Usted no se lo cree

“Burning of just one gallon of gasoline ultimately traps one hundred thousand million kilocalories of useless and unwanted heat through the greenhouse effect. This is forty million times the usable energy of 2,500 kilocalories represented by the burning of the gallon of gasoline. ” [*] – Fred T. Mackenzie (Nature Geoscience, 2009)

Uno de los argumentos más caros a la negacionía es el siguiente: “No hay ningún estudio científico que demuestre la relación entre el clima y el CO₂ producido por el hombre”. Un lector asiduo ha solicitado mi ayuda para poder argumentar con fundamento la falsedad de esta afirmación, y yo se la presto encantado.

Lo primero que llama la atención es la coletilla de “producido por el hombre”, pues diríase que, atendiendo a la frase completa y dado el objetivo del negacionismo, si el origen fuera otro no habría ningún problema en créerselo. Pero usted sabe que la aspirina tanto da que se llame aspirina como otra cosa. Hace el mismo efecto, porque es ácido acetil-salicílico. De ahí que los medicamentos genéricos, si tienen la misma composición que uno de marca, curan o alivian exactamente igual.

Veamos primero por qué la concentración atmosférica de CO₂ regula la temperatura media de la Tierra; y después veremos cómo se sabe que el exceso de CO₂ con respecto a la era preindustrial procede de las actividades humanas.

Tiene gracia que digan que no encuentran ningún estudio científico. Será que no emplean el mismo celo que cuando generan retórica, porque la espectroscopía infrarroja está descrita en multitud, no ya de artículos, sino de libros de texto.

Igual buscan en las fuentes habituales de la literatura científica. Pero ahí, difícilmente, encontrarán algo. Esto es así por la antigüedad de estos trabajos. Unos son de los siglos XVIII y XIX y, los que tienen relación con la mecánica cuántica, de principios del XX. Los posteriores se apoyan ya en ellos, demostrando su validez con efectos retroactivos pues, al llegar a cada una de las conclusiones, las mediciones correspondientes revelan, sucesivamente, la corrección de los fundamentos.

La radiación adicional (forzamiento radiativo), medida en watios por metro cuadrado (W/m²), de una concentración C de CO₂ en la atmósfera viene dada por la fórmula (aproximada) R = 5,3 ln (C/C_o), siendo C_o la concentración preindustrial de 280 ppm (partes por millón). El operador ‘ln’ significa ‘logaritmo neperiano’. Quienes argumentan que no hay pruebas deben creer que esta expresión ha salido de la nada (1).

Por qué el CO₂ (y otros gases) es el problema

Pero vayamos a los orígenes: el inglés Joseph Black descubrió este gas en el siglo XVIII, el francés Jean Baptiste Joseph Fourier describió el efecto invernadero a principios del siglo XIX (2, 3), y el irlandés John Tyndall^[1] realizó el primer experimento fiable de comprobación, corroborando las predicciones de Fourier, en 1858 (4). Finalmente, el sueco Svante Arrhenius cuantificó sus efectos en 1896 (5) gracias a que se dedicó a ocupar su mente, atormentada por el abandono de su mujer, realizando cálculos durante años, lo que hoy nos parecería inaceptable, se lo encargaríamos como mínimo a una hoja de Excel y el médico nos recetaría antidepresivos. Demostró Tyndall que:

“El calor solar posee… la capacidad de atravesar una atmósfera; pero, cuando el calor es absorbido por el planeta, resulta tan cambiada en su cualidad que los rayos emanados por el planeta no pueden volver con la misma libertad al espacio. Luego la atmósfera admite la entrada del calor solar, pero selecciona su salida; y el resultado es una tendencia a acumular calor en la superficie del planeta.” (4)

El cambio de cualidad al que se refiere Tyndall es que el calor que atraviesa la atmósfera procedente del Sol llega en forma de radiación en el espectro visible, mientras que el que la Tierra emite hacia el espacio exterior lo es en forma de radiación en el espectro infrarrojo.

Medición del calor radiante absorbido por los gases (John Tyndall, 1861)

Los escépticos de buena fe tienen dos opciones: leerse estos artículos, cuyos enlaces encontrará en las referencias, o creerse directamente sus conclusiones. Salvo que tenga usted a la vez tiempo, paciencia, ganas y una formación en ciencias relativamente avanzada, yo le recomiendo lo segundo. Don Svante Arrhenius calculó que, a una duplicación de la concentración atmosférica de dióxido de carbono, la temperatura media de la Tierra aumentaría en (unos) 5 ºC. A los escépticos de mala fe, o sea, los negacionistas, no les recomiendo nada porque, en realidad, les trae sin cuidado. Sólo resuenan a su idea preconcebida.

Hablando de resonancia. Hay otras dos formas, complementarias, de ver el efecto invernadero causado por el dióxido de carbono. Una es a partir de la formulación de las  leyes de la termodinámica y la mecánica cuántica, realizando operaciones matemáticas con esas ecuaciones. Éstas describen la interacción entre la radiación y la materia (rama de la ciencia denominada espectroscopía), y en particular, en el caso de la Tierra, la interacción entre la radiación infrarroja y las moléculas de más de dos átomos.

He indicado que lo del infrarrojo viene porque es la zona de longitudes de onda del espectro de radiación electromagnética por la que la Tierra devuelve calor al espacio  – y, si no devuelve todo el que recibe, entonces es cuando se calienta, con el fin de devolver más para restablecer el equilibrio. A diferencia de la energía recibida por la luz solar, que si vemos, la emitida por la Tierra es invisible. Pero sí la sentimos: en forma de calor – o frío, que no es otra cosa que menos calor. De modo que nuestros ojos son sensibles al espectro visible y nuestra piel al espectro infrarrojo, que se encuentra justo debajo del visible.

Estos análisis matemáticos acaban concluyendo inequívocamente que hay moléculas en la atmósfera que resuenan a longitudes de onda del denominado espectro infrarrojo. Las moléculas atmosféricas que resuenan a las frecuencias correspondientes a las longitudes de onda del espectro infrarrojo son precisamente las que tienen tres o más átomos. O sea, en la atmósfera, entre (muchos) otros, el CO₂^[2]. El CO₂ tiene cuatro modos de vibración, y uno de ellos se encuentra en la longitud de onda centrada alrededor de 15 μm (6), que pertenece a la zona (banda) del infrarrojo.

Que resuenen quiere decir que vibran y que, por tanto, re-emiten la energía que les ha llegado en forma de radiación. La re-emiten en todas direcciones, luego también hacia la Tierra. Exactamente esto es el (mal) llamado efecto invernadero.

[Uno puede pensar que, si eso es cierto para todas las moléculas de más de dos átomos, también lo es para el H₂O, o sea el vapor de agua. Lo es, pero hay una diferencia radical con el CO₂: en promedio espacial (todo el mundo) y temporal (por ejemplo un año), a una temperatura promedio dada corresponde una cantidad constante de vapor de agua. Eso es así porque, si hay más de la que cabe, va y llueve, y de esa forma su cantidad se autorregula. Insisto^[3]: a temperatura constante. De modo que contribuye a que la temperatura de la Tierra sea la que es (ahora 15,8 ºC) pero, a pesar de que su concentración sea muy superior a la del CO₂, no contribuye directamente al calentamiento adicional. Lo señalo porque la negacionía también emplea esta falacia, diciendo que un gas tan poco abundante respecto al vapor de agua como el dióxido de carbono no puede tener tanta importancia].

Verificación experimental

Lo que le he contado del CO₂ se sabe a partir de formulaciones matemáticas basadas en leyes de la física, que se traducen en ecuaciones capaces de determinar la intensidad del efecto invernadero.

En ciencia e ingeniería hay muchas cosas que, con la formulación matemática, basta y sobra. Pero cuando se está investigando, no hay otra forma de quedar convencido de que uno no se ha equivocado o de que ha realizado alguna suposición errónea que mirar la realidad: medirla, a ver si lo que se obtiene es lo que las fórmulas anuncian.

Hemos visto que Tyndall verificó en laboratorio el efecto invernadero del CO₂ que había descrito Fourier. Primera prueba realizada con éxito. Pero a efectos del clima de la Tierra estaría bien si pudiéramos observar si, efectivamente, a la longitud de onda a la que la física nos informa de que se bloquea la radiación, es decir, 15 μm, eso ocurre de verdad. Lo mejor será mirarlo desde afuera, a ver si hay alguna diferencia en la energía emitida por la Tierra a las distintas longitudes de onda del espectro infrarrojo.

Medir esto desde fuera es medirlo vía satélite. Si en unas longitudes de onda se mide una cantidad de energía, y en otras se mide menos, será porque hay algún filtro. Y si resulta que esas otras son aquellas cuya formulación matemática, aplicada al CO₂, nos dice que son las que corresponden a este gas, o sea, alrededor de 15 µm, ya no quedará duda de que el CO₂ hace de filtro de salida (y que, por tanto, hay parte de la energía que iba a salir que es devuelta a la Tierra). Para verlo empleamos un conocido gráfico que en esta ocasión escaneo de un libro de Sir John Houghton, de título Global Warming, cuya primera edición corresponde a 1994. Se trata del espectro de emisión de energía infrarroja procedente de la Tierra hacia el espacio, medido sobre el mar Mediterráneo, en ausencia de nubosidad.

¡Y vemos que sí!

Medición por satélite de la radiación calorífica de la Tierra hacia el espacio, en función de las longitudes de onda del infrarrojo. Se observa, entre otras atenuaciones, la que se produce alrededor de los 15 micrómetros, correspondiente al CO2 (Hougthon, 1994)

La figura nos muestra cómo, entre las longitudes de onda de 7 y 21 μm la atmósfera, en ausencia de nubes, es virtualmente transparente. Pero entre 14 y 18 μm, no lo es completamente. Justo alrededor de los 15 μm, la zona del CO₂. (7). Lo mismo ocurre con el ozono troposférico (no confundir con el estratosférico, el del agujero, que ése enfría levemente), en otra longitud de onda, la que le es propia.

Origen del CO₂ atmosférico en exceso: atribución

En climatología, a la detección del origen del exceso en la concentración atmosférica de gases de efecto invernadero se le denominó el problema de la atribución. Hay varias formas de saberlo. Una de ellas es tener en cuenta que toda combustión consume oxígeno. Así que, si además de haber medido un incremento de la concentración de CO₂, detectáramos una disminución equivalente del oxígeno, ya sabríamos que el carbono procede de una combustión.

Mediciones de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, y de la disminución equivalente de oxígeno, lo que no ocurriría de no proceder de la combustión (Charles Keeling, 1976; Ralph Keeling, 1996)

En este punto voy a mostrar un gráfico complementario del que normalmente se muestra como uno de los iconos del cambio climático, a saber, la curva de la evolución de CO₂ en la atmósfera iniciada por Charles Keeling en 1958 (8). Su hijo Ralph midió, a partir de los años 1990, la evolución de la concentración de oxígeno. Existe un video de una hora con una charla de Ralph Keeling (http://www.uctv.tv/search-details.aspx?showID=13460). Su trabajo (9) dio lugar a la figura adjunta.

Ya sabemos que el CO₂ en exceso procede de la combustión. Pero combustión ¿de qué? Analicemos ahora los isótopos del carbono. Un isótopo de un elemento químico es una forma idéntica de este elemento, pero cuyo peso atómico es distinto. Fijémonos en el denominado carbono 14, cuya notación es ¹⁴C. Ocurre que la acción radiativa del sol produce, anualmente, unos 10 kg de ¹⁴C. Este isótopo del carbono tiene una ‘vida media’ de 5.730 años. Es decir que, en este tiempo, la mitad de esta cantidad se habrá convertido en nitrógeno.

Pero dado que los combustibles fósiles llevan enterrados millones de años, resulta que no contienen cantidad alguna de ¹⁴C. De modo que, si en la concentración atmósferica de CO₂ observamos que la proporción de ¹⁴C es menor que si no hubiera habido afloramiento fósil, no quedará duda de que procede de algo muy antiguo. Y difícilmente será otra cosa que los combustibles fósiles (10).

Así resulta ser. La composición de los isótopos de carbono en la atmósfera nos hace la misma función que el ADN de los genes: aunque el sospechoso niegue, el juez le declara culpable.

Finalmente, adjunto un enlace a una conferencia magistral de Richard Alley, de la Penn State University, uno de los mejores climatólogos del mundo. Fue invitado al congreso anual de la American Geophysical Union, el pasado mes de diciembre. El título es: The Biggest Control Knob: Carbon Dioxide in Earth’s Climate History^[4]. Alley muestra cómo, a lo largo de toda la historia geológica de la Tierra, el dióxido de carbono ha sido siempre el mando con el que la naturaleza ha determinado las condiciones climáticas. Está muy bien presentada porque, además del video del personaje, se van sucediendo las diapositivas. Aunque su inglés es difícil, debido a la velocidad con que este hombre se expresa.

http://www.agu.org/meetings/fm09/lectures/lecture_videos/A23A.shtml

Actualización 08/2011. A finales de 2010 apareció en Science un artículo con este título: Atmospheric CO2: Principal Control Knob Governing Earth’s Temperature, de Andrew Lacis et al, de la NASA (doi:10.1126/science.1190653). Es de lectura muy asequible para el iniciado, aunque no es accesible sin suscripción.

Examinar referencias

Actualización 07/2016: Página con referencias ampliadas desde 1827 hasta  junio 2016

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Notas

[*] La sola quema de un galón de gasolina acaba atrapando, mediante el efecto invernadero, cien mil millones de kilocalorías de calor inútil e indeseado. Esto es cuarenta millones de veces más que las 2.500 kilocalorías que supone la quema de un galón de gasolina.

[1] Pero también los óxidos de nitrógeno (NO2), el gas metano (CH4), el ozono troposférico (O3), los CFC y sus sustitutos los HFC, y otros que, aunque en menores cantidades, tienen todos ellos un poder invernadero mucho mayor: en conjunto, suponen entre el 40 y el 50% del efecto invernadero total, correspondiendo el resto al CO2

[2] El calentamiento hace que la cantidad de vapor de agua en la atmósfera aumente, con lo que entonces el calentamiento es superior. Es lo que se conoce por retroalimentación positiva.

[3] John Tyndall, sucesor de Michael Faraday en la Royal Institution de Gran Bretaña, fue un prolífico científico de la atmósfera, el magnetismo y la radiación, sobre lo que escribió 17 libros.

[4] El botón de control principal: Dióxido de carbono y la historia climática de la Tierra