Svante Arrhenius    LA CIENCIA DEL CALENTAMIENTO GLOBAL: ¿BUENA, MALA, O FEA? Victor M. Ponce 14 Octubre 2015 1 La ciencia del calentamiento global data de más de un siglo. En 1896, Svante Arrhenius, un notable científico e ingeniero sueco, publicó un artículo titulado "La influencia del ácido carbónico en el aire sobre la temperatura del terreno," donde expuso en detalle la ciencia del calentamiento global. En 1903, Arrhenius ganó el Premio Nobel de Química por su teoría electrolítica de la disociación de sustancias iónicas tras su disolución en agua, el tema de su tesis, publicada en 1884. Las contribuciones de Arrhenius se extendieron más allá de los campos de la física y de la química, abarcando las disciplinas de físicoquímica, geofísica, astrofísica, geoquímica y bioquímica. Bajo cualquier criterio, los logros científicos de Svante Arrhenius son excepcionales. 2 Hacia la mitad de su carrera, Arrhenius mostró interés especial en la influencia que tiene el dióxido de carbono en el control del clima. Su obra principal sobre el tema fue el artículo publicado en 1896. Puede preguntarse qué tan bueno era este artículo, dado que data de hace más de un siglo. En primer lugar, hay que reconocer que el dióxido de carbono se conocía como ácido carbónico en el tiempo de Arrhenius, por lo es claro que el artículo se refería al problema que ahora enfrentamos. En el año 2004, el vicepresidente de EE.UU. Al Gore colocó el tema de calentamiento global en el centro de la opinión pública mundial. Hasta esa fecha, los escépticos habían caracterizado a la ciencia del calentamiento global como mala. Ahora que el calentamiento global amenaza con afectar la calidad de vida de la gente, la ciencia se ha convertido en fea. Hay quienes sostienen que corregir el calentamiento global causará un daño irreparable a la economía mundial, en la creencia de que la salud de la economía mundial debe primar sobre la supervivencia de la biósfera. 3 Examinemos la obra de Svante Arrhenius, el cual debe de haber sido uno de las primeras personas en pasar muchas horas de estudio y reflexión sobre la ciencia del calentamiento global. Su artículo es magistral; lamentablemente, su lenguaje científico limita su atractivo al público en general. En esta presentación revisamos el trabajo de Arrhenius, con el fin de echar más luz en el tema. La primera pregunta de Arrhenius fue: "¿La temperatura media de la tierra es afectada por la presencia de gases que absorben el calor en la atmósfera?" Arrhenius razonó que el aire retiene el calor de dos maneras: Por difusión, ya que el calor pasa a través del aire; y Por absorción, ya que algunos componentes de la atmósfera absorben grandes cantidades de calor. El nitrógeno (N2) y oxígeno (O2), los componentes principales de la atmósfera, son moléculas diatómicas homonucleares, firmemente unidas entre sí, por lo tanto incapaces de absorber calor a través de vibración. La absorción selectiva de calor es llevada a cabo por el dióxido de carbono (CO2) y el vapor de agua (H2O), presentes en pequeñas cantidades en el aire. Estas dos moléculas se componen de dos elementos y tienen más de dos átomos, unidos de forma no muy firme, lo que permite una ligera vibración con la absorción de la radiación infrarroja. Fig. 1  Absorción del calor a través de vibraciones por una molécula de dióxido de carbono (Fuente: University Corporation for Atmospheric Research). Con el tiempo, dicha molécula emitirá la radiación de nuevo, la cual es probable que sea absorbida por otra molécula. Este ciclo de absorción-emisión-absorción sirve para mantener una fracción del calor cerca de la superficie de la Tierra, aislando a esta última del frío del espacio exterior. Otros compuestos químicos que absorben el calor, tales como el metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), también existen en la atmósfera, pero en concentraciones mucho más pequeñas. Arrhenius calculó los coeficientes de absorción de calor del dióxido de carbono y del vapor de agua, lo cual le permitió establecer conclusiones sobre el equilibrio térmico del aire cercano a la Tierra. Luego calculó la fracción de calor que sería absorbida por la atmósfera cuando contiene concentraciones seleccionadas de dióxido de carbono y vapor de agua. Arrhenius desarrolló una tabla para expresar la transparencia de la atmósfera en función del contenido de dióxido de carbono y vapor de agua. Cuanto mayor es la concentración de cualquiera de estos gases, menor es la transparencia de la atmósfera y, en consecuencia, mayor es su capacidad para absorber calor. 4 Arrhenius luego se hizo una segunda pregunta: "¿Qué tanto depende la temperatura del suelo del poder de absorción del aire?" Arrhenius razonó que la Tierra se encuentra en equilibrio térmico natural durante un período suficientemente largo, por ejemplo, un año. Por lo tanto, se concentró en los cambios de temperatura del aire debidos a cambios en la transparencia del mismo. Realizó un balance térmico de la atmósfera inferior, mediante el uso de análisis numérico, lo cual le permitió calcular los cambios de temperatura medias anuales en diferentes latitudes, para variaciones postuladas en la concentración de dióxido de carbono. Arrhenius desarrolló una tabla que muestra el aumento o decremento de la temperatura, a través de las latitudes, para las siguientes proporciones de niveles de dióxido de carbono, futuras a la actualidad (1896): 0.67, 1.5, 2.0, 2.5, y 3.0. De acuerdo a Arrhenius, el doblar la cantidad de dióxido de carbono produciría un aumento de temperatura, con un mínimo de 4.95°C en el Ecuador, y un máximo de 6.05°C en el Ártico. Este último logro es notable ya que ha sido un tema muy debatido por más de cien años. Arrhenius concluyó, basándose en cálculos y análises detallados, que un aumento geométrico en el dióxido de carbono causaría un aumento aritmético en la temperatura del aire. Es interesante notar que lo que pudo haber inspirado el descubrimiento científico extraordinario de Arrhenius, no fue tanto el calentamiento global, sino el enfriamiento global [recordemos que él vivía en Suecia]. Dado que el fenómeno se puede aplicar en cualquier dirección, a Arrhenius le interesaba la posible causa de la última Edad de Hielo.   Fig. 2  La cubierta de hielo durante la última Edad de Hielo. Arrhenius razonó que sus hallazgos podrían justificar variaciones de temperatura de 5°C - 10°C y que el cambio podría ir en cualquier dirección, dependiendo de las circunstancias. La evidencia geológica muestra que durante la época Terciaria, la temperatura del Ártico debió haber superado la temperatura presente en aproximadamente 8°C - 9°C. Por el contrario, las mediciones del desplazamiento de la línea de nieve sugieren que durante la Edad de Hielo la temperatura debió haber sido 4°C - 5°C menor que la presente. 5 Arrhenius formuló una tercera pregunta: "¿Cuánto debe variar el dióxido de carbono a fin de que la temperatura alcance los mismos valores que aquéllos de la Edad de Hielo y de la Era Terciaria, respectivamente?" Sus cálculos mostraron que la temperatura en el Ártico se elevaría aproximadamente 8°C - 9°C si el dióxido de carbono aumenta de 2.5 a 3.0 veces el nivel actual (1896). Asimismo, Arrhenius mostró que para obtener la temperatura de la Edad de Hielo entre los paralelos 40° y 50°, el dióxido de carbono en el aire tendría que bajar a 0.62 a 0.55 del nivel actual (1896). 6 Por último, Arrhenius hizo una pregunta crucial: "¿Es probable que este tipo de variaciones tan grandes en el nivel de dióxido de carbono puedan haber ocurrido en tiempos geológicos relativamente cortos?" Cuando el dióxido de carbono en el aire [suponiendo 300 ppmv, c. 1896] se distribuye uniformemente sobre toda la Tierra, produce una capa de carbono de 1 mm de espesor. ¿Cómo se compara esta cantidad con las cantidades que están siendo transformadas por la naturaleza y por los seres humanos? Según Arrhenius, el uso industrial carbón en el mundo es de 500,000,000 de toneladas por año (c. 1896), lo que equivale a una capa de 0.003 mm.   Fig. 3  Antracita (mineral de carbón). Comparativamente, el consumo mundial del carbón fue de 6,300,000,000 de toneladas, y la de petróleo fue de 4,891,000,000 de toneladas [2007]. En general, la cantidad total de dióxido de carbono fijado en formaciones sedimentarias es de aproximadamente 25,000 más que la cantidad presente en el aire. Cada molécula de carbono enterrada bajo la superficie de la Tierra debe haber pasado a través de la atmósfera a lo largo del tiempo geológico. Por lo tanto, la probabilidad de variaciones sustanciales en la cantidad de dióxido de carbono en el aire es un hecho real, aunque no todas las variaciones han sido siempre en la misma dirección. Arrhenius llegó a la conclusión, mediante un balance de masa, que la principal fuente de carbono juvenil en el aire proviene de erupciones volcánicas. Los vulcanólogos reconocen que esta fuente no siempre ha fluído con regularidad a través del tiempo geológico. Por lo tanto, las variaciones naturales de dióxido de carbono atmosférico se atribuyen a las variaciones naturales en la cantidad de dióxido de carbono producido por la actividad volcánica. Es necesario notar que mientras Arrhenius no sugirió explícitamente que la quema de combustibles fósiles podría causar el calentamiento global, su artículo indica que estaba consciente del potencial de los combustibles fósiles como fuente importante de dióxido de carbono. Arrhenius no podía haber previsto el enorme aumento en el consumo de combustibles fósiles debido a la invención y uso generalizado de automóviles, trenes, barcos, aviones y otros medios de transporte automotriz. Tampoco podía haberse imaginado las mejoras sustanciales en el saneamiento y la salud pública que llevaron a la explosión demográfica del siglo XX. Sin embargo, aún con su perspectiva limitada, Arrhenius concluyó que probablemente habrían grandes variaciones en el dióxido de carbono atmosférico. Aun así, no podía haber previsto que poco después [1903], los humanos participarían en un experimento de proporciones amplias e impacto global: la quema indiscriminada de combustibles fósiles para apoyar la actividad económica que ha caracterizado a las sociedades desarrolladas en los últimos cien años. 7 Las predicciones de Arrhenius fueron recibidas con gran interés por la comunidad científica internacional, pero con el tiempo se olvidó el tema hasta que Carl Rossby inició mediciones atmosféricas de dióxido de carbono en la década de 1950. La cuestión de efecto invernadero de Arrhenius fue tomada como tema importante en el Año Geofísico Internacional de 1957-1958. Como seguimiento, se establecieron mediciones permanentes de dióxido de carbono bajo el liderazgo de Charles Keeling, de la Institución Scripps de Oceanografía, en San Diego, California. Gracias a la habilidad y la perseverancia de Keeling, ahora tenemos un registro de más de cinco décadas de mediciones de la concentración de dióxido de carbono, las cuales claramente indican un patrón de crecimiento sostenido. Fig. 4  El gráfico Keeling. La concentración de dióxido de carbono actual (2015) es de 400 ppmv y el aumento anual es de aproximadamente 2 ppmv. No hay duda de que los seres humanos han reemplazado a los volcanes como los principales agentes del cambio geofísico global. 8 ¿Existe alguna evidencia sobre el calentamiento global? El Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA en New York ha desarrollado una gráfica que muestra las mediciones de las anomalías de la temperatura media global de la tierra-océano, desde 1880 hasta el presente. Fig. 5   Anomalía de la temperatura media global de la tierra-océano, desde 1880 hasta el presente (°) (Fuente: NASA). Dicha gráfica muestra claramente un aumento de alrededor de 0.6°C durante los últimos cincuenta años. Por lo tanto, según la NASA, un aumento del 25% del dióxido de carbono atmosférico aparentemente ha causado un aumento de 0.6°C. Si esta tendencia continúa, una duplicación del dióxido de carbono daría lugar a un aumento aproximado del 2.4°C en la temperatura. 9 Para concluir, Arrhenius estuvo esencialmente correcto al identificar y calcular la capacidad de los gases de efecto invernadero para regular el clima, en particular, el dióxido de carbono. Cabe notar que de los dos gases más importantes responsables del efecto invernadero, CO2 y H2O, sólo el dióxido de carbono tiene una componente antropogénica que incrementa a través del tiempo. La intención de la naturaleza es que el sistema fuese cibernético, es decir, autoregulable, con períodos de calentamiento seguidos por períodos de enfriamiento. Sin embargo, durante el último medio siglo, los humanos hemos desestabilizado completamente el sistema natural. La retroalimentación positiva resultante amenaza con desactivar el funcionamiento cibernético de la ecosfera. 10 Una reflexión final: el dióxido de carbono atmosférico actúa como un cobertor, ya que impide que parte del calor que se encuentra debajo de él escape al espacio sideral. Cuanto mayor sea la cantidad de dióxido de carbono, más grueso será dicho cobertor y, por consecuencia, mayor será la cantidad de calor retenido. Mientras el espesor real del cobertor está sujeto a variaciones estacionales, la tendencia marcadamente ascendente de los últimos cincuenta años es actualmente motivo de seria preocupación. El cobertor es cada vez más grueso, independientemente de las estaciones; su ancho ha aumentado 25% en los últimos 56 años. Ésta debe ser la razón por la cual muchos glaciares en el mundo están desapareciendo. Fig. 6  El Glaciar Ururashraju, en la Cordillera Blanca, Perú, el cual ha retrocedido 500 metros entre 1986 y 1999.

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