Efecto invernadero

70 a 75% de la radiación de onda corta emitida por el sol (rojo) llega a la superficie de la tierra a través de la atmósfera, que se calienta y emite radiación infrarroja de onda larga (azul), cuya emisión al espacio se ve obstaculizada por los gases de efecto invernadero . Se muestran tres curvas de radiación de radiación infrarroja de cuerpos entre -63 ° C y +37 ° C (violeta, azul, negro). Los gráficos siguientes muestran qué gases de efecto invernadero absorben qué partes del espectro.

El efecto invernadero es el efecto de los gases de efecto invernadero en una atmósfera sobre la temperatura de la superficie del planeta, como la de la tierra. Provoca un aumento de temperatura allí. El efecto surge del hecho de que la atmósfera es en gran parte transparente para la radiación de onda corta que llega del sol , pero no muy transparente para la radiación infrarroja de onda larga emitida por la superficie cálida de la tierra y el aire caliente .

La analogía entre el efecto invernadero atmosférico y un invernadero tiene en común que la luz penetra en el sistema casi sin obstáculos, mientras que el calor resultante puede salir del sistema con menos facilidad. Cuanto más aislado esté el flujo de calor hacia el exterior, mayor será la temperatura en el interior hasta que se alcance un equilibrio entre la energía luminosa convertida y la pérdida de calor. En la casa de cristal, el aire caliente que se eleva desde el suelo no puede escapar al exterior. Sin embargo, las paredes de vidrio se calientan a medida que aumenta la temperatura del aire hasta que finalmente transfieren el calor al ambiente. Por el contrario, un planeta en el vacío del espacio solo puede compensar la potencia de calentamiento recibida emitiendo radiación térmica y así limitar su temperatura. Los gases de efecto invernadero envían parte de esta radiación de calor a la superficie, que se enfría con menos eficacia y, en consecuencia, se calienta. Este calentamiento adicional se describe con el término efecto invernadero .

Historia

descubrimiento

→ Ver también: Historia de la investigación del cambio climático

El efecto invernadero fue descubierto en 1824 por el matemático y físico francés Joseph Fourier , combinado con la suposición de que la atmósfera terrestre tiene propiedades aislantes que evitan que parte de la radiación térmica incidente se refleje en el espacio. En 1856, Eunice Foote estudió los efectos invernadero de varios gases. Como mujer, a Foote no se le permitió presentar sus resultados a la " Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia ", pero logró publicar su investigación en la revista científica " The American Journal of Science and Arts ". Foote concluyó a partir de sus datos: "Si, como algunos suponen, en algún momento de la historia de la tierra se añadió al aire una mayor proporción [de dióxido de carbono] que en la actualidad, entonces esto inevitablemente debería haber resultado en una aumento de la temperatura ". En 1862, el naturalista británico John Tyndall pudo utilizar medidas precisas para identificar algunos de los gases responsables del efecto invernadero, como el vapor de agua y el dióxido de carbono .

En una publicación publicada en 1896, el físico y químico sueco Svante Arrhenius (1859-1927) logró describir el efecto invernadero atmosférico por primera vez con mayor precisión , teniendo en cuenta la retroalimentación del albedo del hielo . La primera prueba del aumento de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera y, por tanto, del efecto invernadero antropogénico, fue hecha en 1958 por Charles D. Keeling . Un gran número de estaciones de medición de dióxido de carbono se establecieron por iniciativa de Keeling; el más famoso está en el Mauna Loa en Hawaii . Además de una red global de estaciones, existen varios satélites de observación de la tierra en funcionamiento o en etapa de planificación, cuya tarea, entre otras cosas, es recopilar datos sobre las concentraciones de gases de efecto invernadero, el balance de radiación o la formación de nubes o distribución de aerosoles .

Curso histórico

Desde el comienzo de la era industrial , se han liberado a la atmósfera cantidades adicionales de gases de efecto invernadero a partir de los procesos de combustión y la agricultura: dióxido de carbono , metano , óxido nitroso y la formación causada indirectamente de ozono troposférico . Este aumento se denomina efecto invernadero antropogénico y es la razón del calentamiento global que se ha producido desde el comienzo de la era industrial y ha seguido aumentando en el siglo XXI . Varios componentes del efecto invernadero han sido probados mediante mediciones, como el aumento del forzamiento radiativo debido a las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero, así como la suposición publicada en 1908 de que la tropopausa se desplaza hacia arriba con el aumento _{de la} concentración de CO ₂ . El nivel actual de dióxido de carbono es el más alto en al menos 800.000 años. Según los análisis paleoclimatológicos , no se han producido valores de CO ₂ significativamente más altos durante los últimos 14 millones de años (desde el óptimo climático del Mioceno Medio ) .

Posibles desarrollos

Los gases de efecto invernadero más importantes responsables del efecto invernadero en la tierra en la actualidad son el vapor de agua (participación del 62%), seguido del dióxido de carbono (participación del 22%). El calentamiento global también aumenta z. B. a través de la retroalimentación del vapor de agua o la disminución del almacenamiento de CO ₂ en el océano más cálido, la concentración de estos gases de efecto invernadero aumentará. Se discute repetidamente si estas retroalimentaciones positivas en el sistema climático pueden, en principio, poner en marcha un efecto invernadero galopante , que en el pasado también debe haber tenido lugar en el planeta Venus, por ejemplo . Incluso sin una retroalimentación completamente desestabilizadora, uno o más puntos de inflexión en el sistema climático de la tierra se pueden superar fácilmente como resultado del calentamiento , a partir del cual el clima se nivela a un nuevo estado de equilibrio, con niveles del mar más altos y un significativo disminución de la biodiversidad . Tal desarrollo cambiaría seriamente la imagen de la tierra, sobre todo debido al cambio asociado en las zonas de clima y de la vegetación y la amplia fusión de las West Antártida y Groenlandia capas de hielo .

Modo de acción físico

Balance de radiación

Diagrama de Sankey del balance energético de la atmósfera terrestre: los flujos de energía esencial

Fundamental para la comprensión física de la temperatura de la tierra es su balance de radiación . La energía en forma de radiación electromagnética se irradia desde el sol hacia la tierra. A partir de esto, la tierra recibe una salida de 1367 vatios por metro cuadrado en el área de la sección transversal circular, aproximadamente la de una placa calefactora. En relación a toda la superficie esférica con lado diurno y nocturno, este es un promedio de 341 W / m². La materia de la tierra sobre la que impacta la radiación refleja alrededor del 30% de ella directamente. El resto de la parte absorbida calienta la materia hasta que a su vez emite la misma cantidad de calor. A nivel mundial, la tierra irradia aproximadamente la misma cantidad de energía electromagnética de regreso al espacio que la que recibe en promedio del sol.

Temperatura media de equilibrio

La temperatura media de equilibrio de la Tierra se puede calcular primero para un planeta sin atmósfera, que tiene el mismo albedo y otras condiciones idénticas que la Tierra. Bajo este supuesto simplificado, la temperatura de la superficie en la media global, diaria y estacional sería de -18 ° C. Solo a esta temperatura media hay un equilibrio en el que, en promedio, se emite al universo frío a -270 ° C tanta radiación térmica como se absorbe la energía de radiación del sol.

Si hay atmósfera, debido a la universalidad de la ley de radiación, debe prevalecer también en su exterior la misma temperatura efectiva de -18 ° C para que pueda existir el equilibrio de radiación. Desde el espacio, las imágenes térmicas de la Tierra también confirmarían esta temperatura media de -18 ° C. Sin embargo, se mide una temperatura media significativamente más alta de +14 ° C debajo de la atmósfera en la superficie de la tierra. La diferencia de 32 ° C se atribuye al efecto invernadero.

Comparación con otros planetas

Las comparaciones con otros planetas o los cálculos de modelos planetarios idealizados ilustran los efectos del efecto invernadero.

Un ejemplo sin atmósfera en absoluto se puede encontrar cerca de la luna . Recibe la misma potencia radiante por área que la tierra y tiene una temperatura superficial promedio de -55 ° C. El hecho de que la luna sea incluso más fría que los -18 ° C de temperatura exterior de la tierra no se debe a su tamaño, sino únicamente a la velocidad de rotación. En el lado sombreado, puede irradiar calor durante medio mes, mientras que la temperatura en el lado soleado se satura. Con solo 24 horas por revolución, la luna tendría una temperatura promedio de alrededor de -3 ° C debido a su color más oscuro.

Hay una gran diferencia en nuestro vecino planeta Venus : en lugar de los -46 ° C calculados del equilibrio de radiación, en realidad se midió un promedio de 464 ° C bajo la densa y casi pura atmósfera de CO ₂ en la superficie del planeta. La causa es muy clara aquí: el efecto invernadero.

Espectros de radiación emitida

Las longitudes de onda más comunes de los fotones de la luz solar son alrededor de 500 nm, lo que corresponde a la luz verde, por lo que la suma de todos los rayos solares visibles se percibe como luz blanca. De este máximo de radiación se puede inferir la temperatura superficial del sol: unos 5600 ° C o 5900 K. Lo mismo se aplica a la radiación térmica , que es irradiada por objetos calentados en forma de ondas electromagnéticas a temperaturas terrestres y cuya longitud de onda más frecuente es alrededor de 10.000 nm ( radiación infrarroja ). La ley de desplazamiento de Wien describe la relación decisiva : cuanto menor es la temperatura de un radiador, mayor es la longitud de onda de la radiación que emite. Por debajo del máximo, el espectro tiende hacia ondas largas, por lo que la mitad de la luz solar también está formada por radiación infrarroja.

Mecanismo del efecto invernadero

La luz del sol (flechas blancas) se refleja desde la superficie de la tierra como radiación térmica (flechas naranjas). Parte de ella es absorbida por moléculas de gases de efecto invernadero (agua, dióxido de carbono y metano) y se emite nuevamente en una dirección aleatoria, en parte también de regreso a la tierra.

En el rango espectral de la luz solar visible, la envoltura de aire de la Tierra absorbe muy poca radiación; se habla de alta transparencia . Por lo tanto, la radiación puede penetrar en el invernadero casi sin obstáculos. Solo la parte infrarroja puede calentar partes de la atmósfera directamente. La materia dentro del invernadero, es decir, esencialmente la superficie de la tierra, absorbe una gran parte de los fotones y , como resultado, se calienta . Desde allí, el calor se irradia electromagnéticamente hacia arriba, ya sea directa o indirectamente a través del aire calentado.

Dado que la mayor parte de la energía irradiada desde la tierra consiste solo en radiación infrarroja, el efecto invernadero se vuelve notable: la atmósfera es menos permeable a la radiación infrarroja cuando hay gases de efecto invernadero presentes. Estas moléculas tienen la propiedad especial de ser puestas en rotación u oscilación de manera muy eficiente en el campo electromagnético alterno de radiación térmica debido a una asimetría de la distribución de carga y por lo tanto absorbiendo energía. Tales vibraciones o rotaciones, en las que las cargas negativas y positivas oscilan entre sí o giran una alrededor de la otra, actúan como una antena. La molécula puede entonces irradiar la energía de la misma forma en una dirección aleatoria que la radiación infrarroja. La porción que se emite contra el gradiente de temperatura en la dirección de la tierra reduce la capacidad de enfriamiento efectiva de la superficie terrestre, lo que da como resultado una temperatura de equilibrio más alta.

Gases de invernadero

Ejemplo de un modelo de cálculo de 2009 para el balance medio anual de radiación de la Tierra para el período de marzo de 2000 a mayo de 2004. Los cálculos se realizaron en parte sobre la base de datos de satélite ( CERES ) y en parte sobre la base de supuestos ( hipótesis ) . El ancho de las flechas anchas indica las proporciones del flujo de energía. Un cálculo posterior del modelo de 2013 mostró un excedente de energía de 0,6 W / m², con un rango de incertidumbre de 0,2 a 1,0 W / m².

Permeabilidad de la atmósfera a la radiación electromagnética de diferentes longitudes de onda. El área amarilla se llama Ventana Atmosférica; allí la atmósfera es permeable a las ondas electromagnéticas del rango infrarrojo.

En la atmósfera terrestre, los gases de efecto invernadero como el vapor de agua , el dióxido de carbono , el metano y el ozono han tenido un efecto invernadero desde la existencia de la tierra, lo que tiene una influencia decisiva en la historia climática del pasado y el clima actual . Los gases de efecto invernadero están permitidos para la porción de onda corta de la radiación solar , mientras que la radiación de calor de onda larga se absorbe y emite en diferentes longitudes de onda dependiendo del gas de efecto invernadero.

Las moléculas de gases de efecto invernadero se caracterizan físicamente por una cierta asimetría o polarizabilidad de la distribución de carga. Si el centro de gravedad de las cargas positivas está algo alejado del de las cargas negativas, entonces la molécula tiene el llamado momento dipolar . Un campo eléctrico externo puede causar fuerzas en diferentes direcciones en diferentes puntos. Esto hace que dicha molécula gire o se deforma elásticamente y, por lo tanto, se estimula para que oscile o vibre. La amplitud de esta oscilación es particularmente fuerte cuando la oscilación natural de la molécula está en resonancia con la frecuencia de excitación externa del campo alterno. La energía de rotación o vibración absorbida puede ser intercambiada por la molécula a través de colisiones con otras moléculas o irradiada de nuevo electromagnéticamente a través del efecto de antena del momento dipolar oscilante. La radiación tiene lugar en una dirección aleatoria y parcialmente de regreso a la tierra. Las pequeñas moléculas simétricas como O ₂ y N ₂ no tienen ese momento dipolar y son casi completamente transparentes a la radiación térmica.

La mayor parte del efecto invernadero es causada por el vapor de agua en la atmósfera con una participación de aproximadamente el 36-70% (sin tener en cuenta los efectos de las nubes) . El dióxido de carbono en la atmósfera terrestre contribuye alrededor del 9–26% al efecto invernadero, el metano alrededor del 4–9% y el ozono troposférico alrededor del 3–7%. El impacto climático del ozono difiere mucho entre el ozono estratosférico y el ozono troposférico. El ozono estratosférico absorbe el componente ultravioleta de onda corta en la luz solar incidente y, por lo tanto, tiene un efecto de enfriamiento (en relación con la superficie de la tierra). El ozono troposférico se crea a partir de los productos de los procesos de combustión antropogénica y, como otros gases de efecto invernadero, tiene un efecto de calentamiento debido a su absorción de IR.

No se puede dar un porcentaje exacto del efecto de los gases de efecto invernadero individuales sobre el efecto invernadero, ya que la influencia de los gases individuales varía según la latitud y la mezcla (los valores porcentuales más altos indican la proporción aproximada del gas en sí, el valores más bajos resultan de las mezclas de los gases).

Con la gran masa de la tierra, el almacenamiento de calor juega un papel importante, lo que se puede ver por el hecho de que la época más cálida en la tierra en verano solo ocurre después del punto más alto del sol (el " solsticio "). El punto más alto del sol es el 21 de junio en el hemisferio norte y el 21 de diciembre en el hemisferio sur. Debido a este gran efecto de almacenamiento, los balances de energía en la atmósfera siempre se calculan utilizando el valor medio de toda la superficie de la tierra.

Balance de energía

Los procesos de calor en la superficie de la tierra y en la atmósfera son impulsados ​​por el sol. La fuerza de la radiación solar en la órbita terrestre se denomina constante solar y tiene un valor de alrededor de 1367 W / m². Dependiendo de la distancia de la tierra y la actividad solar, esta fluctúa entre 1325 W / m² y 1420 W / m²; En el gráfico de la derecha se calculó una constante solar de 1365,2 W / m².

Los llamados balances de energía se calculan con un valor medio de la irradiación en la superficie terrestre: La tierra recibe radiación solar en el área de la sección transversal de la tierra y tiene una superficie de . Estas dos áreas tienen una proporción de 1: 4, es decir H. promediado en todo el globo, una radiación de 341,3 W / m² llega a la superficie. Las nubes, el aire y el suelo (especialmente el hielo y la nieve, ver albedo ) reflejan alrededor del 30% de la energía solar irradiada de regreso al espacio, es decir, alrededor de 102 W / m². El 70% restante se absorbe (78 W / m² de la atmósfera, 161 W / m² del suelo), es decir, un total de 239 W / m². Si la tierra solo estuviera expuesta a una radiación de 239 W / m², la superficie de la tierra asumiría una temperatura promedio de aproximadamente -18 ° C si el calor se distribuyera uniformemente sobre la tierra. ${\ Displaystyle \ pi R ^ {2}}$${\ Displaystyle 4 \ pi R ^ {2}}$

Porque según la ley de Stefan-Boltzmann :

${\ Displaystyle P = A \ sigma T ^ {4}}$,

con  potencia,  área, constante de Stefan-Boltzmann . La tierra tiene un albedo de 0,3, es decir, H. Se refleja el 30% de la radiación incidente. Entonces, la radiación efectiva es y la ecuación para el equilibrio de radiación de la tierra sin atmósfera se convierte en: ${\ Displaystyle P =}$${\ Displaystyle A =}$${\ Displaystyle \ sigma =}$ ${\ Displaystyle P _ {\ mathrm {W}}}$${\ Displaystyle (1-0 {,} 3) \ cdot P}$

${\ Displaystyle (1-0 {,} 3) \ cdot P = A \ sigma T ^ {4}}$.

Movido después de los resultados ${\ Displaystyle T}$

${\ Displaystyle T = {\ sqrt [{4}] {\ frac {0 {,} 7 \ ​​cdot P} {\ sigma A}}}}$

y con los parámetros del planeta tierra:

${\ displaystyle {\ sqrt [{4}] {\ frac {0 {,} 7 \ ​​cdot 342 \, \ mathrm {W}} {\ sigma \ cdot \ mathrm {m} ^ {2}}}} = 254 {,} 9 \, \ mathrm {K} = -18 ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$.

Pero hay una radiación adicional de los gases de efecto invernadero calentados con 333 W / m², la denominada contrarradiación atmosférica . La superficie terrestre absorbe un total de 161 W / m² + 333 W / m² = 494 W / m², y estos se emiten de varias formas a la temperatura superficial media real de +14 ° C. Parte de ella es emitida por radiación, que de nuevo se describe en la ley de radiación de Planck .

La energía irradiada desde la superficie terrestre tiene una distribución espectral (de color) diferente a la de la luz solar incidente, que tiene una distribución espectral correspondiente a una temperatura de color de unos 6000 K y apenas es absorbida por los gases atmosféricos. La distribución espectral de la energía irradiada desde la superficie terrestre está determinada por los +14 ° C de la superficie terrestre, de modo que solo unos 40 W / m² se irradian directamente desde la superficie terrestre al espacio. Los 199 W / m² restantes son emitidos en parte por radiación a la atmósfera que es opaca para esta porción de longitud de onda (causada por gases de efecto invernadero); Se llevan 17 W / m² a las capas superiores de aire por convección, donde luego se irradia esta energía; Se emiten 80 W / m² por evapotranspiración . La atmósfera tiene dos superficies: una hacia el espacio y otra hacia la tierra. La radiación de la atmósfera es la misma en ambos lados si la temperatura de la tierra es constante. Por lo tanto, se emite una energía de 338 W / m² a la mitad de cada lado de la atmósfera, es decir, 169 W / m² cada uno. A modo de comparación: un cuerpo negro con una radiación de 150 W / m² tiene una temperatura de aproximadamente -40 ° C. Si la radiación es mayor en una dirección que en la otra, la tierra se calienta o se enfría. La diferencia es el forzamiento radiativo . Con esta cantidad, la nueva temperatura de equilibrio de la tierra resultante del cambio de equilibrio se puede calcular fácilmente.

Distribución de vapor de agua en la atmósfera terrestre. Especificación de la altura de la columna de agua en caso de condensación en centímetros

Debido a la radiación al espacio desde la atmósfera con 169 W / m², la radiación de las nubes con 30 W / m², los 40 W / m² de la superficie terrestre y la porción de albedo de 102 W / m², esto es aproximadamente igual a la irradiación media de 342 W / m², d. Es decir, la radiación es aproximadamente lo mismo que la radiación. Esto también se puede ver en el hecho de que la temperatura de la tierra cambia solo lentamente, de lo cual se sigue inevitablemente que la tierra libera la energía solar absorbida nuevamente, pero debido a la baja temperatura de la tierra, la energía se emite principalmente en forma de onda larga. Radiación infrarroja ( ley de desplazamiento de Wien ).

El flujo de calor del manto terrestre es prácticamente irrelevante. Es de aproximadamente 0,06 W / m².

El flujo de calor ( energía ) de los combustibles utilizados por los seres humanos es incluso menor y es de 0,026 vatios por metro cuadrado. Se calcula a partir del consumo mundial de energía (en 2004) de 432 exajulios y el tamaño de la superficie terrestre de alrededor de 510 millones de km².

En resumen: el reflejo de la atmósfera a la tierra conduce a un calentamiento adicional de la superficie terrestre. Esto explica la temperatura global media medida de 14 ° C en lugar de la temperatura de equilibrio calculada teóricamente sin atmósfera de -18 ° C.

La distribución de alturas desde donde la radiación térmica llega a la superficie terrestre también es importante. Solo la proporción de radiación procedente de altitudes bajas es directamente significativa para el efecto invernadero, porque solo esta radiación llega al suelo sin ser absorbida nuevamente por los gases de efecto invernadero (ver párrafo siguiente). El "bajo" depende mucho de la longitud de onda, porque la longitud después de la cual la radiación se absorbe nuevamente (longitud de absorción ) depende de la longitud de onda y la concentración. Si la longitud de absorción es mayor que el espesor de la atmósfera, la atmósfera es casi transparente en estas longitudes de onda. Dado que la intensidad de la radiación depende de la temperatura de la fuente, la intensidad de la radiación aumenta cuando la longitud de absorción se acorta: debido a la disminución de la temperatura con la altitud, la temperatura media aumenta sobre la longitud de absorción más corta. Esto significa que la contraradiación atmosférica en un rango de longitud de onda puede volverse aún más fuerte con cantidades crecientes de gas de efecto invernadero, incluso si la atmósfera en este rango de longitud de onda ya es tan buena como opaca.

El perfil de temperatura hasta una altitud de aproximadamente 11 km es prácticamente solo adiabático, la energía perdida por la emisión de gases de efecto invernadero se reemplaza por convección y absorción de radiación. La radiación absorbida proviene de varias fuentes:

• Radiación solar (proporción muy baja)
• Radiación de la superficie terrestre.
• Radiación de capas más profundas
• Radiación de capas superiores

La proporción de radiación de calor de onda larga emitida por gases de efecto invernadero como

• Dióxido de carbono (CO ₂ ),
• Metano (CH ₄ ),
• Gas de la risa (N ₂ O)

y otros gases se llama efecto invernadero seco . La inclusión de vapor de agua conduce al efecto invernadero húmedo . Aproximadamente el 62% del efecto invernadero es causado por el vapor de agua y aproximadamente el 22% por el dióxido de carbono.

La combustión completa de hidrocarburos ( antropogénicos ) con la fórmula empírica C _x H _y da como resultado x moléculas de CO ₂ ey / 2 moléculas de H ₂ O, las cuales contribuyen al efecto invernadero global.

El perfil de temperatura de la atmósfera en función de la altitud de presión (superficie terrestre = 1,013 bar): la tropopausa se aproxima mejor con un exponente isentrópico de 0,19.

El perfil de temperatura en función de la altitud de presión es interesante (la presión más alta en la superficie terrestre es 1.013 bar). La presión disminuye hacia arriba porque la masa de gas es menor. Los mismos cambios de presión corresponden al mismo número de partículas de gas. En la troposfera, la curva de temperatura se describe mejor mediante un adiabático con el exponente 0,19. Por encima de la troposfera, la masa de gas es baja y ya no hay un curso adiabático. El pico de la atmósfera real a bajas presiones es causado por la absorción UV de oxígeno (formación y descomposición del ozono). La existencia de la troposfera se puede explicar por la curvatura de la curva en la troposfera: si la curva fuera una línea recta, la energía absorbida por los gases de efecto invernadero sería en promedio igual a la energía emitida, debido a la curvatura y su tipo. sin embargo, la energía emitida es mayor que la absorbida, por lo que el aire se enfría y se hunde hasta el fondo. Esto pone en movimiento una circulación vertical que, según las leyes de los gases con contenido de calor constante (la pérdida de radiación es pequeña en comparación con el contenido de calor), conduce a un curso adiabático.

Por lo tanto, la importancia del efecto invernadero global también se puede ver en las extremadamente diferentes temperaturas de la superficie de los planetas Venus , la Tierra y Marte . Estas diferencias de temperatura dependen no solo de la distancia al sol, sino sobre todo de las distintas atmósferas (por diversas causas).

Efecto invernadero antropogénico

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Cómo funciona el efecto invernadero. Video explicativo de Terra X

El efecto invernadero antropogénico es la intensificación del efecto invernadero natural a través de actividades humanas. Esto se debe principalmente a la liberación de varios gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO ₂ ), el metano (CH ₄ ), el óxido nitroso (N ₂ O) y el ozono troposférico (O ₃ ). Su consecuencia es el calentamiento global , i. H. un aumento de la temperatura media global desde el inicio de la industrialización, o especialmente fuerte en los últimos 30 años, alrededor de 1 grado centígrado. Mientras tanto, este efecto no solo se entiende teóricamente. B. medirse con satélites que registran la radiación de energía en la tierra y la energía irradiada desde la tierra. Los datos satelitales muestran que la radiación de calor de la tierra al espacio disminuye con la concentración creciente de gases de efecto invernadero, como se espera con una concentración de gases de efecto invernadero aumentada. El descenso se produce en la gama de longitudes de onda de los gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, el metano y el ozono, cuya proporción en la atmósfera aumenta debido a las emisiones antropogénicas.

Concentración de CO ₂ en la atmósfera: Se muestran los últimos 100 millones de años y un posible desarrollo en los próximos 300 años.

Reconstrucciones de temperatura y temperaturas medidas instrumentalmente durante los últimos 2000 años.

velocidad

En contraste con los cambios climáticos naturales que tienen lugar en escalas de tiempo geológicas, el cambio climático antropogénico ocurre en un tiempo extremadamente corto. Según estudios más recientes, la liberación de dióxido de carbono observada actualmente ocurre más rápido que en todas las fases de calentamiento conocidas de los últimos 66 millones de años. Lo mismo es cierto para la tasa de cambio de temperatura que se observa actualmente. El calentamiento global desde la última edad de hielo hasta el actual período cálido fue un calentamiento de aproximadamente un grado cada 1000 años. El aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero durante los últimos 100 años ha provocado un aumento de la temperatura media mundial de alrededor de 0,85 grados. El aumento de temperatura más probable en el futuro de aproximadamente 5 ° C para 2100 en un escenario "sin cambios" (trayectoria de concentración representativa RCP 8.5) se produciría incluso a una velocidad de 5 ° C / 100 años.

mecanismo

Solo una pequeña parte de la radiación térmica neta de la tierra al espacio proviene de capas de la atmósfera cercanas al suelo, porque en las capas inferiores del aire, la radiación infrarroja es absorbida principalmente de nuevo por las capas de aire de arriba. Tampoco tiene lugar en un área estrechamente delimitada, sino en un área que se extiende desde áreas cercanas al suelo hasta una altitud de aproximadamente 15 km y en promedio desde una altura de 5,5 km. La temperatura de radiación de equilibrio de la superficie terrestre sería de -18 ° C sin atmósfera. Por razones de termodinámica , la temperatura en la atmósfera desciende 6,5 K / km cuando se mueve hacia arriba. Un aumento en la concentración de gases de efecto invernadero hace que la capa en la que hay una temperatura de equilibrio de radiación de -18 ° C se mueva hacia arriba. Por cada kilómetro de aumento de la capa en la que hay equilibrio de radiación, la temperatura en la superficie terrestre también aumenta en 6,5 ° C. Ya en 1901, Nils Ekholm postuló el surgimiento de la tropopausa: “La radiación de la tierra al espacio no llega directamente desde el suelo, sino desde una capa que se encuentra a una altura considerable sobre el suelo. Cuanto mayor sea la fuerza con la que el aire puede absorber la radiación emitida por el suelo, mayor será. Sin embargo, al aumentar la altitud, la temperatura de esta capa disminuye. Dado que el aire más frío puede disipar menos calor, el suelo se calienta aún más, cuanto más alta sea la capa radiante ". El meteorólogo británico publicó Ernest Gold en 1908, era de esperar que la tropopausa con el aumento _{de la} concentración de CO ₂ por el aumento del efecto invernadero aumentara. más alto. Esto podría confirmarse mediante mediciones a principios del siglo XXI. Contrariamente a algunas representaciones en los medios de comunicación, el efecto invernadero no se puede saturar porque la radiación de calor puede ser absorbida y reemitida tantas veces como se desee; cualquier absorción adicional aumenta la resistencia térmica . Como ya se describió, la mayor parte de la radiación no se produce cerca del suelo, sino a una altura de varios miles de metros. Allí hace mucho más frío que cerca del suelo. El contenido de vapor de agua del aire depende en gran medida de la temperatura, por lo que el aire frío puede contener considerablemente menos de este gas de efecto invernadero que el aire caliente. Un aumento en la concentración de dióxido de carbono tiene un efecto más fuerte de lo que sugerirían las mediciones a nivel del mar, porque apenas hay vapor de agua donde la energía de la tierra se irradia principalmente al espacio. Por lo tanto, el efecto del efecto invernadero al cambiar la concentración de dióxido de carbono aumentaría incluso si no se pudiera medir ningún cambio en la absorción al nivel del mar.

La relación entre la concentración de CO ₂ y el forzamiento radiativo instantáneo es logarítmica , lo que se nota en el caso de grandes cambios en la concentración de CO ₂ , hasta aproximadamente 3000 ppm. En el área relevante para el desarrollo climático, la curva logarítmica es solo ligeramente curvada.

Críticas y malentendidos

causa principal

El efecto invernadero antropogénico y el calentamiento global difícilmente pueden ser percibidos y controlados por los individuos y, por lo tanto, parecen abstractos. Incluso la definición común de clima como el valor medio del tiempo durante 20 a 30 años deja en claro que los cambios solo pueden ser accesibles a los científicos en red global a través de una larga serie de mediciones y modelos climáticos. Sin embargo, esto lleva a algunas personas a ser escépticas o incluso a negar resultados de investigación reconocidos a nivel mundial (ver también la negación del cambio climático o el consenso científico sobre el cambio climático ). En algunos casos, se expresan dudas sobre el efecto invernadero, pero esto se debe principalmente a malentendidos con respecto a los procesos físicos.

Dilución de gases de efecto invernadero

Algunos laicos concluyen erróneamente de la muy baja concentración de CO ₂ en la atmósfera que tiene un efecto débil. La cantidad total de moléculas de CO ₂ presentes en la atmósfera es el único factor decisivo para la retrodispersión, mientras que los gases neutros son penetrados casi sin obstáculos por la radiación como el vacío. Sin los demás gases, el CO ₂ puro _de la atmósfera correspondería a una capa de más de 3 metros de espesor bajo presión normal. Antes del inicio de la industrialización, medía unos 2 metros. La radiación térmica debe superar este obstáculo. La dilución con gases neutros no juega ningún papel en la sección transversal . En algunos rangos de longitud de onda, que serán aún más amplios en el futuro, el CO ₂ existente ya no permite que pase ninguna radiación de calor.

Segunda ley

Algunos escépticos del efecto invernadero argumentan que los gases de efecto invernadero que irradian calor hacia la superficie de la tierra (169 W / m²) conducirían energía desde un cuerpo más frío (alrededor de -40 ° C) a un cuerpo más caliente (la superficie de la tierra alrededor de +14 ° C). , que supuestamente contradice la segunda ley de la termodinámica . De hecho, incluso con el efecto invernadero, en general fluye más energía desde la superficie calentada de la tierra hacia el gas de efecto invernadero más frío. Sin embargo, el intercambio térmico de radiación por medio de fotones infrarrojos tiene lugar básicamente en ambas direcciones. Esto se puede ver en la interpretación física de la temperatura , que describe en un sistema qué energía absorben en promedio sus grados de libertad. En el caso de la molécula, estos son las excitaciones de vibración y rotación, así como los componentes de velocidad. Sin embargo, incluso a una temperatura equilibrada, la energía no se distribuye uniformemente desde un punto de vista microscópico, sino que se superpone constantemente para formar fluctuaciones aleatorias según las estadísticas de Boltzmann . Si aplica el concepto de temperatura a moléculas individuales, encontrará un número muy específico de moléculas que, incluso en el gas de efecto invernadero frío, son más calientes que la superficie de la tierra y pueden irradiar su energía allí. En la interacción constante de fluctuaciones térmicas, las moléculas más frías también transmiten energía a la materia más caliente. En el proceso, contra el gradiente de temperatura, hay un flujo de energía de 169 W / m² desde la atmósfera a la superficie terrestre. La segunda ley de la termodinámica solo requiere que prevalezca el caso opuesto, de modo que en general se transporte más energía desde la superficie cálida de la tierra a los gases de efecto invernadero más fríos. En comparación con el gradiente de temperatura total al universo frío de -270 ° C, la contrarradiación de los gases de efecto invernadero reduce significativamente la capacidad de enfriamiento efectiva, de modo que una temperatura aumentada en la tierra de efecto invernadero se establece en equilibrio.

Calentamiento global bajo

El calentamiento global de 1,5 ° C o 2 ° C, que se discute en público, parece ser inofensivo para las fluctuaciones meteorológicas. Sin embargo, debe tenerse en cuenta aquí que el calentamiento global medio no se distribuye uniformemente, sino que es más bajo en los océanos y está más concentrado en las masas de tierra, alrededor de un factor de 2 en las noches de Europa que ya son de 6 ° C a 10 ° C más cálidas. con un aumento de la temperatura global de 1,5 ° C en las latitudes septentrionales. En latitudes altas, el deshielo del hielo glacial y el permafrost puede provocar cambios irreversibles y reacciones en cadena. Además, las diferencias de temperatura decrecientes entre diferentes zonas climáticas conducen a una fuerza impulsora debilitada de las corrientes de aire globales. Como resultado, las áreas de alta y baja presión pueden permanecer en un lugar con más frecuencia y más tiempo en el futuro, lo que provocará situaciones climáticas más extremas y desastres naturales asociados (ver también Consecuencias del calentamiento global ).

Efecto invernadero en la casa de cristal.

Principio de calentamiento

Las plantas tropicales pueden prosperar en el invernadero en latitudes templadas.

El calentamiento de un invernadero o invernadero de vidrio se basa en un principio similar al del efecto invernadero atmosférico. La radiación solar puede penetrar en el sistema y calentar la materia en su interior. El calor convertido se distribuye en el sistema por convección del aire calentado y por radiación infrarroja. En ambos sistemas, sin embargo, el aire caliente ascendente permanece atrapado en el interior. En un caso, el techo de vidrio representa una barrera contra la convección y en el otro caso el campo gravitacional de la tierra, que evita que las masas de aire ascendentes lleven el calor absorbido del sistema al espacio.

Pérdida y regulación de calor

Se aprecia una diferencia en la pérdida de calor, que es crucial para regular y limitar la temperatura. En la casa de vidrio, la radiación de calor y la convección de calor también hacen que las paredes de vidrio se calienten después de un cierto período de tiempo. Estos, en última instancia, transmiten calor al medio ambiente. Sin embargo, la conducción de calor a través del vidrio o una película es tan baja que puede acumularse un gradiente de temperatura hacia el exterior. La temperatura interna y el gradiente aumentan eventualmente hasta que se alcanza un equilibrio en el que se difunde a través de la pared tanto calor como el que genera la luz solar en el interior. Se ve completamente diferente con el efecto invernadero atmosférico. Debido al vacío del espacio, la atmósfera está completamente aislada de la difusión como un termo . La temperatura se regula allí exclusivamente a través de la pérdida de calor por la radiación térmica emitida. Los gases de efecto invernadero obstaculizan esta radiación y aseguran así un mayor equilibrio de temperatura. En la casa de vidrio, la pérdida de calor a través de la radiación térmica se evita en gran medida, ya que el vidrio de una ventana normal es en gran parte impermeable en el rango del infrarrojo medio y lejano.

Aplicaciones

Además de utilizar el efecto en cultivos bajo vidrio e invernaderos , el uso pasivo del sol también ahorra energía de calefacción en la arquitectura . Con grandes frentes de vidrio y jardines de invierno orientados al sur , la masa del edificio se calienta con los rayos del sol. En el caso de casas bien aisladas, de baja energía y pasivas en particular, incluso es necesario sombrear las superficies de vidrio a la hora del almuerzo para que los edificios no se sobrecalienten. Este efecto también ocurre en un automóvil estacionado al sol.

Efecto invernadero inverso

También existe un efecto invernadero inverso que se puede utilizar para el enfriamiento pasivo. Como demostración, los investigadores han producido un sistema cerrado con una ventana especialmente diseñada. Está protegido de la radiación solar directa e impermeable a la mayor parte del espectro, mientras que es transparente a la radiación en un rango de longitud de onda infrarroja especial (8-13 μm). Esta área se corresponde con una brecha en el espectro de absorción de la atmósfera, lo que significa que la materia del interior puede irradiar su calor directamente al espacio. Los investigadores lograron una temperatura que estaba en promedio 37 ° C por debajo de la temperatura del aire ambiente, únicamente a través del enfriamiento pasivo debido a la radiación de calor. El requisito previo para el efecto es un cielo en gran parte sin nubes y una humedad no demasiado alta.

literatura

• Christian-Dietrich Schönwiese : climatología. 4ª edición revisada y actualizada. UTB, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8252-3900-8 .
• W. Roedel: Física de nuestro medio ambiente: La atmósfera . 3. Edición. Springer, Berlín / Heidelberg 2000, ISBN 3-540-67180-3 , 1.3 Radiación terrestre, p. 38-41 . 
• J. Hansen, D. Johnson, A. Lacis, S. Lebedeff, P. Lee, D. Rind, G. Russell: Impacto climático del aumento del dióxido de carbono atmosférico . En: Ciencia . cinta 213 , no. 4511 , 28 de agosto de 1981, pág. 957 , doi : 10.1126 / science.213.4511.957 ( washington.edu [PDF]). 

enlaces web

Wikcionario: efecto invernadero  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

• Sitio web del IPCC y sus publicaciones y datos, incluido el cuarto informe de evaluación ( Cuarto informe de evaluación del IPCC: Cambio climático 2007 (AR4) ) (inglés)
• ¿Cómo actúa el efecto invernadero? en la sección "Comunicación" del Instituto Max Planck de Meteorología
• Experimento modelo para demostrar el efecto invernadero
• Mala meteorología: el efecto invernadero , elimina las nociones populares de "invernadero"
• Declaración de la Sociedad Meteorológica Alemana sobre los fundamentos del efecto invernadero; Archivo PDF; 1999 (43 kB) ( resumen de las declaraciones de DMG )
• El sitio web klimafakten.de proporciona conocimientos básicos y contrarresta afirmaciones falsas sobre el efecto invernadero antropogénico.

Conferencias (Youtube, inglés)

• Universidad de Queensland (UQx), Negación101x Dar sentido a la ciencia del clima Negación: Conferencia 3.3.1.1: El efecto invernadero
• Universidad de Queensland (UQx), Negación101x Dar sentido a la negación de la ciencia climática: Conferencia 3.3.2.1: Aumento del efecto invernadero
• David Archer : Conferencia 5: El efecto invernadero

Evidencia individual