Los gases de efecto invernadero

⇐ Anteriormente, en La Copa de CO2

La Atmósfera

Desde hace unos 542 mda, cuando comenzó el actual eón Fanerozoico, la atmósfera no ha sufrido cambios significativos en su composición. Aunque sí se han dado fluctuaciones a lo largo del actual eón. Estas fluctuaciones no han sido muy extremas en valores, ya que se mantienen entre valores muy cercanos entre sí.

El peso de la atmósfera es de unos 5·1018 kg. Dieciocho ceros después del 5, nada más y nada menos. 5 trillones de kilos. 5 billones de toneladas. Billones europeos, no anglosajones. El equivalente a unos 200 billones de camiones, unos sobre otros. Mil montañas como el Mont Blanc.

Y a pesar de que puede parecer un valor gigantesco, solamente abarca el 1% de la masa total de nuestro planeta. Como en estos post tratamos con gases, es más útil utilizar valores referidos a volúmenes en vez de masas. Así que la siguiente composición atmosférica (sin agua) está expresada en porcentajes de volumen:

Composición de la Atmósfera
Composición de la Atmósfera

Los valores no son fijos ni homogéneos a lo largo de todo tiempo o en el planeta. Son una media. La atmósfera no es una balsa de aceite, está agitada. ¡Y mucho! Está sometida a numerosos procesos que añaden, mezclan y varían las composiciones.

La altitud, los procesos meteorológicos, volcanes o pantanos son algunos de ellos. Aparte de estas influencias, varios de estos gases están incluídos en los llamados “ciclos” donde hay que incluir también complejos procesos biológicos, geológicos y/o atmosféricos que introducen más incertidumbre en los valores mostrados.

Ciclos

El oxígeno y el dióxido de carbono, los principales protagonistas de la vida, forman el importante ciclo del carbono. Otro ciclo importante para la vida bacteriana es el ciclo del nitrógeno. El agua en sus tres estados de agregación forman el ciclo del agua. Existen otros ciclos más, así como complejas interrelaciones entre ellos que producen dificultades en la concreción de valores.

El ciclo del carbono

Importante para la vida pero donde entran en juego también especies y reacciones inorgánicas. La vía más conocida es la fotosíntesis; donde las plantas captan y asimilan el CO2. Los herbívoros consumen las plantas y luego a estos los carnívoros, el ciclo se cierra al emitir ambos CO2 en su respiración.

Pero también hay que tener en cuenta los aportes debidos a las descomposiciones y respiración microbianas, así como el intercambio gaseoso con las masas oceánicas. También existen fijación de CO2 en este ciclo mediante la carbonatación de las rocas, la biomasa y los sedimentos marinos profundos.

Otro ciclo relacionado y aún no estudiado en profundidad es el del CH4. Importante efluente con efecto invernadero que procede mayoritariamente de la biosfera y más concretamente de los ambientes anaerobios.

El ciclo del nitrógeno

Ciclo del Nitrógeno
Ciclo del Nitrógeno

Esencial para la vida bacteriana anaerobia es este ciclo. Algunas especies de las que se compone son el N2, NH4+, NO3, NO2. Resumiendo el proceso; unas bacterias fijan el N2 atmosférico, otras utilizan las especies intermedias y otras emiten N2.

El ciclo del agua

El agua evaporada de mares forman las nubes que precipitan en forma de lluvia, hielo o nieve. Posteriormente en forma líquida vuelve a mares y se reinicia el ciclo.

El agua en el planeta está en tres estados: sólido, líquido y gaseoso; donde cada uno de ellos (y el paso de unos a otros) tienen distinta influencia en el efecto invernadero.

  • Hielo: Junto con la nieve producen un efecto espejo que refleja la radiación que les llega.
  • Vapor: El agua al evaporarse acumula calor, evitando así que escape al espacio.
  • Agua Líquida: Posee un elevado calor específico, lo que requiere una gran cantidad de calor para cambiar de estado.

La interrelación entre los tres estados es muy compleja. Los pasos implican intercambios de energía que son determinados por variaciones naturales: movimientos atmosféricos, presencia de hielo en la atmósfera, lluvias y demás. Esto hace muy variable y difícil saber la verdadera influencia del agua en el calentamiento global.

Como la influencia de cualquier especie química en el calentamiento global se mide mientras está en estado gaseoso, se hace necesario definir un tiempo medio de residencia. Para poner en contexto su implicación.

Gases, enlaces, infrarrojo y calentamiento

Como vimos en el artículo anterior, el calentamiento proviene de la retención de la energía en los enlaces de las moléculas gaseosas atmosféricas. Posteriormente este exceso de energía se emite en forma de radiación infrarroja, la cual calienta el ambiente.

El CO2 sufre este proceso, pero también hay otras moléculas que tienen esta peculiaridad; el CH4, el NOx, los CFC´s y el vapor de agua.

  • CO2: Explicado en detalle en el primer artículo. Se ha concretado un tiempo de residencia de 5 años en la atmósfera y de 20 a 200 años si está disuelto en el mar.

 

  • CH4: El metano es el tercer gas en importancia después del agua y el CO2. Molécula tetraédrica donde las vibraciones de flexión del enlace H-C-H a 7’7 μm absorben en el infrarrojo (IR). En comparación el CH4 absorbe 21 veces más energía que el CO2, pues absorbe un número mayor de fotones. Esto se compensa con una menor cantidad (1774 ppb); así su influencia en el calentamiento atmosférico es menor a la del CO2 (capacidad radiativa de 0’51 W/m2). Se le fija un tiempo de residencia en la atmósfera de 12 años.

 

  • NOx: Aquí referido en concreto al N2O. Molécula lineal activa al IR tanto en la flexión del enlace a los 8’6 μm, como en la tensión a 7’8 μm. Tiene un efecto 206 veces superior al CO2, aunque sucede igual que en el caso del metano. Tiene una concentración de 324 ppb, una capacidad radiativa de 0’18 W/m2 y un tiempo de residencia de 100 años.

 

  • CFC’s: El CCl3F también conocido como CFC-11 o Freón posee seis vibraciones que absorben en el IR. El CFC-11, CFC-12 y HFC-22 tienen una concentración conjunta de 995 ppb y aportan una capacidad radiativa de 0’271 W/m2Completamente artificiales, los CFC’s son muy estables e inertes aunque en capas altas destruyen el ozono permitiendo la incidencia de más radiación.

La contribución de cada gas al efecto invernadero en porcentaje se repartiría: 76% CO2, 13% CH4, 6% N2O, 5% CFC’s. Pero el que más contribuye es el (que parece) más amable; el agua.

  • H2O: Es muy activo en el infrarrojo ya que las rotaciones del dipolo son activas en él. La flexión a 6’2 μm también es activa en el IR.
Espectro de IR Atmosférico
Espectro de IR Atmosférico

Teniendo en consideración el vapor de agua presente en la atmósfera las contribuciones varían significativamente. 30%-70% H2O, 9%-20% CO2, 4%-9% CH4. Los valores oscilan enormemente debido a la cantidad oscilante de H2O atmosférico.

Existen múltiples gases de efecto invernadero que influyen en mayor o menor grado dependiendo de la cantidad presente en la atmósfera. Así el gas que más captura el calor reflejado de la superficie es el vapor de agua, luego estaría el CO2 y el tercero el CH4. Al formar parte estos gases de los ciclos comentados se observa la dificultad de dar un valor sobre cualquier especie implicada en ellos. Las interrelaciones tanto inorgánicas como orgánicas son tan complejas que cualquier concreción (a nivel mundial) es solo una aproximación relativa a lo real.

En el siguiente artículo representaré y desarrollaré los números presentes en este y anteriores artículos.

Puedes consultarlos aquí los tres primeros artículos de La Copa de CO2.

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Cristian Cárdenas Escudero

Licenciado en Química, acercándose a la Física de puntillas. Ahora más ocioso de lo que me gusta. Lector de Ciencia y Ciencia-ficción, ¿hay algo más?. La estrategia siempre por turnos.

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