17Feb/1441

Ciencia básica del cambio climático

termometro_tierra

Como toda disciplina, la ciencia detrás del cambio climático es compleja y extensa. Aunque sería imposible abarcarla por completo en un breve artículo, sí se puede establecer los conceptos más básicos y resultados más sólidos.

Frazada planetaria

El núcleo del cambio climático es el famoso efecto invernadero, que es la consecuencia de tener una atmósfera que absorbe parte de la energía que emite el suelo. Si bien esto sucede por procesos físicos que funcionan a escala molecular, todo puede resumirse a una especie de contabilidad energética.

Empecemos con un planeta sin atmósfera. Éste recibe energía del Sol, parte de la misma solar es reflejada y el resto es absorbida por el suelo. Éste se va calentando y comienza a emitir energía hacia el espacio para enfriarse. Va dejar de calentarse, entonces, cuando la cantidad que emite es la misma que la que absorbe. Esta es la temperatura de equilibrio.

C:UserselioDocumentsbalance radiativo Model (1)

Este esquema está bien para Mercurio, la Luna u otros cuerpos sin atmósfera, pero nuestro planeta tiene aire. Y si bien el aire es casi transparente a la energía que llega del Sol (por eso podemos verlo), no lo es para la emitida por el suelo (luz infrarroja). La atmósfera absorbe parte de esta energía, se calienta y luego la vuelve a emitir en todas direcciones.

C:UserselioDocumentsbalance radiativo Model (1)

Se puede ver claramente que en este caso la cantidad de energía que recibe el suelo ya no es sólo la que llega del Sol sino también la que le llega desde la atmósfera. Si recibe más energía va a calentarse y emitir más energía hasta que la cantidad que emite es la misma que la que recibe. En conclusión: un planeta con una atmósfera que absorbe parte de la energía que emite el suelo tiene una temperatura mayor que un planeta sin atmósfera.

Es fácil ver, entonces, que cuanto más energía absorba la atmósfera, más temperatura va a tener el planeta. Y este es el principio básico del calentamiento global. El dióxido de carbono (CO2) es uno de los gases que puede absorber la energía emitida por el planeta y al aumentar la cantidad en la atmósfera, aumenta su temperatura.

Esto es algo que se sabe hace casi 200 años. El gran Frourier fue quizás el primero en descubrir este efecto invernadero ya en 1824. Unas décadas más tarde, Svante Arrhenius notaba en 1896 de los posibles efectos de un aumento en la cantidad de CO2 en la temperatura terrestre como una teoría que explicara el ciclo de eras glaciares e interglaciares en nuestro planeta.

Aumento del CO2

Que el CO2 y otros Gases de Efecto Invernadero (GEI) están aumentando su concentración en la atmósfera es algo que se sabe hace décadas. Charles Keeling fue el primer científico en realizar mediciones periódicas de las concentraciones de CO2 en la atmósfera y creó lo que ahora se conoce como la Curva Keeling.

Curva Keeling mostrado el aumento en las concentraciones de CO2 desde 1960 medidas en Mauna Loa.

Curva Keeling mostrado el aumento en las concentraciones de CO2 desde 1960 medidas en Mauna Loa.

Reconstrucciones usando proxies permitieron luego conocer con cierta certeza estos valores para miles de años en el pasado. Esto nos permite concluir que los niveles actuales de CO2 no tienen precedente como mínimo en los úlitmos 800.000 años.

Todo ese CO2 extra en la atmósfera no es de origen natural sino que en su totalidad se debe a las actividades humanas. Esto se puede demostrar con simple álgebra. El aumento neto de CO2 (medido) es el resultado de las emisiones humanas, las emisiones naturales y los sumideros naturales:

Aumento neto = Emisiones Humanas + Emisiones Naturales - Sumideros Naturales

Aumento neto – Emisiones Humanas = Emisiones Naturales – Sumideros Naturales

Si el aumento en el CO2 fuera principalmente Natural entonces ambos lados de la ecuación tendrían que ser positivos. Sin embargo tenemos mediciones de la Emisiones Humanas y del Aumento Neto (Curva Keeling) y muestran que el Aumento Neto es aproximadamente un 55% de las Emisiones Humanas. Esto muestra sin lugar a dudas que los procesos naturales son un sumidero neto de CO2 y no pueden ser la causa del aumento.

Para tener una idea de las magnitudes en juego, las actividades humanas son responsables de más de 35 mil millones de toneladas de CO2 anuales emitidas a la atmósfera. Esto es al menos 100 veces más que el CO2 emitido por todos los volcanes del mundo.

Temperatura

Este aumento en las concentraciones en CO2 y otros GEI significa un aumento en la cantidad de calor atrapado por la atmósfera denominado Forzamiento Radiativo que hace que el planeta no esté en balance. En otras palabras, el planeta emite menos energía de la que recibe del Sol y en consecuencia se está calentando. La evidencia de esto surge de datos tomados por estaciones meteorológicas, satélites y reconstrucciones paleoclimáticas.

Existen varias series de temperatura media global a partir de datos meteorológicos que se construyen utilizando distintas técnicas, pero a pesar de sus pequeñas diferencias todas muestran esencialmente lo mismo:

Curva Keeling mostrado el aumento en las concentraciones de CO2 desde 1960 medidas en Mauna Loa.

Serie de anomalía de temperatura media global desde 1885 suavizada con una media de 120 meses. GISTEMP.

La temperatura indudablemente está aumentando. Lo mismo se puede concluir usando satélites, que tienen la ventaja de tener una mejor cobertura del globo pero la desventaja de empezar sólo al rededor de 1970 y otros problemas de interpretación y calibración.

Es complicado saber cómo era la temperatura en el pasado antes de la era de los termómetros pero hay formas de reconstruirla usando proxies como la abundancia de ciertos isótopos de oxígeno, el grosor de los anillos de los árboles (dendocronlogía) y muchas otras de evidencia indirecta. Estas reconstrucciones completan la imagen que brindan los datos medidos:

Reconstrucción de temperatura media global del Holoceno Reciente (Marcott et. al. 213) en azul con la temperatura medida (GISTEMP) en rojo.

Reconstrucción de temperatura media global del Holoceno Reciente (Marcott et. al. 213) en azul con la temperatura medida (GISTEMP) en rojo.

La temperatura aumenta y mucho. No sólo eso, sino que el aumento actual de la temperatura en realidad dio fin a una larga tendencia natural de enfriamiento.

Atribución

Entonces por un lado tenemos la ciencia básica que nos dice que un aumento en las concentraciones de CO2 en la atmósfera producirían un aumento en la temperatura, en el otro tenemos la evidencia básica de que tanto el CO2 como la temperatura están aumentando.

Por encima de esta evidencia están los estudios de atribución, que con diferentes metodologías buscan determinar qué porcentaje del aumento de las temperaturas son atribuibles a los distintos forzantes.

Un trabajo de Huber y Knutti es uno de estos que utiliza modelos climáticos para comparar el efecto de distintos factores en el aumento de la temperatura.

Contribución de distintos forzantes del clima en la temperatura entre 1850-2000 (panel izquierdo) y 1950-2000 (panel derecho).

Contribución de distintos forzantes del clima en la temperatura entre 1850-2000 (panel izquierdo) y 1950-2000 (panel derecho).

En el panel izquierdo se observa el cambio en la temperatura media global entre 1850 y 2000 atribuible a distintos factores. Se ve que claramente los GEI dominan, siendo responsables de un mayor aumento del observado (columna gris) debido a que otros factores tuvieron un efecto de enfriamiento. Las barras verdes agrupan todo el cambio de temperatura atribuible a los las actividades humanas y a factores naturales. Mientras que para el período 1850-2000 los factores naturales sin importantes aunque menores que las actividades humanas, para el período 1950-2000, los factores naturales tuvieron un efecto casi depreciable.

Esto da lugar a este tipo de gráfico que se ve repetido en muchos trabajos de atribución. En negro se muestra la temperatura media global, en rojo lo que simulan los modelos teniendo en cuenta sólo las actividades humanas, en azul lo mismo pero para los factores naturales y en gris (casi solapado con el rojo), todos los factores.

Evolución de la temperatura desde 1850 (negro), simulaciones usando sólo forzantes naturales (azul), sólo factores antropogénicos (rojo) y todos los factores (gris)

Evolución de la temperatura desde 1850 (negro), simulaciones usando sólo forzantes naturales (azul), sólo factores antropogénicos (rojo) y todos los factores (gris)

Como se ve, desde 1975 los modelos no reproducen la temperatura observada si sólo tienen en cuenta los factores naturales.

Existen muchos otros trabajos de atribución que llegan a las mismas conclusiones básicas. Las actividades humanas son la principal causa del calentamiento global.

Esto es solo un esbozo de las cuestiones más básicas de la ciencia del cambio climático. De más está decir que, como en toda disciplina, hay muchísimos mas detalles fascinantes y legítimamente desconocidos (como la cuantificación del efecto de las partículas en suspensión (aerosoles), cómo reaccionan las nubes, qué va a pasar a escala regional) además de pseudo-objeciones y pseudo-argumentos provenientes de personas y grupos dedicados a negar la ciencia.

Al igual que refutar a los negacionistas de la evolución es muy útil para aprender más sobre evolución, refutar a los negacionistas del cambio climático da pie para explorar distintos aspectos de esta compleja teoría. Pero eso quedará, seguramente, para artículos futuros.