Evaluación de la Contaminación Ambiental

Tema 3.- Procesos físicos y químicos en la atmósfera

Parte III

→ El balance de radiación de la Tierra y el efecto invernadero

La temperatura de la superficie de la Tierra es una consecuencia del balance de radiación

En la atmósfera de la Tierra, el vapor de agua (0 - 2%), el CO2 y otros gases absorben una

cierta parte de la radiación térmica que emite la superficie de la Tierra y a su vez emiten

radiación hacia la Tierra y el espacio

Estos gases capaces de absorber la radiación de onda larga procedente de la superficie del

suelo, calentando la atmósfera - efecto de manta conocido como efecto invernadero natural -

son conocidos con el nombre de gases de efecto invernadero (GEI)

Sin los GEI la temperatura media de la tierra ≈ -20 ºC

Las emisiones antropogénicas de GEI incrementan este efecto natural y necesario y producen

un calentamiento adicional de la Tierra

Es el efecto invernadero adicional causado por los humanos lo que es peligroso

Debido a cambios en la composición de la atmósfera, la cantidad de radiación que alcanza la

Tierra varía

Esta radiación calienta la superficie que, a su vez, envía una parte de nuevo al espacio

Recordemos que la radiación que emite el sol es visible y UV principalmente, mientras que la

Tierra emite radiación infrarroja o radiación de onda larga 2

¿Qué ocurre cuando la radiación atraviesa la atmósfera?

Radiación solar (amarillo) ; Infrarroja terrestre (rojo)

3

Términos del balance de radiación:

1) La radiación solar es la fuente de energía que recibe la Tierra desde el espacio2) Parte de la radiación alcanza la superficie de la Tierra y es absorbida por sus distintos

componentes: océanos, bosques, suelos y agua3) La superficie de la Tierra devuelve directamente una parte (reflexión) de la radiación

solar que le llega - Las superficies muy brillantes, como el hielo y la nieve, son particularmente reflectantes

4) La parte superior de las nubes ó los aerosoles que hay en la atmósfera reflejan parte de la radiación solar incidente

5) También el resto de componentes del aire absorben radiaciónLa parte de radiación que alcanza la superficie de la Tierra la calienta y la Tierra la devuelve en forma de radiación infrarroja

4

Veamos ahora qué ocurre con esta radiación infrarroja (IR)

6) La superficie de la Tierra calentada por el Sol es, a su vez, una fuente de radiación (IR-

onda larga)

7) Una parte de esta energía se utiliza para la evaporación del agua

8) Otra parte es devuelta directamente al espacio

9) Las nubes absorben y reemiten radiación IR hacia la Tierra (un día nublado mantiene la

Tierra más caliente)

10) Finalmente hay partículas y gases en el aire - (GEI) - que absorben radiación IR y

mantienen la capa de la atmósfera cercana al suelo caliente

El balance de radiación de la Tierra y el efecto invernadero

De cada 100 unidades de energía que llegan a la parte superior de la atmósfera, 51 son absorbidas por la tierra, 19 por la atmósfera y 30 reflejadas nuevamente al espacio

Las 70 unidades que absorbe el sistema Tierra-atmósfera (51 + 19 unidades) son irradiadas nuevamente al espacio como radiación de onda larga

5

51 =

= 19

La absorción de los gases de efecto invernadero

Los GEI no absorben todas las y una pequeña parte de

energía se emite directamente como radiación de onda

larga desde la superficie de la Tierra al espacio

Hay algunos huecos en el espectro de absorción

superpuesto del agua (absorbe ≈ 60%), CO2, CH4, N2O, O3

y otros GEI

Los huecos más importantes en la absorción del agua y el

CO2 son lo que se llama la ventana atmosférica

6

El vapor de agua es el GEI más importante seguido del CO2 y el CH4

Las concentraciones de CO2 y CH4 son mucho menores que la del agua, pero cierran

parcialmente la pequeña ventana atmosférica por donde una parte de la radiación puede

abandonar la atmósfera, absorbiendo esta radiación

Concentraciones de CO2, CH4 y N2O en la atmósfera

durante los últimos 10.000 años (gráficas grandes) y

desde 1750 (gráficas interiores)

Las medidas proceden de núcleos de hielo (símbolos de

diferente color para cada estudio) y de muestras de la

atmósfera (líneas en rojo)

Referencia: IPCC 2007

Cada GEI tiene diferente capacidad para absorber el calor en la atmósfera

Se utiliza el concepto de “Potencial de Calentamiento Global” - GWP (global warming

potential) - de un GEI para comparar su capacidad para atrapar el calor en la atmósfera

relativa a otro gas de referencia (CO2)

La definición de GWP para un GEI en particular es la relación entre el calor absorbido por la

unidad de masa del GEI y la de la unidad de masa de CO2 en un tiempo determinado que

suele ser 100 años

8

2

Calor absorbido 1 kg GEI=

Calor absorbido 1 kgG P

COW

Principales GEI

9

Rice paddies = arrozales; Waste dumps = vertederos; Livestock = ganaderia; Foams = espumas

* GWP para un horizonte de 100 años; ** Incluye efectos indirectos de la producción de ozono troposférico y vapor de

agua estratosférico; *** No se puede definir tiempo de vida para el CO2 por las diferentes velocidades de eliminación

de diferentes procesos sumideros; **** Potencial de calentamiento global neto (incluyendo el efecto indirecto debido

a la destrucción del ozono)

Referencia: informe IPCC 2001

Forzamiento Radiativo

Se denomina forzamiento radiativo (FR) a la perturbación del balance radiativo de la

atmósfera terrestre entre la radiación solar incidente y la radiación infrarroja saliente, que

se traduce en un cambio en la irradiancia neta en la tropopausa (a unos 12 km sobre el

nivel del mar) como resultado de cambios internos en la composición de la atmósfera (ej.,

cambios en la concentración de un GEI) ó cambios en el aporte externo de radiación

emitida por el sol y es expresado en W m-2

Un FR positivo contribuye a calentar la superficie de la Tierra, mientras que uno negativo

favorece su enfriamiento

10

FR positivo → Efecto de calentamiento

El más importante (el que más contribuye al

calentamiento del planeta) es el del CO2 (+1.66

W m-2), seguido por el del CH4 (+0.5 W m-2)

relativo a la era pre-industrial

Con una contribución menor, pero también

favorable al calentamiento, están el N2O, los

halocarbonos, el O3 trop, el vapor de agua estrat,

el albedo de la superficie ("albedo“ % de radiación

reflejada) y la irradiancia solar

FR negativo → Efecto de enfriamiento

Nubes, aerosoles, O3 estrat., albedo superficie

IPCC estos elementos no compensan el

calentamiento que producen los otros11

CH4

Halocarbonos

Ozono

Agua estratosférica

Irradiancia solarAlbedo superficie

CO2

Albedo superficie

Ozono estratosf.

Aerosoles (Directo)

Albedo Nubes

0.50

N2O

Forzamientos radiativos (FR) en 2005 relativos al

comienzo de la era industrial (~ 1750)

El único incremento significativo del FR

debido a causas naturales en (1750- 2005) se debe a la irradiancia solar

Importantenivel de incertidumbre

de las valoracines (NCCE)

FR + → calentamiento del clima → + importantes CO2 (+1.66 W m-2) y CH4 (+0.5 W m-2)

Después el N2O, los halocarbonos, el O3 trop, el vapor de agua estrat, el albedo de la superficie ("albedo“ %

de radiación reflejada) y la irradiancia solar

FR - → Efecto de enfriamiento - Nubes, aerosoles, O3 estrat., albedo superficie (usos del suelo)

Efecto del aumento de la concentracion de aerosoles

Los aerosoles pueden influir sobre el clima de varias maneras:

- Efecto directo: pueden absorber radiación en forma directa

- Efecto indirecto: pueden aumentar la dispersión de la radiación solar incidente

(haciendo crecer la proporción de la radiación solar que nos llega que se dispersa

hacia el espacio exterior)

El impacto de los aerosoles sobre el clima es aún bastante incierto, pero en general un

aumento de su concentración en la atmósfera corresponde a un forzamiento radiativo

negativo, es decir, tiende a disminuir la temperatura del planeta a nivel de superficie, como

resultado de un aumento de la dispersión de la radiación solar

Hay tanta incertidumbre en las dimensiones de los factores de enfriamiento que en el caso

más extremo podríamos asumir que en el cambio global pesan más sus efectos que los de

calentamiento

13

Uno de los aerosoles cuyo efecto sobre el clima ha sido estudiado con cierto detalle son los

sulfatos, que se forman a partir de emisiones de dióxido de azufre (SO2) con un forzamiento

radiativo negativo del orden de -0.3 W m-2 comparable al forzamiento radiativo de signo

opuesto del ozono troposférico

Existen otros aerosoles que tienen un impacto opuesto al de los gases de efecto invernadero,

aunque de una intensidad menor que los sulfatos: los que provienen de la quema de

biomasa (incendio de bosques y quema de leña)

Aunque existe un bajo nivel de conocimiento acerca de los efectos indirectos de los aerosoles

se estima que el aumento de su concentración en la atmósfera representa un forzamiento

radiativo negativo de una magnitud que puede ser comparable, pero de signo opuesto, al

producido por el aumento del CO2 y del CH4

14

El efecto radiativo de los aerosoles no es fácil de medir, especialm sobre los continentes

Heterogeneidad regional de la concentración de aerosoles es muy grande, al igual que su

variabilidad → difícil determinar una media global

Estudio reciente con datos de satélite (océano, días claros) entre –3.8 y –6.0 W m-2 con un

forzamiento directo atribuible a los aerosoles antrópicos ≈ –1.4 W m-2 (Kaufman, 2005) con valores

diferentes según el hemisferio ≈ -2.3 y -0.8 W m-2 en el HN y HS (Christopher, 2006)

Debido al efecto de aumento de nubosidad que provocan los aerosoles, la radiación solar

recibida en superficie puede disminuir ≈ 5 W m-2 >> el incremento radiativo debido al aumento

de GEI (2.4 W m-2) (Breon, 2006)

Otros estudios indican un FR global directo de –1.6 W m-2 e indirecto (por el aumento de

nubosidad) de –1.4 W m-2 (Matsui, 2006)

IPCC 2007 Efecto directo ≈ -0.5 W m-2

Efecto indirecto ≈ -0.7 W m-2

15

Los efectos enfriadores de los aerosoles vienen limitados por el tiempo que pueden

permanecer en la atmósfera

La vida media de los compuestos de azufre es de aproximadamente una semana, mientras

que los principales GEI pueden permanecer décadas

Por lo tanto, las medidas de control para reducir las emisiones de los compuestos se azufre

se plasmarían en una rápida reducción de las concentraciones de aerosoles, mientras que la

reducción, por ejemplo, de emisiones de CO2 sólo produciría cambios lentos en sus

concentraciones atmosféricas

Los volcanes, son una fuente natural, aunque aleatoria, de aerosoles

La erupción del volcán Pinatubo en Filipinas en 1991, causó un importante enfriamiento de la

Tierra, pero este efecto se vio anulado en 1993 y 1994 a medida que los aerosoles cayeron

de la atmósfera

16

17

a) el promedio mundial de la temperatura en superficie

b) el promedio mundial del nivel del mar según datos mareográficos (azul) y de satelites (rojo)

c) la cubierta de nieve del HN en el período marzo-abril

Las diferencias han sido obtenidas respecto de los promedios correspondientes al período 1961-1990

Las curvas contínuas representan promedios decenales, mientras que los círculos denotan valores anuales

Las áreas sombreadas representan los intervalos de incertidumbre

Cambios observados: Temperatura, nivel del mar y cubierta de nieve Hemisferio Norte

Cambio en las precipitaciones medias anuales:

periodos 1976 - 2003 menos 1948 - 1975 (mm/día)

Azul/verde (rojo/amarillo) un descenso (aumento) de la cantidad anual de lluvia monzónica

Las áreas grises indican falta de valores (océanos) o áreas sin cambios anuales significativos

Cambios observados

Cambios en la Temperatura

T = (0.6 ± 0.2) °C durante el siglo XX como promedio global a nivel de superficie aunque el

aumento no ha sido regular

Crecimiento entre principios del siglo y 1940

Leve descenso entre 1940 - 1970 (II guerra mundial y postguerra)

Décadas de 1980 y 1990 la temperatura volvió a subir con una tasa similar a la registrada a

principios de siglo

19Referencia: informe IPCC

Cambio Climático: Temperatura

20

FAQ 3.1, Figure 1

Referencia: informe IPCC 2007

Cambio Climático: Subida del nivel del mar

El actual período interglaciar comenzó hace unos 14000 años cuando el nivel del agua era de

unos 75 a 100 m menor al nivel actual

El nivel del mar aumentó rápidamente (más de 1 m por siglo) a medida que se derritieron

grandes cantidades de hielo y nieve

Actualmente la tasa de aumento del nivel del mar se estima en 15-17 cm/siglo y parece

aumentar a medida que aumenta la tasa de calentamiento global (IPCC) aunque hay muchas

incertidumbres

Un incremento acelerado en el nivel del mar inundaría a las tierras altas y bajas de la costa

afectando a sus edificaciones, aumentaría la tasa de erosión de la línea costera y aumentaría

la salinidad de los ríos y acuíferos

21

Cambio Climático: Subida del nivel del mar

Frente a un calentamiento global, hay dos factores que contribuirán

al aumento del nivel del mar

Primero: si la T global aumenta, los océanos absorberán ese calor y

se dilatarán (expans térm) → aumento del nivel del mar

Segundo: el T hará que se derritan el hielo y los campos helados →

aumentará la cantidad de agua de los océanos

Atención → El derretimiento de hielo flotante no produce aumento

del nivel del mar, solo el derretimiento de hielo y nieve sobre la

superficie terrestre aumentará el nivel del mar

22

GRACE: estudio del campo gravitatorio terrestre utilizando medidas de satélites (NASA, 2002) → obtención del más detallado modelo gravitatorio calculado hasta ahora

La determinación del geoide terrestre permitirá la unificación mundial de los sistemas de altura,de modo que se pueda comparar los cambios del nivel del mar en el Mediterráneo y en el mar del Norte

Geoide terrestre

Cambio Climático: Subida del nivel del marComplejidad del análisis: existen otros factores que hacen complejo el cálculo de una

tendencia media global (aparte del deshielo y de la expansión térmica del agua por

calentamiento)

Ej.: la reacción isostática de ajuste que comenzó tras la fusión de los últimos grandes mantos

glaciares determina en muchas partes que el mar esté subiendo ó bajando

Medidas costas del Báltico en su parte norte el mar está bajando más de 5 mm/año

La costa sueca del Báltico asciende para recuperarse, como por rebote, del hundimiento que

le producía la masa de hielo glacial que tuvo anteriormente encima

23

Cambio Climático: Subida del nivel del mar

Noticias Cambio climático: un enorme iceberg se ha

desgajado de la plataforma de Wilkins junto a la Península

de la Antártida

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Final del invierno

Final del verano

La plataforma de Wilkins ha sufrido un calentamiento, por razones de la circulación de vientos y corrientes

El conjunto de la Antártida no se ha calentado y el hielo marino ha seguido las pautas estacionales típicas (Reconocido en el informe IPCC 2007)

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Cambio Climático: precipitaciones

Las precipitaciones han aumentado en latitudes altas del HN, especialmente durante la estación fría

Se ha producido un descenso de las mismas a partir de 1960 en las zonas tropicales y subtropicales desde África a Indonesia

El promedio de precipitación sobre la superficie de la tierra aumentó desde principios de siglo hasta 1960 aproximadamente y ha disminuido a partir de 1980

Hay una gran falta de datos de precipitación sobre los océanos

Para cuando podamos conocer mas detalladamente los riesgos que comporta el calentamiento por efecto invernadero, es posible que hayan empezado a producirse complejos procesos de retroacción (feedback) ante los que estaremos inermes

El debate sobre todo consiste en evaluar estos riesgos y las consecuencias de no emprender ninguna acción

Interrelación de estos fenómenos y conclusiones

En síntesis, la contaminación atmosférica, ya sea natural o inducida por la acción antropogénica, presenta sustancias que inciden en la destrucción de la capa de ozono, en las variaciones climáticas producidas por el efecto invernadero , en la acidificación de las precipitaciones y en la generación del smog

Se pueden establecer las siguientes interrelaciones:

1.Los óxidos de nitrógeno que mediante reacciones fotoquímicas generan el smog, también son gases causantes del efecto invernadero y contribuyen a la destrucción del ozono, además de ser causantes de la "lluvia ácida"

2.Los óxidos de azufre inciden en la destrucción del ozono, son GEI, también son causantes de la "lluvia ácida" y aunque no son productores directos del smog sí han contribuido a agravar sus efectos

3.Los compuestos clorofluorocarbonados (CFC) destruyen el ozono y son GEI26

4. El CO2 no es parte integrante del smog, ni destruye la capa de ozono pero el aumento en su

concentración es determinante en el efecto invernadero

Su ciclo normal y benéfico está asociado con la presencia de suficiente vegetación sobre la tierra, capaz de lograr su fijación por medio de la fotosíntesis

No obstante, la destrucción del escudo de ozono y el smog afectan a la vegetación y pueden traer como consecuencia el aumento del CO2 y del efecto invernadero

5. El ozono en la estratosfera (14 a 50 km de altura) protege a la tierra de los rayos UV del sol, pero en la troposfera (menos de 14 km) es un GEI que forma el smog y contribuye al calentamiento global

La formación del smog, el efecto invernadero, la destrucción de la capa de ozono y aún otros fenómenos causados por la contaminación atmosférica como la lluvia ácida tienen estrechas interrelaciones y por tanto la prevención y control de sus efectos debe considerar en forma integral todo el conjunto de fenómenos, sobre cuya magnitud y comportamiento futuro aunque no hay unanimidad en el mundo científico, sí se reconocen sus consecuencias que pueden llegar a ser desastrosas para la humanidad

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