nacional de investigación científica (CNRS Francia), donde los fundamentos se detallan a continuación. He intentado ser lo más fiel a su desarrollo, aportando los esquemas oportunos para su comprensión. El principal propósito de este artículo es el de aportar una explicación simple de los mecanismos que intervienen en el efecto invernadero de la tierra, con un acercamiento esquemático de los diversos procesos energéticos que intervienen.
1Valor de la temperatura media
Esta temperatura es obtenida realizando el promedio de las temperaturas reinantes sobre toda la superficie terrestre (océanos y continentes), llevándolo a nivel de mar y considerando los valores de todo el año. El valor de este promedio asciende a 15ºC.
Todo objeto mantenido a una cierta temperatura, pierde de forma constante energía bajo forma de radiación. Esta energía es función de la temperatura del objeto. Cuando la temperatura es elevada, la radiación emitida por su superficie es luminosa, mientras que cuando se encuentra a una temperatura moderada, la radiación es invisible para el ojo humano.
Decir que la temperatura de la superficie terrestre es de 15ºC es equivalente a considerar que cada metro cuadrado de superficie terrestre irradia 390 W. (Radiación infrarroja).
Es sobre esta base que todos los datos climatológicos se fundan y no sobre la temperatura.
2¿De dónde proviene esta energía?
Mayoritariamente, esta energía proviene del sol, considerando que la energía geotérmica que emana de las profundidades terrestre no representa más que una milésima parte de la energía solar y que las energías tales como radiación cósmica, es del orden del millonésimo.
3Energía solar
La energía solar llega a la tierra bajo forma de radiación solar. El ojo humano percibe la parte visible de esa energía, es decir 40%, quedando el resto bajo forma de infrarrojos (50%) y ultravioletas (10%).
Si se realiza el promedio de esa energía solar que llega al planeta, obtenemos 342 W/m², de los cuales 30% (107W/m²) se encuentran reenviados al exterior de la atmósfera, mientras que el resto de esa energía (235W/m²) es absorbida por la atmósfera y superficie terrestre (océanos y continentes).
4Temperatura en la superficie terrestre
Esta temperatura es el resultado de un equilibrio energético entre las aportaciones caloríficas frente a las pérdidas energéticas. El valor de esa energía de equilibrio asciende a 492W/m². Para poder disponer de una visión clara de los mecanismos, se procede a analizar cada uno de los conceptos que mantienen este equilibrio energético.
Cualquier modificación de estos términos generará un nuevo equilibrio provocando una variación de la temperatura de la superficie terrestre y por lo tanto un cambio climático.
Pérdidas de energía
Existen tres mecanismos que intervienen en el enfriamiento (pérdida de energía) de la superficie de la tierra y que son:
Radiación infrarroja emitida por la tierra
El planeta al estar a una cierta temperatura origina radiación. Esta radiación se encuentra fijada por la temperatura, implicando para la tierra, una radiación de tipo infrarroja centrada a 10 micrómetros. Esta radiación infrarroja emitida por la tierra asciende a una pérdida energética de aproximadamente 390W/m² considerando la temperatura media del planeta de 15ºC. Esta energía deja la superficie terrestre donde 90% es captada por la atmósfera y 10% logra salir hacia el espacio.
La evaporación del agua
El agua de la tierra en estado líquido y se evapora de forma constante hacia la atmósfera, provocando la formación de nubes por el efecto de la condensación. Esta cantidad de agua por condensación retorna a la superficie terrestre en forma de lluvias. Existe una evaporación de 3 mm de agua por día y m² de superficie terrestre, implicando un enfriamiento del planeta correspondiente a 78 W/m².
El calentamiento del aire debido al suelo
El suelo terrestre se encuentra a una temperatura superior a la del aire, generando un enfriamiento de la superficie por contacto Tierra-aire. Las masas de aire, calentadas por este fenómeno, se elevan, produciendo movimientos de aire verticales de la atmósfera. Esta pérdida asciende a 24 W/m².
Ganancia de energía
A la contra, el aporte energético de la tierra, se efectúa por dos fenómenos que son:
La radiación solar
Tal y como se comentó anteriormente, la radiación solar asegura parte del calentamiento terrestre, en torno a 235 W/m². Cuando esta radiación atraviesa la atmósfera, el vapor de agua y ozono que la componen, absorben una parte de esa energía (67W/m²) dejando pasar el resto (168 W/m²).
La radiación infrarroja emitida por la atmósfera
Al igual que para la superficie terrestre (continentes y océanos) que emiten radiación infrarroja debido a su temperatura, la atmósfera emite radiación. Parte de esa radiación (195 W/m²) es enviada al espacio y el resto absorbida por la superficie terrestre (324 W/m²). Esta energía absorbida por la superficie terrestre, permite que durante los periodos nocturnos donde no existe radiación solar, la temperatura sea moderada.
Procedencia de esa energía contenida en la atmósfera
La energía que irradia la atmósfera (519 W/m²), y que corresponde a toda la energía que pierde la atmósfera, es entregada por cuatro factores que son:
- La condensación del vapor de agua (78 W/m²): La energía que se almacena en las nubes fue retirada por el efecto de evaporación de la superficie terrestre, aportando un calentamiento atmosférico.
- El calentamiento de las masas de aire (24 W/m²) a través de la superficie terrestre.
- La radiación solar (67 W/m²).
- La radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre (390W/m²) de los cuales 350W/m² son absorbidos por la atmósfera.
Los componentes de la atmósfera que absorben mayormente la radiación infrarroja son el vapor de agua, el dióxido de carbono y las nubes. Resulta complicado evaluar la influencia de cada uno de los componentes de la atmósfera que interfieren en el efecto invernadero. Una de las formas simples corresponde en considerar que la atmósfera está constituida de uno de los componentes y estimar la cantidad de radiación infrarroja emitida sobre la superficie que es absorbida por él.
Por lo tanto,
- El vapor de agua absorbe 50% de los 390 W/m² emitidos por la superficie terrestre.
- El dióxido de carbono absorbe 25% de esa energía.
- Esta absorción de radiación infrarroja se realiza en frecuencias diferentes en ambos componentes, implicando que la energía absorbida será la suma de ambos. (75%)
- Las nubes cubren la mitad de la superficie terrestre y absorben 100% de esta radiación en todos los rangos de frecuencia. Por lo tanto, esta absorción se superpone a las dos anteriores.
La acción de estos cuatro fenómenos de aportación energética genera que la atmósfera absorba y almacene a cada segundo 519 W/m².
En vista de que la atmósfera se encuentra en equilibrio y que no almacena energía suplementaria, implica que se emita toda la energía sobrante, bajo forma de radiación infrarroja:
- 195 W/m² hacia el exterior de la atmósfera
- 324W/m² hacia la superficie terrestre (donde son absorbidos).
5Balance global
La superficie terrestre (océanos y continentes) se encuentra en equilibrio energético, absorbiendo y perdiendo 492 W/m².
A continuación, se muestra el conjunto de los parámetros anteriormente detallados bajo forma de esquema, destacando las energías de la atmósfera, superficie terrestre y emitidas hacia el exterior.
6Efecto invernadero
El efecto de invernadero se basa en que la superficie terrestre se enfría, emitiendo una radiación infrarroja. La atmósfera absorbe parte de esa energía irradiada por esos gases de efecto invernadero, volviendo a emitirla hacia la superficie terrestre.
La cuantificación de este efecto invernadero es evaluado considerando que la superficie terrestre pierde 390W/m² por radiación infrarroja y gana 235 W/m² por radiación solar.
Los 390W/m² corresponden a una temperatura media de 15ºC y los 235W/m² equivalen a una temperatura de -19ºC. La diferencia entre ambas energías corresponde a la aportación por efecto invernadero que asciende a 155 W/m², de los cuales 100 W/m² están ligados al vapor de agua y 50W/m² al CO2. Hablando de temperaturas esa energía supone 30ºC de los cuales 20ºC se encuentran sujetos al vapor de agua y 10ºC al CO2.
7Impacto de la actividad humana
Existen diversos escenarios previstos que se basan en la evolución de la composición de la atmósfera que se fundamentan a hipótesis bajas o altas de consumo.
El escenario más conocido por los científicos es considerar que se doblará las emisiones de CO2 en las futuras décadas, manteniendo los otros gases a efecto invernadero constantes. Este escenario implicaría un incremento de la energía de 4W/m² lo que supondría en términos de temperatura una elevación de la temperatura media de 1ºC. En definitiva, cualquier alteración de los conceptos energéticos, implica una variación del equilibrio energético, pudiendo ser superior (retroacción positiva) o inferior (retroacción negativa) a +1ºC. Pero en ambos casos, existe un calentamiento. Esta estimación de las retroacciones resulta compleja y existen multitud de modelos que permiten establecer un rango de calentamiento que se sitúa entre 1 ºC y 4ºC.
El doblar la cantidad de CO2 no implica multiplicar la energía ligada a este gas de 50W/m² a 100W/m², considerando que la absorción por el CO2 se encuentra saturada. Este fenómeno hace que el aumento energético sea entorno a un 10% (4 w/m²).
8Evolución climática
Tal y como se comentó anteriormente, la temperatura media corresponde a uno de los parámetros de base del clima. Cualquier efecto que sea provocado o natural interfiere en el balance de energía anteriormente mencionado, implicando una alteración del equilibrio energético de la tierra, y por lo tanto un cambio climático.
9Conclusión
Observando los diversos mecanismos que intervienen en la climatología, podemos visualizar que cualquier variación de estos parámetros implicarían un cambio climático. La evolución e industrialización de nuestra civilización incrementa el efecto invernadero, alterando este equilibrio. Es necesario llevar a cabo campañas de divulgación y fomentar una concienciación colectiva para limitar este impacto. El cambio climático es un hecho que requiere de una implicación individual y global.