Cambio climático: Conceptos básicos

Balance energético y efecto invernadero

La energía solar incide sobre el planeta Tierra a una razón promedio de 340 Watts sobre cada metro cuadrado (denotado W/m²). Si la Tierra se comportara como un perfecto emisor de radiación conocido por los físicos como "cuerpo negro"¹ la temperatura que se requeriría para que la emisión balancee la radiación solar sería de 5 grados Celsius, unos 10 grados menor a lo que se observa. Hay que considerar, sin embargo, que en realidad aproximadamente un 30% de la radiación solar es reflejada de vuelta al espacio por la presencia de nieve y hielo en la superficie y de nubes (el porcentaje mencionado es conocido como albedo planetario), por lo que solo 240 W/m² de radiación solar necesitan ser balanceados por la radiación emitida por el planeta. Para lograr esto, la Tierra necesitaría solo una temperatura de -18 grados Celsius. Además, a esta temperatura, el planeta estaría cubierto de hielo, por lo que el albedo planetario sería mayor (la Tierra se vería blanca desde el espacio). Si consideramos que la nieve refleja solo 50% de la luz solar, finalmente la temperatura en la superficie de la Tierra en promedio sería de ¡cerca a -40 grados!

¿Por qué no está el planeta totalmente congelado? ¿Qué falló en los cálculos anteriores? La falla estuvo en suponer que el planeta Tierra se comporta como un perfecto emisor de energía, un "cuerpo negro". Este supuesto hubiera sido correcto de no existir una atmósfera, pero en la realidad existen gases en la atmósfera que impiden que la radiación infrarroja emitida por la superficie del planeta escape al espacio, por lo que su temperatura tiene que ser mayor para poder balancear la radiación solar. A este proceso se le conoce como efecto invernadero y a los gases responsables se les conoce como gases invernadero. Sin este efecto, la Tierra sería una bola de hielo y probablemente no existiría la vida en ella.

En forma bastante simplificada, se puede entender cuantitavamente el efecto invernadero con el siguiente modelo. Asumamos que la radiación solar neta (o sea, restando la reflección) es fija y tiene un valor S. La radiación infrarroja I emitida por el planeta al espacio tiene que balancear a S, o sea que I=S. En ausencia del efecto invernadero, la superficie del planeta emite directamente al espacio como "cuerpo negro"¹ con una temperatura T de manera que I=σT⁴. Por lo tanto σT⁴=S y la temperatura está dada por T=(S/σ)^1/4. En presencia de los gases invernadero, es la atmósfera la que emite al espacio la radiación I, no la superficie. Más aún, así como emite hacia arriba, al espacio, la atmosfera emite hacia abajo, a la superficie. Entonces, la superficie recibe tanto la radiación S como la radiación I de la atmósfera, lo cual a su vez debe ser balanceada mediante la radiación infrarroja, la cual sigue siendo emitida por la superficie como "cuerpo negro" (o sea σT⁴), por lo que S+I=σT⁴ y, como aún requerimos I=S, la temperatura es T=(2S/σ)^1/4. O sea, tenemos que en nuestro cálculo simplificado la presencia del efecto invernadero aumentó la temperatura por un factor de 2^1/4, o sea un aumento de 19%. Para S=240 W/m², esto supone un aumento de casi 50 grados Celsius. Como podemos ver, el efecto invernadero es dramático y es crítico para que el planeta sea habitable².

Variaciones forzadas e internas

Un ejemplo más cercano a nuestra experiencia es el Fenómeno El Ni˜no, el cual consiste en aumentos anomalas en la temperatura en el oceano Pacifico tropical, que trae como consecuencias alteraciones del clima a escala global, con particular impacto en el Perú. Estas variaciones son generadas internamente en el sistema oceano-atmosfera, y no requieren un agente forzante para su existencia. En la figura siguiente, se muestra la temperatura del mar frente al departamento de La Libertad, donde se puede observar los fuertes calentamientos de los eventos El Niño de 1982-83 y 1997-98.

Forzantes naturales y antropogénicos

En el contexto de cambio climático global, se cuantifica un forzante en términos de su efecto en el flujo de energía radiativa que entra a la atmósfera globalmente. En los reportes del IPCC, a esta cantidad se le denomina "forzante radiativo" ("radiative forcing" en inglés) y se expresa en las unidades de Watts por metro cuadrado (W/m²). Por ejemplo, según el cuarto reporte del IPCC, la emisión de gases invernadero y otras especies químicas desde la era pre-industrial hasta el presente asociada a la actividad humana ha producido ya un forzante radiativo de alrededor de 1.6 W/m², lo cual equivale aproximadamente a encender focos de 30 W cada cuatro metros sobre todo el planeta.

Predictabilidad

Un aspecto importante de las ecuaciones que describen a la atmósfera y oceano es que no son "lineales", lo cual tiene la consecuencia importante que las predicciones de estados futuros que parten de condiciones iniciales ligeramente distintas pueden ser bastante diferentes o, en otras palabras, los errores crecen con el tiempo. Esto se conoce popularmente como el efecto mariposa y tiene importantes consecuencias para la predicción, ya que pone un límite al tiempo de antelación con que se puede hacer un pronóstico útil.

Cuánto tiempo de antelación dependerá del fenómeno de interés. En el caso del pronóstico del tiempo, el cual depende casi exclusivamente de la atmósfera, se cree que esto podría ser hasta algunas semanas. Por otro lado, en el caso del fenómeno El Niño, el cual involucra la interacción entre el oceano y la atmósfera, este tiempo podría ser entre meses a años. Este tiempo más largo se debe a que los procesos dinámicos son más lentos en el oceano que en la atmósfera.

Por otro lado, en el caso de variaciones forzadas la predictabilidad puede ser bastante mayor. Por ejemplo, es fácil pronosticar que en promedio las temperaturas de verano serán mayores que en el invierno incluso con varios años de anticipación, dado que sabemos que el forzante solar seguirá variando a lo largo del año de la misma manera. De la misma manera, hay confianza en que un a continuo aumento de las concentraciones de dióxido de carbono y otros gases invernadero llevará a un calentamiento progresivo del planeta, como se describe a continuación.

Cambio climático global antropogénico

No hay duda de que las actividades humanas han tenido un gran impacto en la composición de la atmósfera, particularmente sobre los gases invernadero lo cual, como se mencióo anteriormente, ha incrementado el flujo de energía neto que ingresa al planeta. Esto debe estar asociado a un calentamiento del planeta, pero la magnitud de este dependerá de los detalles de los mecanismos físicos que intervienen en el ajuste del clima a este forzante.

Este tema está desarrollado en mayor detalle acá.

1. Un "cuerpo negro" emite energía radiativa a una razón de σT⁴ W/m², donde T es la temperatura en grados Kelvin (igual a grados Celsius+273.15, por ejemplo, 15 grados Celsius es igual a 288.15 grados Kelvin) y σ=5.67×10^-8 W/m²/K^-4 es la constante de Stefan-Boltzmann.

2. Por supuesto, el cálculo anterior solo pretende dar una idea de cómo funciona el efecto invernadero a grandes rasgos. Un cálculo más preciso require considerar muchos más detalles, para lo cual se utilizan modelos climáticos numéricos.