¿Qué
es el efecto invernadero?
René Garduño*
TODOS –ABSOLUTAMENTE TODOS– los cuerpos emiten radiación;
estos rayos o fotones son ondas electromagnéticas que no
necesitan ningún medio material para propagarse, más
bien la materia dificulta su avance. Como cualquier onda, las
electromagnéticas se caracterizan por su longitud de onda
o –alternativamente– por su frecuencia, siendo ambas
cantidades inversamente proporcionales: una onda larga es de baja
frecuencia y una corta es de alta frecuencia. Se llama espectro
electromagnético el (o un) conjunto total (o parcial) de
ondas de diversas frecuencias (Garduño 1998).
La luz (visible) es la radiación electromagnética
más conocida; abarca cierto intervalo del espectro y tiene
colores diversos que van del rojo al violeta conforme su frecuencia
va aumentando. Más allá del violeta siguen, sucesivamente,
según crece su frecuencia, la radiación (o luz)
ultravioleta, los rayos X y los gama ( d?). Más cerca al
rojo están formadas, conforme disminuye su frecuencia,
la radiación (o luz) infrarroja, las microondas y las de
TV y de radio (Garduño 1998).
La radiación emitida depende de la temperatura del cuerpo
emisor en dos aspectos: por un lado, la cantidad de radiación
aumenta tremendamente conforme lo hace la temperatura, y, por
otro, su longitud de onda disminuye cuando la temperatura sube.
En la atmósfera y el clima actúan dos tipos de radiación
claramente distintos: la luz visible originada en el Sol y la
radiación infrarroja (invisible) emitida por la Tierra.
La enorme diferencia entre ellas se debe a la gran disparidad
de temperaturas: el Sol emite su radiación como a 6 mil
grados centígrados (ºC); en cambio, los elementos
de la Tierra (el suelo, el mar, los casquetes polares, las capas
atmosféricas, las nubes, etc.) lo hacen a temperaturas
que andan alrededor de 0ºC. Por esta gran diferencia en su
longitud de onda, a la radiación solar se le llama de onda
corta, y a la terrestre, de onda larga, constituyendo espectros
francamente ajenos (Toharia 1984 y Voituriez 1994).
Por estar a una cierta distancia del Sol y tener un determinado
albedo (blancura, capacidad de reflejar la radiación que
le llega), la Tierra debiera tener una temperatura característica
de equilibrio llamada efectiva. Si el planeta estuviera más
lejos del Sol sería más frío, y si fuera
más negro (o mate) sería más caliente. Naturalmente,
a mayor distancia de la fuente se recibe menos radiación,
y un cuerpo más oscuro (o menos brilloso) absorbe más
radiación. La temperatura efectiva es el resultado neto
del balance entre la radiación solar (de onda corta) absorbida
por la Tierra y la emitida (en onda larga) por ella misma (Toharia
1984). Los valores concretos del albedo planetario y de la distancia
del planeta a la estrella determinan para la Tierra una temperatura
efectiva de -18ºC, un valor muy diferente de la temperatura
que realmente tiene el planeta (en su superficie), cuyo valor
típico (promedio anual y global) es de +15ºC, ¡33ºC
más arriba! Esta gran diferencia entre la temperatura efectiva
y la real se debe al efecto invernadero (EI), que se da en cualquier
planeta o satélite natural que tenga atmósfera.
Es decir, si la Tierra no tuviera atmósfera sería
33ºC más fría, un planeta helado (Cosgrove
1994, Rivera 1999, Suplee 1998 y Voituriez 1994).
El efecto invernadero resulta de que el aire es (muy) transparente
para la radiación de onda corta y (muy) opaco a la de onda
larga. O sea que la atmósfera es un filtro radiativo, que
deja pasar los rayos solares; unos de ellos son absorbidos por
la superficie terrestre (y por los demás componentes de
la Tierra), que se calienta(n) en consecuencia y entonces emite
la radiación terrestre, que es detenida (absorbida) por
la atmósfera y las nu- bes. Las capas atmosféricas
(y las nubes) van sucesivamente absorbiendo, calentándose
y reemitiendo (hacia arriba y hacia abajo) radiación térmica
procedente de abajo. El resultado de este complejo mecanismo es
sencillo: la atmósfera superficial es cálida y se
va enfriando conforme uno asciende a través de ella. En
realidad, el complejo dispositivo esbozado se complica más
por mecanismos termodinámicos no radiacionales. En primer
lugar, la convección atmosférica, consistente en
que el aire inferior, al calentarse por el contacto directo con
la superficie y por la radiación procedente de ella, se
dilata, aligera y sube, al tiempo que las porciones frías
(superiores) descienden, en un proceso continuo de mezcla vertical.
En segundo lugar está el mecanismo de cambio de fase del
agua, consistente en que el aire ascendente se enfría (principalmente
porque la densidad y la presión de la atmósfera
disminuyen con la altura) y entonces el vapor de agua contenido
en él se condensa, pasando de la fase gaseosa a la líquida.
Este proceso libera calor. De cualquier modo, el resultado neto
es el ya mencionado: la temperatura disminuye con la altura. Es
decir, aunque en última instancia el Sol es la fuente original
de la energía térmica (o calor) contenida(o) en
la atmósfera, ésta no se calienta por arriba sino
desde abajo. Por supuesto, y debido al albedo planetario, no toda
la radiación solar incidente es absorbida por la Tierra;
una porción considerable es reflejada (y devuelta) hacia
el espacio exterior. Tampoco toda la radiación terrestre
es atrapada por la atmósfera (y las nubes); una parte se
fuga (también) hacia el espacio. El EI es producido por
la fracción absorbida de ambas radiaciones (Garduño
1998, Hardy et al. 1986 y Voituriez 1994).
El nombre efecto invernadero proviene de su similitud con las
instalaciones construidas para cultivar plantas en un ambiente
más cálido que el exterior; dado que el techo de
un invernadero tiene la misma propiedad de dejar entrar la radiación
solar y bloquear la terrestre generada en su interior. Algunos
autores dicen que el nombre efecto invernadero no es el más
adecuado, pues un invernadero se calienta más por impedir
la convección que por atrapar radiación, y sugieren
que se le llame más bien efecto atmósfera. Pero,
en fin, sigamos con la costumbre de nombrarlo EI. Otra diferencia
entre un invernadero (botánico) y el EI de la atmósfera
consiste en que el funcionamiento de aquél está
concentrado en una capa delgada (el techo); en cambio, el EI actúa
gradualmente a lo largo de todo el espesor de la atmósfera,
la cual, además, no tiene ni siquiera una frontera exterior
nítida, sino que se va atenuando indefinidamente con la
altura. Por lo mismo, pecan de simplistas los esquemas gráficos
del efecto invernadero que le ponen a la atmósfera una
especie de tapa superior, para que se parezca a un invernadero,
la cual funciona como el techo de éste; es decir, como
la cubierta que bloquea la salida de la radiación, justamente
arriba, donde la atmósfera es más tenue, siendo
que la obstrucción de la radiación terrestre se
da mayormente en los niveles inferiores, donde la atmósfera
es más densa. De cualquier manera, esa imagen simple es
una buena representación del EI en primera instancia (Garduño
1998 e IPCC 2001).
La atmósfera es una mezcla de gases y de aerosoles (partículas
sólidas y líquidas) suspendidos en ella. Surge la
pregunta: ¿cuáles de esos componentes son los responsables
del efecto invernadero? Naturalmente, no todos; los aerosoles
hacen más bien un efecto contrario: aumentan el albedo
planetario, o sea que reflejan la radiación solar y reducen
la cantidad de ella que penetra a las capas inferiores y llega
a la superficie. Consecuentemente, este efecto se debe a los gases
atmosféricos; pero no a todos, sólo a los más
complejos y minoritarios, llamados justamente gases de invernadero
(GI) o termoactivos. El oxígeno (O2) y el nitrógeno
(N2) son abrumadoramente los componentes principales de la atmósfera
(99%): el O2 constituye 21%, y el N2, 78%; sin embargo, ellos
no son gases efecto invernadero. O sea que si la atmósfera
estuviera formada sólo por N2 y O2, sería tan respirable
como ahora, pero la temperatura típica de la Tierra sería
de -18ºC, igual que si no hubiera atmósfera (Toharia
1984 y Voituriez 1994). Por lo tanto, los gases efecto invernadero
están dentro del 1% restante de la composición atmosférica.
En general, están constituidos por tres o más átomos;
los que forman moléculas diatómicas (como el O2
y el N2) o monoatómicas son transparentes a la radiación
terrestre. Los más importantes son el vapor de agua (H2O)
y el bióxido de carbono (CO2); los demás GI (CH4,
NOx, CFCs, etc.) se llaman gases traza (GT) por su presencia ínfima
en la atmósfera (Hardy et al. 1986). Algunos autores incluyen
al CO2 en los GT (Voituriez 1994); aquí lo excluimos.
La humedad atmosférica, o sea el contenido de vapor de
agua en el aire, es sumamente variable, tanto en el espacio (horizontal
y verticalmente) como en el tiempo (ver el capítulo El
cambio climático global: comprender el problema, de V.
Magaña, en esta sección); sin embargo, su distribución
vertical tiene una regularidad: la humedad del aire disminuye
con la altura; en otras palabras, además de que hay menos
aire entre más arriba estemos, hay menos vapor en el aire
superior que en el inferior. En cambio, el CO2 está bien
mezclado en el aire, la proporción de CO2 es casi uniforme.
Por consiguiente, tanto el vapor como el CO2 disminuyen con la
altura, pero el vapor disminuye más rápido que el
CO2, dado que aparte de la atenuación del aire (y del CO2)
mismo, el vapor se atenúa dentro del aire. Los perfiles
verticales de la concentración de vapor y de CO2 son curvos,
o sea que no decaen proporcionalmente con la altura sino más
rápido, y (por lo dicho antes) el perfil de vapor es más
curvo. Siendo ambos los principales gases que causan el efecto
invernadero, y siendo éste el causante del perfil vertical
de temperatura en la atmósfera, resulta curioso que éste
sí sea recto; es decir que la temperatura disminuye proporcionalmente
con la altura, a razón de 6.5 ºC/ km, o sea que por
cada kilómetro que uno ascienda, la temperatura disminuye
6.5ºC. Esta cantidad se llama gradiente térmico y
es igual en cualquier lugar geográfico. Los tres perfiles
descritos se ilustran en la figura 1, para los primeros 10km de
altura a partir del nivel del mar. Esta capa inferior de la atmósfera
se llama troposfera, en ella está contenida prácticamente
toda el agua atmosférica y, por lo mismo, encima de ella
no hay propiamente clima (Cosgrove 1994, Eden y Twist 1997 y Toharia
1984).
Figura
1
La figura 2 ilustra la esencia del efecto invernadero. La radiación
solar atraviesa la atmósfera y llega a la superficie (continente
y océano), que la absorbe. Entonces la superficie se calienta
y emite radiación terrestre, la cual es absorbida por el
vapor de agua y el CO2 contenidos en la atmósfera. Como
esta radiación va de abajo hacia arriba y los gases absorbedores
se atenúan (más rápido el vapor que el CO2)
en la misma dirección, también la radiación
terrestre se va distribuyendo más o menos en el mismo sentido.
Al simplificar la figura quedaron fuera muchos elementos: la radiación
solar reflejada (hacia arriba) por las nubes y la superficie,
la radiación solar dispersada (en todas direcciones) por
la atmósfera, la radiación terrestre emitida en
direcciones distintas a la vertical, la radiación (terrestre)
reemitida por la atmósfera y las nubes, la radiación
terrestre que se fuga al espacio exterior, la presencia y acción
de los GT, etc. (Hardy et al. 1986 y Voituriez 1994).
Figura
2
El EI siempre ha existido; es consecuencia de la composición
natural de la atmósfera y por él tenemos en la Tierra
una temperatura relativamente alta, que ha propiciado el surgimiento
y la evolución de la vida. Sin embargo, esta situación
normal y natural ha sido alterada anormal y artificialmente por
el progreso humano de los últimos siglos, debido a que
la industrialización ha inyectado a la atmósfera
CO2 y GT (ver el capítulo Los principales países
emisores, emisiones históricas, de J. L. Arvizu, en esta
sección). El CO2 antropógeno procede de la quema
de combustibles fósiles (petróleo, gas natural y
carbón mineral) y de la deforestación (por urbanización,
agricultura, etc.) (Hardy et al. 1986, Suple, 1998, Tanck 1971).
Los GT son emitidos también por diversos artefactos y actividades
industriales, domésticas, agropecuarias, etc. Con excepción
de los clorofluorocabonos (CFCs) (y sus sustitutos recientes),
los GT y el CO2 son componentes naturales del aire, siempre han
existido en la atmósfera; lo que ha hecho el hombre es
acrecentarlos (ver el capítulo Los gases regulados por
la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio
Climático, de D. H. Cuatecontzi y Jorge Gasca, en esta
sección), y este fenómeno conlleva, por supuesto,
al aumento del efecto invernadero, pues más gases absorbedores
presentes atrapan más radiación en el sistema climático
(Eden y Twist 1997, Hardy et al. 1986, Ri- vera 1999, Tanck 1971,
Toharia 1984 y Voituriez 1994). Por lo tanto, el efecto invernadero,
del que se habla mucho en las últimas décadas, debe
llamarse propiamente incremento antropógeno de éste,
y a su correspondiente efecto en el clima, denominado comúnmente
calentamiento global o cambio climático global, debe ponérsele
el apellido antropógeno o actual, dado que ha habido otros
calentamientos (y enfriamientos) naturales y el clima ha cambiado
muchas veces antes, de hecho “Lo único constante
del clima es su variabilidad” (Rolando García) (Garduño
1998, Tanck 1971 y Toharia1984).
Durante varios siglos previos a la industrialización, el
CO2 tuvo una concentración casi constante en la atmósfera,
con 280 partes por millón en volumen (ppmv), y a esta cantidad
se le llama, en consecuencia, nivel preindustrial. A partir de
mediados del siglo XIX, esta concentración ha aumentado,
estando ahora en 370 ppmv (IPCC 2001). Con los GT pasa algo parecido.
El comportamiento radiacional de los gases efecto invernadero
se calcula con la teoría cuántica y se observa experimentalmente
en el laboratorio, pero también lo demuestra la historia
del clima (Voituriez 1994). La figura 3 muestra los paleo-registros
de temperatura y de contenido de CO2 y metano (CH4) en la atmósfera,
a lo largo de 420 mil años. Se observa un claro paralelismo
entre estas tres variables: suben y bajan juntas (IPCC, 2001;
Steffen, 2000). No obstante, la situación actual rompe
esta secuencia; en el pasado, los tres registros han tenido cuatro
oscilaciones, con periodo de unos cien mil años, y oscilan
dentro de los mismos límites superior e inferior. Este
comportamiento representa un sistema bio-geo-físico-químico
complejo y autocontrolado, es el metabolismo natural de la biosfera
terrestre, del cual el EI es sólo un componente. El máximo
de CO2 alcanzado cinco veces en este periodo geológico
es de 280 ppmv, nunca se sobrepasó; ahora hay ¡370
ppmv, un valor insólito que se sale del cuadro que contiene
los registros, además se ha alcanzado con una rapidez también
insólita, en cosa de un siglo, siendo que los cambios previos
de ese tamaño necesitaron decenas de milenios para darse.
Gran duda y preocupación significan las consecuencias que
esta violenta perturbación antropógena del CO2 pueda
tener en el equilibrio de los sistemas naturales, como el clima
a largo plazo (Steffen 2000).
La sincronía observada entre la temperatura y los (principales)
GI es notoria en el intervalo geológico mostrado en la
figura 3; en periodos menores no es tan clara, pues otros fenómenos
de plazos cortos perturban la (señal de) temperatura; entre
ellos destacan oscilaciones naturales internas del sistema climático
como el Niño y la Niña: el primero eleva la temperatura
a escala planetaria, y la segunda la reduce (Voituriez 1994).
Otro factor importante de la variabilidad interanual del clima
son las erupciones volcánicas, que inyectan hasta la estratosfera
aerosoles que quedan suspendidos por años y enfrían
el clima planetario (Eden y Twist 1997, Hardy et al. 1986, Suplee
1998 y Voituriez 1994). El Niño tiene cierta periodicidad
de recurrencia (ver el capítulo Consecuencias presentes
y futuras de la variabilidad climática y el cambio climático
en México de V. Magaña, Juan M., Rubén M.
y Cecilia M., en la sección III); en cambio, el vulcanismo
es más bien azaroso en su manifestación, y la magnitud
de ambos es muy variable. Hay un aerosol artificial, el sulfato,
producido también por la industria, que au- menta sistemáticamente
y atenúa el calentamiento debido al incremento del efecto
invernadero. Por todos estos elementos, adicionales al efecto
invernadero, que afectan al clima, los registros históricos
(no mostrados) de CO2 (aumentado antropógenamente) y de
la temperatura a partir de mediados del siglo XIX no van paralelos,
aunque sí hay un incremento claro de ésta, como
de 0.6ºC (IPCC 2000, Toharia 1984 y Voituriez 1994).
Figura
3
Fuente: Petit, J.R. et al. 2001, Vostok Ice Core
Data for 420,000 Years, IGBP PAGES/World Data Center for Paleoclimatology
Data Contribution Series #2001-076. NOAA/NGDC Paleoclimatology
Program, Boulder CO, USA.
Los
fenómenos antropógenos detectados a escala planetaria
se intensifican localmente en las ciudades, por la aglomeración
de gente, industria, etc. En las urbes se acumulan gases efecto
invernadero y aerosoles (polvo, hollín, etc.) antropógenos,
con efectos térmicos contrapuestos; pero dominan los primeros,
dando por resultado la llamada isla de calor: la mayor temperatura
de la ciudad respecto a su entorno rural o respecto al mismo lugar
antes de la urbanización (ver el capítulo La variabilidad
climática en los registros instrumentales de México
de E. Jáuregui, en la sección III). Por supuesto
que muchos otros elementos artificiales contribuyen al clima urbano:
el cambio de albedo asociado al uso del suelo, la resequedad debida
a la deforestación, la ventilación natural bloqueada
por los edificios, el calor emitido por máquinas, vehículos,
etc. (Eden y Twist 1997 y Garduño 1998).
El ozono (O3) es gas efecto invernadero y está presente
en dos ámbitos atmosféricos distintos. Por un lado,
forma la capa estratosférica planetaria, que en las últimas
décadas se ha reducido notablemente, sobre todo en la Antártida,
situación llamada comúnmente hoyo de O3. Por otro
lado, el O3 es un contaminante en las ciudades (de hecho es ahora
el principal en la Cd. de México); está concentrado
en los niveles bajos de la atmósfera y por eso se llama
O3 troposférico. La disminución del O3 estratosférico
(debida a los CFCs, que también son gases efecto invernadero)
y el aumento del O3 troposférico son fenómenos antropógenos
y ambos perjudican la salud, porque el O3 estratosférico
bloquea la radiación solar ultravioleta y el O3 troposférico
irrita las mucosas y la piel. Sin embargo, los efectos térmicos
de ambas alteraciones del O3 atmosférico son pequeños
y contrarios entre sí; por un lado, al haber menos O3 en
la estratosfera, más radiación terrestre se fuga
del planeta y eso enfría el clima; por otro lado, al haber
más O3 en la troposfera, más radiación terrestre
se atrapa en la atmósfera y eso calienta el clima. De modo
que el hoyo de O3 se contrapone al efecto invernadero y la contaminación
urbana por O3 refuerza el EI (Eden y Twist 1997, IPCC 2001, Tank
1971 y Voituriez 1994).
A escala global no se aprecia una alteración del vapor
de agua atmosférico como consecuencia directa de la acción
humana, pero sí la hay como consecuencia indirecta. Cuando
el clima se calienta, por cualquier causa en general y por el
aumento del CO2 y de GT en particular, la atmósfera tiende
a conservar su humedad relativa; por lo tanto, el agua superficial
(principal- mente del océano) se evapora en mayor cantidad
y el contenido de vapor en la troposfera aumenta, incrementando
así el efecto invernadero y reforzando el calentamiento
original (ver el capítulo El cambio climático global:
comprender el problema de V. Magaña, en esta sección).
Resulta entonces que el vapor de agua no es un gas efecto invernadero
estrictamente antropógeno, pero sí es un retroalimentador
positivo del efecto climático inducido por el aumento antropógeno
de los otros gases efecto invernadero, ya que amplifica el calentamiento
debido a ellos (Garduño 1998 e IPCC 2001).
El cambio climático global antropógeno actual continuará
seguramente, dado que seguirán creciendo el CO2 y los GT,
pues sus emisiones son consustanciales al estilo de vida de nuestra
civilización, misma que ha comenzado a interesarse y preocuparse
del problema y sus repercusiones en los sistemas naturales y artificiales
(IPCC 2001).
AGRADECIMIENTOS
A
Oscar Sánchez y Rodolfo Meza por las figuras, y a Elvira
Morales por la captura del texto.
BIBLIOGRAFÍA
Cosgrove,
B. 1994. La atmósfera y el tiempo. México: Biblioteca
Visual Altea. Eden, P. y C. Twist. 1997. Tiempo y clima. México:
Publicaciones Citem-CNCA.
Garduño, R. 1998. El veleidoso clima. México: La
Ciencia para Todos, #127. FCE SEP-
CONACYT.
Hardy, R., P. Wright, J. Gribbin y J. Kington. 1986. El libro
del clima, Vol. III. Barcelona: Ediciones Orbis, S.A.
IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). 2001. Climate
Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group
I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel
on Climate Change. Technical Summary. Cambridge: WMO-UNEP. Cambridge
University Press.
Rivera, M. A. 1999. El cambio climático. México:
Colección Tercer Milenio, CNCA. Steffen, W. 2000. An integrated
approach to understanding Earth’s metabolism. IGBP Newsletter
41: 9-16.
Suplee, C. 1998. Desentrañando el enigma del clima. National
Geographic 2 (5): 38-70. Tanck, H. J. 1971. Meteorología.
Madrid: Alianza Editorial.
Toharia, M. 1984. Tiempo y clima. Colección Temas Clave,
Madrid: Salvat Editores. Voituriez, B. 1994. La atmósfera
y el clima. Barcelona: Colección Conocer la Ciencia.
RBA Editores.
Notas
*
Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM.
