El aumento del efecto invernadero y sus consecuencias

El aumento del efecto invernadero y sus
consecuencias.
Durante más de un siglo, los efectos combinados del desarrollo industrial, el crecimiento
económico y demográfico han transformado profundamente nuestro entorno. Ahora está claro que
las liberaciones industriales han alterado significativamente la composición general de la atmósfera,
que está cambiando a un ritmo sin precedentes. La cantidad de dióxido de carbono ha aumentado
en más del 25% desde la revolución industrial, y la de metano se ha más que duplicado. Estos
gases desempeñan un papel vital en el balance energético y el clima de nuestro planeta, debido a
sus propiedades radiativas. Por lo tanto, cada vez es más urgente predecir el impacto de estos
cambios en nuestro entorno natural en el clima, ya que estos cambios en la composición de la
Primero describiremos lo que indican las observaciones sobre la evolución de la composición
atmosférica en gases traza (CO 2 , CH 4 , N 2O, CFC). Luego veremos el papel fundamental que
desempeñan estos componentes en el equilibrio radiativo de nuestro planeta a través de su famoso
"efecto invernadero". Se han desarrollado modelos numéricos cada vez más complejos para estimar
las consecuencias de un aumento en el efecto invernadero. Después de explicar la importancia de
los mecanismos de retroalimentación, en los que el océano y las nubes ocupan un lugar central,
pero aún están mal captados por los modelos, revisaremos los resultados del cambio climático que
son objeto de un consenso. . Concluiremos por la necesidad de mejorar nuestro conocimiento del
sistema climático global para poder observar mejor y prever futuras modificaciones.
La evolución de la composición
La evolución de la composición atmosférica.
El fenómeno que primero llamó la atención es el aumento en el contenido de dióxido de carbono
(CO 2). Las mediciones llevadas a cabo sistemáticamente desde 1958 en el observatorio de Mauna
Loa en la isla de Hawai muestran que la concentración de este gas ha aumentado constantemente
desde 315 ppm (partes por millón por volumen) en 1958 a más de 370 ppm a fines del siglo XX, un
aumento de más del 15% en 42 años (Figura 1). Este aumento es confirmado por un gran número
de mediciones en otras partes del mundo. Es visible incluso en series de medición más cortas, como
por ejemplo en el resort francés en L'île de la Nouvelle Amsterdam, que también muestra aumentos
de más de 1 ppm / año. Desde el inicio de la era industrial, es un aumento total de alrededor del
35% que debe considerarse (la concentración pre-industrial de CO2de hecho se estima en 275 ± 10
ppm). Los datos que se han recopilado durante los últimos 160 000 años, utilizando análisis de
burbujas de aire fósiles atrapadas en los casquetes de hielo de la Antártida o Groenlandia, han
revelado que las variaciones en la concentración de dióxido de carbono han acompañado Los
principales cambios climáticos. Las concentraciones más bajas corresponden a los períodos
glaciales, con niveles de 200 ppm en el último máximo glaciar (hace 20 000 años), mientras que las
concentraciones más altas observadas durante el período interglacial anterior (hace 120,000 años)
permanecen por debajo de 300 ppm. Por lo tanto, los niveles actuales se encuentran en gran
medida en los valores máximos observados durante los 160 000 años anteriores a la era industrial.
Figura 1. Evolución del CO 2 atmosférico desde 1958.

Evolución del contenido de dióxido de carbono en la atmósfera (expresado en ppmv: partes por millón por volumen)
medido en el observatorio de Mauna Loa en la isla de Hawái desde 1958. (basado en datos de CDKeeling, 1986. CO
atmosférico) 2 concentraciones - Mauna Loa Observatory, Hawaii 1958-1986 NDP-001 / R1, Centro de Información
sobre Dióxido de Carbono, Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Tennessee, EE. UU.)
La principal causa de este aumento es la quema de carbono fósil utilizado como fuente de
energía. Las emisiones de dióxido de carbono, equivalentes a 0.5 Gigatoneladas de carbono por
año (Gt / año) a principios de siglo y 1.5 Gt / año alrededor de 1950, actualmente superan los 6 Gt /
año. El valor promedio correspondiente por persona por año, aproximadamente 1.1 toneladas de
carbono para toda la población mundial, oculta considerables disparidades entre los habitantes de
los países en desarrollo cuya contribución es de solo 0.4 t,
Para otros gases en la atmósfera a concentraciones aún más bajas, el aumento fue mucho más
rápido y más espectacular que para el dióxido de carbono. Este es particularmente el caso del
metano (CH 4 ), cuya concentración se ha más que duplicado en pocos siglos. Su concentración
actual, cerca de 1.7 ppm, ha aumentado a una tasa de casi el 1% por año. Óxido nitroso (N 2O) tiene
una concentración de 0.31 ppm y aumenta un 0.25% por año. En cuanto a los clorofluorocarbonos
(CFC), que son compuestos totalmente artificiales cuya producción industrial comenzó poco antes
de mediados de este siglo, su concentración alcanzó 0.00028 ppm para CFC11 y 0.000484 ppm
para CFC12, con Incremento del 4% anual. Debido a su rápido aumento, y porque su potencial de
calentamiento global es mayor que el del CO 2estos gases traza juegan un papel creciente en el
aumento del efecto invernadero. Se estima que el dióxido de carbono es responsable de solo el 55%
del aumento del efecto invernadero durante la década de 1980-90, la contribución de otros gases es
del 15% para el metano, el 17% para CFC11 y 12, 6% para óxido nitroso y 7% para otros CFC.
La mayoría de los escenarios de evolución económica llevan a la conclusión de que, en ausencia
de un evento catastrófico imprevisto, como un conflicto generalizado o una crisis económica global,
e incluso desarrollando otras fuentes de energía, las emisiones de dióxido de carbono y se espera
que otros gases de efecto invernadero en la atmósfera que continúe durante gran parte de la
21 ª siglo. Varios posibles escenarios han sido propuestos por un grupo de expertos,el Panel
Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC), que buscó evaluar sus impactos climáticos.
El papel de los gases de efecto invernadero en el balance energético
global.
El modelo más básico es simplemente escribir el balance energético global del sistema
constituido por la Tierra y su atmósfera. Visto desde el exterior, este sistema Tierra-Atmósfera
aparece como un sistema termodinámico cerrado que intercambia energía con el resto del universo
en forma de flujos radiativos. Su fuente de energía es proporcionada por la absorción de radiación
del sol que tiene su máxima intensidad en las longitudes de onda visibles. El flujo radiativo total,
integrado en todo el espectro solar, es2 en una superficie perpendicular a los rayos de luz y ubicada
en la parte superior de la atmósfera. El valor promedio del flujo solar por unidad de superficie

terrestre se obtiene al dividir esta cifra por 4 (relación entre la superficie de la esfera terrestre donde
se distribuye y la sección del cilindro que contiene la radiación incidente).
De los 342 vatios por metro cuadrado (W / m 2 ) de radiación solar recibida en promedio en todo
el mundo en la parte superior de la atmósfera, aproximadamente el 30% se devuelve al espacio,
mientras que 240 W / m 2Se absorben en la atmósfera y en la superficie. El balance energético del
sistema Tierra-atmósfera se mantiene mediante la emisión hacia el espacio de radiación térmica
cuyo máximo está en el infrarrojo. Se calcula fácilmente, aplicando la ley de radiación de Stefan-
Boltzmann, que la temperatura del cuerpo negro que irradia esta cantidad de energía es de 255
Kelvin, es decir, -18 ° C. Esta temperatura es la temperatura promedio que se observa en la
atmósfera a una altitud de aproximadamente 5 km, que es aproximadamente la altitud por debajo de
la cual se encuentra la mitad de la masa atmosférica. El hecho de que la temperatura promedio en la
superficie del globo sea aproximadamente 15 ° C, por lo tanto 33 K más alta que la temperatura de
equilibrio radiativo, se explica por la presencia en la atmósfera de gases que tienen bandas de
absorción. En el infrarrojo, así como por el efecto de las nubes. Este calentamiento de la atmósfera
inferior, mediante el filtrado selectivo de la radiación infrarroja emitida, Se popularizó bajo el nombre
evocador de "efecto invernadero". (La analogía con un invernadero se aplica solo al resultado, y no
a los mecanismos físicos, ya que el vidrio de un invernadero suprime principalmente los
intercambios turbulentos). El efecto invernadero del vapor de agua atmosférico equivale a una
entrada adicional de 100 W / m un invernadero suprime principalmente los intercambios
turbulentos). El efecto invernadero del vapor de agua atmosférico equivale a una entrada adicional
de 100 W / m un invernadero suprime principalmente los intercambios turbulentos). El efecto
invernadero del vapor de agua atmosférico equivale a una entrada adicional de 100 W / m2 en el
balance radiativo de la superficie, el del dióxido de carbono es solo la mitad con 50 W / m 2 , y el de
las nubes de 30 W / m 2 .
Este efecto invernadero natural es esencial para el equilibrio energético de nuestro planeta, ya
que contribuye a mantener en la superficie del planeta temperaturas favorables a nuestra
existencia. Esto explica la creciente preocupación de los científicos sobre las consecuencias
climáticas que podrían resultar del aumento actual de varios gases de efecto invernadero. Los
informes preparados por el grupo de expertos del IPCC (IPCC, 1990, 1996) han actualizado el
conocimiento sobre este tema.
Modelización de las consecuencias de un aumento del efecto
invernadero.
En los últimos años, se han realizado numerosos estudios para evaluar el impacto climático de un
cambio en el equilibrio radiativo atmosférico producido por un aumento en el efecto invernadero. Las
herramientas básicas para estas simulaciones son una jerarquía de modelos físico-matemáticos de
complejidad creciente, que van desde modelos simples de balance de energía, modelos radiativo-
convectivos limitados a una columna vertical, hasta modelos de circulación general del
La posible influencia de estos gases en el clima, como se explicó anteriormente, resulta de su
absorción de la radiación infrarroja emitida por la atmósfera. Las diversas bandas de absorción de
estos gases son bien conocidas. Si se proporciona un perfil vertical de temperatura y concentración
de los diversos gases, los valores del flujo radiativo en función de la altitud y las variaciones de
temperatura resultantes se pueden calcular con bastante precisión. El principal problema es que en
el Entre las retroalimentaciones múltiples que vinculan estos diversos procesos puede haber
retroalimentaciones positivas que amplifican las variaciones iniciales. Numerosos estudios que
utilizan modelos verticales de convección por radiación de una sola dimensión han demostrado la
importancia crítica de estos mecanismos de retroalimentación sobre la sensibilidad al clima. Por
ejemplo, Manabe y Wetherald encontraron en 1967 que el calentamiento global debido a una
duplicación del CO Amplificar las variaciones iniciales. Numerosos estudios que utilizan modelos
verticales de convección por radiación de una sola dimensión han demostrado la importancia crítica
de estos mecanismos de retroalimentación sobre la sensibilidad al clima. Por ejemplo, Manabe y
Wetherald encontraron en 1967 que el calentamiento global debido a una duplicación del
CO Amplificar las variaciones iniciales. Numerosos estudios que utilizan modelos verticales de
convección por radiación de una sola dimensión han demostrado la importancia crítica de estos
mecanismos de retroalimentación sobre la sensibilidad al clima. Por ejemplo, Manabe y Wetherald
encontraron en 1967 que el calentamiento global debido a una duplicación del CO Importancia
crucial de estos mecanismos de retroalimentación sobre la sensibilidad al clima. Por ejemplo,
Manabe y Wetherald encontraron en 1967 que el calentamiento global debido a una duplicación del
CO Importancia crucial de estos mecanismos de retroalimentación sobre la sensibilidad al clima. Por
ejemplo, Manabe y Wetherald encontraron en 1967 que el calentamiento global debido a una
duplicación del CO2, que en su modelo fue de 1.3 ° C con un perfil constante de humedad absoluta,
alcanzó los 2.4 ° C tomando un perfil de humedad relativa constante. Esta amplificación del
calentamiento proviene de la adición del efecto invernadero del vapor de agua adicional (que en este

caso acompaña al aumento de la presión de vapor de saturación con la temperatura). Las
dispersiones entre los resultados de los distintos modelos provienen, por lo tanto, de las
aproximaciones e hipótesis que deben introducirse para representar diversos procesos físicos,
algunos de los cuales son aún poco conocidos. Este es particularmente el caso de la nubosidad, que
es una fuente importante de incertidumbre en las estimaciones actuales.
Dado que los fenómenos de advección horizontal desempeñan un papel importante en el
intercambio de calor y vapor de agua, es necesario introducir la dinámica atmosférica y utilizar
modelos tridimensionales que representen la circulación general de la atmósfera sobre la tierra.
globo entero La respuesta de los MCGA al aumento de CO 2 depende en parte de las condiciones
de los límites de la superficie, por lo que es necesario acoplarlos a los modelos oceánicos.
Estos MCGA se basan en las ecuaciones de la mecánica de fluidos complementada con
esquemas de parametrización de los procesos físicos más importantes (transferencia de radiación,
turbulencia, convección, cálculo de la nubosidad y precipitación, etc.) y son bastante similar a los
modelos de predicción del tiempo de varios días desarrollados por los servicios
meteorológicos. Para problemas de estabilidad numérica, sus ecuaciones dinámicas deben
integrarse en intervalos de tiempo con menos de 1 hora.
La mayoría de los experimentos se centraron en el estudio de las consecuencias de una
duplicación del dióxido de carbono atmosférico en el estado de equilibrio del sistema climático. El
efecto radiativo directo es un aumento de aproximadamente 4 W / m 2.Del balance infrarrojo de la
atmósfera inferior. La dificultad de traducir esta perturbación radiativa en parámetros climáticos se
debe a la existencia de numerosos mecanismos de retroalimentación, internos a la atmósfera, que
pueden amplificar o moderar esta perturbación inicial. Si los mecanismos radiativos fueran los
únicos en intervenir, la perturbación del equilibrio radiativo se compensaría con un calentamiento de
1,1 K de las temperaturas de la superficie. Pero el calentamiento de la atmósfera inferior le permite
contener más vapor de agua, cuyo efecto invernadero se agrega al del dióxido de carbono. Esta
retroalimentación del vapor de agua amplifica el calentamiento hasta 1.7 K. El calentamiento
también se amplifica hasta 2.2 K mediante la reducción de la capa de nieve o hielo que causa en
latitudes altas, y permite que el suelo absorba más radiación solar. Los diversos modelos están
bastante de acuerdo con los mecanismos de retroalimentación anteriores. Las divergencias surgen
cuando se busca tener en cuenta los comentarios de la nube. Los modelos que calculan
explícitamente la altitud de la cubierta de nubes generalmente simulan un aumento en la altitud
media como consecuencia del calentamiento de la atmósfera inferior. Las nubes más altas son más
transparentes para la radiación solar y tienen un mayor efecto invernadero que las nubes bajas. Este
aumento en la altitud de la nube tiene el efecto de aumentar el calentamiento de la superficie a 4.4 K
en los modelos que toman en cuenta este efecto. Las principales incertidumbres provienen de las
propiedades ópticas de las nubes, que aún son poco conocidas y representadas de manera muy
rudimentaria en los modelos actuales: el calentamiento de la superficie puede variar de 1.5 a 4.5 K
dependiendo de la formulación elegida en el modelo.
El comportamiento de los océanos es otra fuente de incertidumbre para predecir las
consecuencias del efecto invernadero. El papel esencial de los océanos como condición límite que
determina los intercambios de energía y agua con la atmósfera ha motivado el desarrollo de
modelos acoplados atmósfera-océano. Las primeras simulaciones que estudian la respuesta al
equilibrio tras la duplicación del CO 2.Se utilizan modelos oceánicos simplificados limitados a una
capa de mezcla de profundidad fija. Debido a la importancia del transporte de calor por las corrientes
oceánicas, se necesitan modelos de circulación oceánica general para predecir la distribución del
calentamiento del mar. Equilibrio de un modelo acoplado, incluida la dinámica Del océano requiere
simulaciones de varios cientos de años. Estas simulaciones son por lo tanto extremadamente caras
en tiempo de computación, y solo puede llevarse a cabo en algunos centros de investigación
importantes con supercomputadoras dedicadas al modelado climático. Las simulaciones de la
respuesta climática transitoria al aumento gradual del dióxido de carbono durante los próximos 100
años se realizaron con modelos acoplados que incluyen dinámica oceánica y atmosférica. En estos
escenarios, el calentamiento global proyectado para el período es equivalente a una duplicación del
CO actual.2 (la mitad de la 21 ª siglo) es menor que la calculada en el equilibrio, debido al
desplazamiento de tiempo del orden de diez años introducido por la alta inercia térmica del océano.
El impacto climático de un aumento del efecto invernadero.
A pesar de las incertidumbres sobre la magnitud del calentamiento global, que como vimos
anteriormente varía de 1.5 a 4.5 K para la respuesta de equilibrio de una duplicación del CO 2La
comparación de los resultados de los experimentos con modelos de circulación general revela una
serie de efectos sistemáticos que se reproducen en la mayoría de los modelos. Las figuras 2 a 4
muestran a modo de ilustración los resultados obtenidos con el modelo Météo-France. En la
estratosfera, el aumento de CO 2 produce un enfriamiento que aumenta con la altitud (Figura 2).
Figura 2. Distribución zonal en función de la latitud y presión del cambio de temperatura en °
C causado por una duplicación del dióxido de carbono (promedio de junio-julio-agosto).

Estos resultados se obtuvieron en una simulación de un ciclo anual llevado a cabo con el modelo atmosférico Météo-
France, utilizando las temperaturas oceánicas pronosticadas por el modelo acoplado océano-atmósfera del Instituto
Max-Planck en Hamburgo.
El calentamiento de la troposfera aumenta con la altitud entre los trópicos a aproximadamente 10
km de altitud y con la latitud cerca de la superficie. El calentamiento de la superficie en latitudes
altas tiene variaciones estacionales con un máximo en invierno y un mínimo en verano, lo que
resulta en una reducción en la amplitud del ciclo anual de temperaturas (Figura 3).
Figura 3. Cambio estacional según el mes y la latitud del cambio de temperatura en ° C en la
superficie de los continentes producida por la duplicación de CO 2 en el experimento descrito
en la Figura 2.
La amplificación del calentamiento en las regiones polares tiene el efecto de reducir la diferencia
de temperatura entre el polo y el ecuador. Esto tiende a causar una migración al polo de las zonas
climáticas, en particular las altas presiones subtropicales y el cinturón de depresiones de latitudes
medias, lo que podría explicar el aumento de las precipitaciones invernales entre 50 y 70 grados de
latitud.
En las simulaciones, el calentamiento global se acompaña de un aumento en la evaporación y la
precipitación que varía de 3 a 15% según los modelos utilizados. Aumentar el flujo de la superficie
infrarroja aumenta la energía disponible para la evaporación: la presión de saturación del vapor de
agua aumenta muy rápidamente con la temperatura, una mayor proporción de intercambios