Efecto invernadero

El efecto invernadero es un proceso que ocurre cuando la energía del sol de un planeta atraviesa su atmósfera y calienta la superficie del planeta, pero la atmósfera evita que el calor regrese directamente al espacio, lo que resulta en un planeta más cálido. La luz que llega de nuestro Sol atraviesa la atmósfera de la Tierra y calienta su superficie. La superficie calentada luego irradia calor, que es absorbido por gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono. Sin el efecto invernadero natural, la temperatura promedio de la Tierra estaría muy por debajo del punto de congelación. Los aumentos actuales de gases de efecto invernadero causados ​​por el hombre atrapan mayores cantidades de calor, lo que hace que la Tierra se caliente con el tiempo.

Todo lo que se calienta irradia energía relacionada con su temperatura: el Sol a unos 5500 °C (9930 °F) envía la mayor parte como luz visible e infrarroja cercana, mientras que la temperatura media de la superficie de la Tierra, de unos 15 °C (59 °F), emite calor radiante infrarrojo de longitud de onda más larga . La atmósfera es transparente a la mayoría de la luz solar entrante y permite que su energía llegue a la superficie. El término efecto invernadero proviene de una analogía defectuosa que compara esto con el vidrio transparente que permite que la luz del sol entre en los invernaderos, pero los invernaderos retienen principalmente el calor al restringir el movimiento del aire, a diferencia de este efecto.

La mayor parte de la atmósfera es transparente al infrarrojo, pero una pequeña proporción de gases de efecto invernadero la hace casi completamente opaca a las longitudes de onda emitidas por la superficie. Las moléculas de gases de efecto invernadero absorben y emiten este infrarrojo, por lo que se calientan y emiten calor radiante en todas las direcciones, calentando otras moléculas de gases de efecto invernadero y transmitiendo calor al aire circundante. El calor radiante que va hacia abajo aumenta aún más la temperatura de la superficie, lo que se suma a la energía que sube a la atmósfera. Sin el efecto invernadero natural de la Tierra, la Tierra sería más de 30 °C (54 °F) más fría.

La luz del sol varía de día y de noche, según la estación y según la distancia desde el ecuador. Aproximadamente la mitad de la luz solar disponible se refleja en las nubes y en la superficie de la Tierra, según su reflectividad. Los gases de efecto invernadero varían en efecto, tiempo en la atmósfera y altitud, lo que genera retroalimentaciones positivas. Las variaciones son compensadas por el motor térmico de la Tierra que provoca flujos de energía. Eventualmente, las capas más altas de la atmósfera tienden a emitir tanta energía al espacio como la que llega del Sol, formando el balance de energía de la Tierra.

Se produce un efecto invernadero descontrolado si las retroalimentaciones positivas conducen a la evaporación de todos los gases de efecto invernadero a la atmósfera, como sucedió con el dióxido de carbono y el vapor de agua en Venus.

Historia

La existencia del efecto invernadero, aunque no se nombra como tal, fue propuesta por Joseph Fourier en 1824. El argumento y la evidencia fueron fortalecidos aún más por Claude Pouillet en 1827 y 1838. John Tyndall fue el primero en medir la absorción y emisión infrarroja de diversos gases y vapores. A partir de 1859, demostró que el efecto se debía a una proporción muy pequeña de la atmósfera, sin que los principales gases tuvieran efecto, y se debía en gran parte al vapor de agua, aunque pequeños porcentajes de hidrocarburos y dióxido de carbono tenían un efecto significativo. 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.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.

Descripción

El grupo de trabajo 1 del Sexto Informe de Evaluación del IPCC define el efecto invernadero como:

El efecto radiativo infrarrojo de todos los constituyentes absorbentes de infrarrojos en la atmósfera. Los gases de efecto invernadero (GEI), las nubes y algunos aerosoles absorben la radiación terrestre emitida por la superficie de la Tierra y en otras partes de la atmósfera. Estas sustancias emiten radiación infrarroja en todas las direcciones, pero, en igualdad de condiciones, la cantidad neta emitida al espacio es normalmente menor que la que se habría emitido en ausencia de estos absorbentes debido a la disminución de la temperatura con la altitud en la troposfera y la consiguiente debilitamiento de la emisión. Un aumento en la concentración de GEI aumenta la magnitud de este efecto; la diferencia a veces se denomina efecto invernadero mejorado. El cambio en la concentración de GEI debido a las emisiones antropogénicas contribuye a un forzamiento radiativo instantáneo. Tierra'

La Tierra recibe energía del Sol en forma de radiación ultravioleta, visible e infrarroja cercana. Alrededor del 26 % de la energía solar entrante se refleja 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 en 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 flujos de calor sensible y latente desde la superficie. La atmósfera irradia energía tanto hacia arriba como hacia abajo; la parte radiada 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 conductor térmico ideal 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% 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). La temperatura de la superficie de este planeta hipotético es de 33 °C (59 °F) por debajo de la temperatura real de la superficie de la Tierra de aproximadamente 14 °C (57 °F). El efecto invernadero es la contribución de los gases de efecto invernadero y los aerosoles a esta diferencia, siendo el modelado imperfecto de las nubes la principal incertidumbre.

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 del calor que se pierde desde la superficie es por convección. Sin embargo, las pérdidas de energía por radiación 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 efectivamente acoplada a la superficie por una tasa de variación. Una imagen simple también asume un estado estacionario, pero en el mundo real, el ciclo diurno, así como el ciclo estacional y las perturbaciones climáticas, complican las cosas. La calefacción solar se aplica solo durante el día. Durante la noche, el ambiente 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" de alrededor de -18 ° C (0 ° F), irradia calor infrarrojo de longitud de onda larga en el rango de 4 a 100 μm. En estas longitudes de onda, los gases de efecto invernadero que eran en gran parte transparentes a la radiación solar entrante son más absorbentes.Cada capa de la atmósfera con gases de efecto invernadero absorbe parte del calor que se irradia hacia arriba desde las capas inferiores. Se vuelve a irradiar en todas las direcciones, tanto hacia arriba como hacia abajo; en equilibrio (por definición) la misma cantidad que ha absorbido. Esto da como resultado más calor debajo. El aumento de la concentración de los gases aumenta la cantidad de absorción y re-radiación y, por lo tanto, calienta aún más las capas y, en última instancia, la superficie debajo.

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 principales constituyentes— N
₂, oh
₂, y Ar—no son capaces de 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 el IR.

Ejemplos en la atmósfera

Gases de invernadero

Por su contribución porcentual al efecto invernadero en la Tierra, los cuatro principales gases de efecto invernadero son:

• vapor de agua, ~50% (~75% incluyendo nubes)
• 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). Una molécula de agua solo permanece en la atmósfera durante un promedio de 8 a 10 días, lo que se corresponde con una alta variabilidad en la contribución de las nubes y la humedad en cualquier momento y lugar en particular.

Hay otros gases influyentes que contribuyen al efecto invernadero, incluidos el óxido nitroso (N ₂ O), los perfluorocarbonos (PFC), los clorofluorocarbonos (CFC), los hidrofluorocarbonos (HFC) y el hexafluoruro de azufre (SF6).

Nubes

Las nubes son una forma especial de agua que tienen una gran influencia en el presupuesto energético de la Tierra. Las nubes absorben y emiten radiación infrarroja y, por lo tanto, afectan las propiedades radiativas de la atmósfera. El efecto de las nubes depende del tipo de nubes. Los tipos específicos de nubes pueden tener grandes contribuciones al efecto invernadero. Las nubes más altas suelen tener un efecto invernadero más grande, y hay retroalimentación de la altitud de las nubes altas tropicales.

Aerosoles

Unos pocos aerosoles absorben la radiación solar, siendo el más importante el carbono negro, sobre el que se está investigando ya que provoca varios efectos, no solo el efecto invernadero.

Papel en el cambio climático

El fortalecimiento del efecto invernadero a través de las actividades humanas se conoce como efecto invernadero mejorado (o antropogénico). Además de deducirse de las mediciones del satélite CERES a lo largo del siglo XXI, este aumento en el forzamiento radiativo de la actividad humana se ha observado directamente y se atribuye principalmente al aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico.Según el Informe de Evaluación de 2014 del Panel Intergubernamental 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 principal del calentamiento observado desde mediados del siglo XX'".

El CO ₂ es producido por la quema de combustibles fósiles y otras actividades como la producción de cemento y la deforestación tropical. Las mediciones de CO ₂ del Observatorio de Mauna Loa muestran que las concentraciones han aumentado de aproximadamente 313 partes por millón (ppm) en 1960, superando el hito de 400 ppm en 2013. La cantidad actual de CO ₂ observada supera los máximos del registro geológico (≈300 ppm ) a partir de datos de testigos de hielo. 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, los datos de 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. 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.

Invernaderos reales

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

Un invernadero está construido con cualquier material que deje pasar la luz del sol: generalmente vidrio o plástico. El sol calienta el suelo y el contenido interior al igual que el exterior, y estos luego calientan el aire. Afuera, el aire cálido cerca de la superficie sube y se mezcla con el aire más frío en lo alto, 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. Por lo tanto, los invernaderos funcionan principalmente evitando el enfriamiento por convección.

Los invernaderos calefaccionados son otro asunto: como tienen una fuente interna de calor, es deseable minimizar la cantidad de calor que se escapa por el enfriamiento radiativo. Esto se puede hacer mediante el uso de vidriado adecuado.

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

Efectos relacionados

Efecto anti-invernadero

El efecto antiinvernadero es un mecanismo similar y simétrico al efecto invernadero: en el efecto invernadero, la atmósfera deja entrar la radiación pero no deja salir la radiación térmica, calentando así la superficie del cuerpo; en el efecto anti-invernadero, la atmósfera mantiene fuera la radiación mientras deja salir la radiación térmica, lo que reduce la temperatura superficial de equilibrio. Tal efecto ha sido propuesto para la luna Titán de Saturno.

Efecto invernadero desbocado

Se produce un efecto invernadero descontrolado si las retroalimentaciones positivas conducen a la evaporación de todos los gases de efecto invernadero a la atmósfera. Hace mucho tiempo se planteó la hipótesis de que ocurrió un efecto invernadero descontrolado que involucraba dióxido de carbono y vapor de agua en Venus, esta idea todavía se acepta en gran medida. El planeta Venus experimentó un efecto invernadero descontrolado, lo que resultó en una atmósfera con un 96% de dióxido de carbono y una presión atmosférica superficial aproximadamente igual a la que se encuentra a 900 m (3000 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 subió a los 735 K (462 °C; 863 °F) actuales.

Cuerpos que no sean la Tierra

Aparte de la Tierra, hay otros planetas en el sistema solar que también tienen efecto invernadero. El efecto invernadero en Venus es particularmente grande, lo que eleva la temperatura de su superficie hasta 462 °C (864 °F). Esto se debe a varias razones:

1. Está más cerca del Sol que la Tierra en aproximadamente un 30%.
2. Su atmósfera muy densa se compone principalmente de dióxido de carbono, aproximadamente el 97%.

"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".

Titan es una carrocería con efecto invernadero y efecto antiinvernadero. La presencia de N ₂ , CH ₄ y H ₂ en la atmósfera contribuye al efecto invernadero, aumentando la temperatura superficial en 21 K sobre la temperatura esperada del cuerpo sin atmósfera. La existencia de una neblina a gran altura, que absorbe longitudes de onda de la radiación solar pero es transparente al infrarrojo, contribuye a un efecto antiinvernadero 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.