El calor que llega a la superficie terrestre tiene dos componentes: la radiación solar y el que proviene del centro del planeta. Las principales características de la primera, en lo que a transmisión de energía se refiere, son su frecuencia ν (nú) o su longitud de onda λ (lambda); ambas se relacionan por la expresión λ = c/ν, donde c es la velocidad de la luz. La energía que transmite la radiación aumenta con la frecuencia; las componentes de menor ν y mayor λ ‒ rojo, infrarrojo ‒ provocan sensación de calor en la piel y calientan el medio ambiente, mientras que las de mayor ν y menor λ (visible y ultravioleta) son capaces de realizar trabajo químico y eléctrico; el primero mediante la fotosíntesis y el segundo a partir de los paneles solares (efecto fotovoltaico).
Por otra parte, el centro del planeta se encuentra a la temperatura de 6700 ºC, superior incluso a la superficie del sol. Esta temperatura es suficiente para fundir las rocas del manto, a veces hasta muy cerca de la superficie (magma y volcanes). También da lugar a géiseres, fuentes termales y fumarolas. A causa de la gran diferencia de temperaturas, el calor fluye lenta y continuamente hacia la superficie por diversos medios (conducción, convección, volcanes, aguas termales) y contribuye a su calentamiento, aunque en mucha menor medida que la radiación solar. Por otra parte, la temperatura del planeta no es, ni mucho menos, uniforme; las variaciones van desde – 80 ºC en el polo sur hasta 40 ºC o más en los desiertos. El promedio global es de unos 18 ºC.
El efecto invernadero
Una fracción de la radiación solar que incide sobre el planeta es reflejada, otra se absorbe en la atmósfera ‒ en su mayor parte por el vapor de agua y el CO2 allí presentes ‒ y el resto llega a la superficie. Por otra parte, la Tierra también emite calor por radiación, aunque en mucha menor medida que la que recibe del sol, y tiende a enfriarse a medida que expulsa calor al espacio en la región no visible de baja energía (infrarrojo lejano). Una parte de esta última radiación la reabsorben el vapor de agua y el CO2 en la atmósfera, de manera que el calor que transporta se queda en el planeta y no puede escapar al espacio.
La temperatura de la superficie de nuestro planeta depende del equilibrio entre todos estos factores, que se puede alterar por diversas causas. Una de ellas es el aumento de la concentración de CO2, que incrementa la absorción de radiación que de otra forma escaparía al espacio. La radiación que no puede escapar desplaza el equilibrio en la superficie hacia un mayor calentamiento y a un incremento de la temperatura global. Esto es precisamente lo que se conoce como efecto invernadero. El nombre proviene de los invernaderos convencionales: recintos cerrados con techo transparente, usados en los países fríos para proteger las siembras. El vidrio o plástico dejan entrar la radiación solar, pero retienen el calor y la humedad al impedir el movimiento del aire, y reflejan la radiación infrarroja de vuelta al suelo.
Este efecto a nivel global se conoce desde el siglo xix. En 1824 el matemático y físico francés Joseph Fourier (muy conocido por todos los que estudian ciencias o ingeniería a causa de los desarrollos en series de Fourier), publicó en un artículo que la Tierra se mantenía templada porque la atmósfera retenía el calor como si estuviera bajo un cristal.
Años después, en 1859 el físico irlandés John Tyndall (célebre por su estudio de la dispersión de la luz por los coloides, tanto en líquidos como en gases) descubrió que el CO2, el metano y el vapor de agua bloquean la radiación infrarroja.
En 1896 el químico y físico Svante August Arrhenius (quien determinó la dependencia de los equilibrios químicos con la temperatura) calculó que duplicar el contenido de CO2 en la atmósfera aumentaría la temperatura promedio del planeta en 5 o 6 ºC.
Intercambios energéticos
Como la radiación que emiten los cuerpos depende de la temperatura a la cual se encuentran (λ ~ 1/T, ley de Wien; energía ~ T4, ley de Stefan-Boltzmann), la radiación que proviene del sol y la emitida por la tierra poseen características muy diferentes, representadas en la parte superior del gráfico de la figura siguiente.
La emitida por el planeta tiene longitudes de onda mucho más largas que la recibida desde el sol (infrarrojo, visible y ultravioleta). En la figura también aparece la distribución de energía normalizada (I/IMÁXIMA) para todo el ‘espectro’ ‒ es decir, para todas las longitudes de onda radiadas por el sol y por nuestro planeta. A la izquierda del espectro visible la radiación es ultravioleta, de mayor energía; a la derecha infrarroja, de menor energía. Solo una fracción de la energía solar se recibe en la región visible de 400-700 nanómetros; el resto es en su mayor parte pertenece al infrarrojo cercano.
En la parte inferior de la figura aparecen los espectros de absorción del agua y del CO2 en función de las mismas λ. En particular, la Tierra solo emite radiación en el intervalo infrarrojo de gran λ (infrarrojo lejano), que se corresponde con la temperatura media de la superficie del planeta. Tanto el vapor de agua como el CO2 poseen casi 100 % de absorción muy cerca del máximo de emisión de la radiación terrestre, a una longitud de onda entre 15 y 20 micrómetros (15 000-20 000 nanómetros). Es por eso que al aumentar la concentración de CO2 en la atmósfera también aumenta el calor; la radiación infrarroja no puede escapar del planeta y contribuye a incrementar la temperatura de la superficie. El vapor de agua en la atmósfera también hace su parte, pero ese siempre ha estado ahí y forma parte del estado natural del planeta.
Características del CO2 y otros gases
El CO2 siempre ha formado parte de la respiración del planeta y ha tenido altibajos. Sin embargo, a partir de mediados del siglo XIX el contenido de CO2 atmosférico ha ido aumentando por encima los valores históricos de manera sostenida, alrededor de 0,4 % cada año. Este aumento se atribuye, en lo esencial, al empleo de los combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón), grandes generadores de CO2, así como a la destrucción de los bosques tropicales, pues al existir menos plantas que almacenen el CO2 éste permanece en la atmósfera.
La variación del contenido de CO2 atmosférico en los últimos 400 mil años se analizó en otro texto. La figura muestra el incremento a partir del año 2000 en adelante, en ppm ‒ partes por millón ‒ (1 ppm equivale a 0,0001%). Aunque el incremento más reciente comenzó de manera similar a como ha ocurrido otras veces antes que surgiera la actividad industrial, en la actualidad el nivel de CO2 atmosférico es el doble o más del ocasionado por las variaciones naturales ocurridas antes. A la derecha se muestra un gráfico que muestra que los mayores contaminantes a partir de la revolución industrial han sido, de manera sostenida, el carbón y el petróleo.
El metano (CH4) es también un gas de invernadero, con una potencialidad 23 veces mayor que el CO2 de absorber radiación infrarroja, pero su proporción en la atmósfera es mucho menor, así como su contribución al efecto invernadero. Los mayores productores de metano son los humedales (terrenos inundados de forma permanente o semipermanente: ciénagas, esteros, marismas, pantanos, turberas, y arrozales). También los gases provenientes de la digestión de la ganadería bovina y algunos residuos de la producción de energía a partir del petróleo. La generación de metano se ha incrementado desde 1960, pero su índice de crecimiento se ha ido reduciendo con lentitud.
En el efecto invernadero también influyen el óxido nitroso (N2O) y los clorofluorocarbonos (CFC), aunque en mucha menor proporción. Aunque se sabe que todos estos gases incrementan la temperatura del planeta, existe controversia acerca de en qué medida la incrementan, pues el aumento de temperatura no es proporcional a su concentración en la atmósfera. Hasta el momento no hay definiciones claras al respecto.
Algunas estadísticas
Según la comisión de Inventarios de Gases de Invernadero del Panel Intergubernamental del Cambio Climático de las Naciones Unidas, en 2019 la quema de petróleo, gas y carbón sumaba 84,3 % de la energía total consumida en el planeta. La suma de todas las energías no generadoras de gases de invernadero, renovables o no, era de 15,7 %.
La biomasa o energía verde (biogás, leña, arbustos, residuos orgánicos de cosechas, carbón vegetal) también contribuye a la formación de CO2, pero al provenir de plantas o animales forman parte del ciclo del carbono. Cuando el ciclo de vida se reproduce las plantas absorben de la atmósfera una cantidad equivalente de CO2 y el equilibrio no se altera. A partir de 1997 se han establecido acuerdos entre los países miembros del Panel Intergubernamental para reducir las emisiones de carbono y controlar el incremento de la temperatura global, pero hasta el momento ninguna de las metas establecidas se ha cumplimentado.
Bibliografía
– Efecto invernadero: causas y consecuencias en el clima, https://climate.selectra.com/es/que-es/efecto-invernadero
-Efecto invernadero, https://ciifen.org/efecto-invernadero/ y https://concepto.de/efecto-invernadero/
-Climate change widespread, rapid and intensifying-IPCC. The Intergovernmental Panel on Climate Change, https://www.ipcc.ch/2021/08/09/ar6-wg1-20210809-pr/
-IPCC-guia-resumida-gt1-bases-fisicas-ar6_tcm30-533081.pdf, https://www.miteco.gob.es/content/dam/miteco/es/ceneam/recursos/mini-portales-tematicos/ipcc-guia-resumida-gt1-bases-fisicas-ar6_tcm30-533081.pdf
-Ritchie H. and Roser M., «Our World in Data». Electricity Mix, https://ourworldindata.org/electricity-mix
-Tollefson J., IPCC climate report: Earth is warmer than it’s been in 125,000 years. Nature 596, 171-172 (2021). https://www.nature.com/articles/d41586-021-02179-1
-Volcanología. Instituto Geográfico Nacional, Madrid, España. https://www.ign.es/web/vlc-teoria-general
-Una nota sobre radiación, http://www.cubasolar.cu/wp-content/uploads/2025/02/UNA-NOTA-SOBRE-RADIACION.pdf
-Wikipedia. Ciclo del carbono, https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_del_carbono
-Wikipedia. Biogás, https://es.wikipedia.org/wiki/Biogás