Este documento presenta información sobre el efecto de invernadero y los gases de efecto invernadero. Brevemente describe que la luz del sol incide en la atmósfera terrestre y es absorbida en parte por gases como el vapor de agua y el CO2, lo que causa el calentamiento de la superficie terrestre. También menciona que sin este efecto, la temperatura promedio en la Tierra sería unos 32°C más baja.

1. ÍNDICE
1.- Introducción
2.- Naturaleza de la luz
3.- La absorción de la energía de la luz por los gases
4.- El efecto de invernadero
5.- Los GEI*: origen y evolución
* GEI: Gases de efecto de invernadero
www.universidadpopularc3c.es
Tres Cantos,
19-04-2016
Seminario sobre el Cambio Climático
Jornada 1. El efecto de invernadero

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19-4-2016
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Introducción

3. Este Seminario se ha preparado para un público
general, y por ese motivo nos hemos esforzado porque
las explicaciones no excedan el nivel del bachillerato.
No obstante, se recomienda que los asistentes
complementen la documentación que les entregamos
con una bibliografía un poco más avanzada.
Documentación general
- Un texto de física que incluya secciones sobre Calor
y Electromagnetismo
- Un texto de estadística general
Documentación específica
- Un texto de divulgación sobre climatología
- Se recomienda especialmente: “La Tierra herida”, de
M. Delibes
- Se recomienda: www.realclimate.com
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Bibliografía
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La Ciencia se encarga de
descubrir las causas de esos
fenómenos
Climáticos
Biosfera
Geofísicos
Geoquímicos
Efectos
Observados
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Introducción
La Ciencia establece
leyes fundamentales
de la Naturaleza
La Ciencia hace
predicciones
Se realizan
experimentos/ob-
servaciones para
contrastar las
predicciones
Resultados
compatibles
Modificar hipótesis
NO

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Un enigma conocido desde la antigüedad: El enfriamiento
extraordinario que sufre la Tierra por la noche, en los
desiertos y otros lugares en los que hay muy poca
humedad en el aire.
En un punto del
Sahara se han
registrado en un
mismo día tempera-
turas entre – 0,5 ºC
y + 37,5 ºC
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Introducción

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En 1824 Jean Baptiste Joseph Fourier
publica un estudio titulado
"Observaciones generales sobre la
temperatura del globo terrestre y los
espacios planetarios“.
Describía una invisible cúpula de gas
que rodea la Tierra y ayuda a mantenerla
caldeada conservando el calor recibido
del Sol, evitándose así el enfriamiento
nocturno exagerado.
Pero, ¿qué pasa en los desiertos para que se
produzca ese enfriamiento tan grande? Volver a Índice
Introducción

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En 1862, el científico irlandés John
Tyndall (fue uno de los científicos
experimentales más importantes de su
época) describió de forma intuitiva la
clave de lo que, andando el tiempo, se
llamaría “efecto de invernadero”.
Había descubierto en su laboratorio que
ciertos gases, entre ellos el vapor de
agua y el CO2, eran opacos a lo que
entonces se llamaba “rayos caloríficos”.
Relacionó, de forma cualitativa, el freno al
enfriamiento de la atmósfera con la presencia de
estos gases, que interfieren con la radiación que
escapa de la Tierra y atraviesa la atmósfera. Volver a Índice
Introducción

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Por analogía, este freno al enfriamiento
nocturno se llama “efecto de
invernadero”, puesto que produce un
efecto similar al del vidrio de los
invernaderos.
Ahora queda más claro lo que
sucede en los desiertos: el
“efecto de invernadero” está
atenuado.
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Introducción
El efecto de invernadero tendría
que afectar a toda la Tierra

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Hacia mil ochocientos noventa y
tantos, Svante Arrhenius intervino en
una de las controversias de la época
acerca de las causas de la eras
glaciales
En su época ya se conocía de forma
cualitativa la absorción de energía
radiante por algunos gases, y pensó
que las glaciaciones se podrían haber
producido por una reducción
temporal de ese efecto.
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Introducción

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Energía Transmitida:
70-75 %
Viaje de la radiación
desde las capas altas
de la atmósfera hasta
el suelo
Viaje de la radiación
desde el suelo hasta
las capas altas de la
atmósfera
Energía Transmitida:
15-30 %
Energía Absorbida:
25-30 %
Energía Absorbida:
70-85 %
Al llegar al suelo, la
energía se transforma:
calienta el suelo, y éste
emite en onda larga
(infrarrojo)
Luz del Sol. “Cuerpo ne-
gro” radiando a 6500 ºC
Longitud de
onda:0,2-3,5 μm
Longitud de
onda:4-70 μm
(Infrarrojo)
Atmósfera
Efecto de Invernadero
(Explicación Esquemática)
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Publicó estos resultados en 1896, y una
de las conclusiones principales era:
Si se redujera a la mitad la cantidad de
CO2 presente en la atmósfera, la
temperatura media de la Tierra se
reduciría entre 4 y 5 ºC.
Este resultado parecía apoyar el origen
de las glaciaciones, de acuerdo con el
conocimiento que se tenía en esa época
sobre éstas.
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Introducción

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Pero también se puede derivar una
consecuencia lógica de los resultados
de Arrhenius:
Si se multiplicara por 2 la cantidad de
CO2 en la atmósfera, la temperatura
media de la Tierra subiría entre 5 y 6 ºC.
Introducción

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En 1900, Knut Ångström puso a prueba los
resultados de Arrhenius, y realizó un
experimento de medición de la variación de la
cantidad de energía radiante absorbida por el
CO2 con la variación de la cantidad de este gas
Esto significaba que no se podría producir
ningún aumento de temperatura al aumentar el
CO2 en la atmósfera
Estos experimentos se realizaron en
laboratorios situados en capas bajas de la
atmósfera, y los resultados mostraban que el
CO2 presente en la atmósfera estaba
“saturado” para la radiación.
Introducción

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Este resultado supuso un grave descrédito
para Arrhenius. Éste abandonó sus
investigaciones sobre el origen de las
glaciaciones, y ningún otro científico
importante se dedicó durante varias décadas a
investigar en este campo.
Se puede decir que había una confianza
generalizada en que el CO2 emitido por los
seres humanos no podría nunca llegar a
afectar a algo tan inmensamente grande como
la atmósfera y el clima de la Tierra.
En aquella época no había un “punto de vista
oficial" sobre un hipotético calentamiento
excesivo de la Tierra por la presencia de gases
de efecto invernadero.
Introducción
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El conocimiento que se ha ido
adquiriendo sobre el “efecto de
invernadero” nos permite ahora afirmar
que es imprescindible para el
sostenimiento de la vida en la Tierra.
Sin el “efecto de invernadero”, la
temperatura media en la Tierra
sería unos 32 ºC inferior a la
actual, es decir, unos – 17 ºC.
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Introducción

16. Volver a Índice
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Representación gráfica de las causas
principales de las glaciaciones, según las
teoría de Milutin Milankovitch, publicadas en
1914
Introducción

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Newton publicó en
1672 los resultados
de un el experimento
de dispersión de la
luz “blanca” del Sol
por un prisma.
Concluyó que la luz
del Sol está
compuesta por la
mezcla de luces de
distintos colores
Luz del Sol
incidente
Dispersión de la luz por un prisma:
(experimento de Newton) Volver a Índice
Naturaleza de la Luz

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19-4-2016Naturaleza de la Luz
En la actualidad se considera que la luz tiene una naturaleza
doble:
- Es una onda electromagnética
- Es una emisión de partículas subatómicas llamadas fotones
En ambos casos, el parámetro fundamental de la luz es su
energía, que se expresa mediante la fórmula de Planck:
E = h.v
h = Constante de Plank
v = frecuencia de la luz
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Espectro electromagnético completo
Naturaleza de la Luz

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Espectro
electromagnético
completo
La luz visible constituye una
parte muy pequeña del espectro
total.
(Observar la escala logarítmica)
1000nm=
Naturaleza de la Luz

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A lo largo del Seminario, cuando hablemos de la luz, lo
haremos de forma indistinta como onda
electromagnética y como emisión de fotones.
Al hablar de una cualquiera de las líneas del
espectro, podemos referirnos indistintamente a
su longitud de onda, a su frecuencia o a su color,
pero en todo caso hablamos de su energía
Naturaleza de la Luz

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Espectros de emisión y de absorción
Naturaleza de la Luz

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Las rayas de los espectros de emisión y absorción son el
resultado de la interacción de la luz en el nivel atómico
de la materia:
Captura de la energía por un electrón de un átomo y salto
a un nivel de energía diferente.
Pero la luz también interacciona en el nivel molecular de
la materia:
(Captura de la energía por uno o varios átomos
completos y modificación de su estado vibratorio).
La captura se realiza solo a la energía correspondiente a
unas frecuencias perfectamente definidas, y no a otras.
Absorción de la energía de la luz por
los gases

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19-4-2016Absorción de la energía de la luz por
los gases
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La radiación incide sobre una molécula del gas, y es
absorbida, originando un desplazamiento vibratorio de
los átomos constituyentes.
La energía absorbida se transforma en un aumento de la
temperatura del gas, que emite una radiación con la
misma frecuencia que la radiación incidente.
Absorción y emisión de radiación
infrarroja (ejemplo para el H2O)

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19-4-2016Absorción de la energía de la luz por
los gases
Volver a Índice
Bandas de absor-
ción de los gases
atmosféricos

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Vamos a explicar el efecto de invernadero de forma
un poco más rigurosa que la que hemos aplicado en
la página 9 de la Introducción.
No obstante, se recomienda leer el artículo siguiente,
escrito por Raymond T. Pierrehumbert, (Louis Block
Professor in Geophysical Sciences, Universidad de Chicago)
https://geosci.uchicago.edu
/~rtp1/papers/PhysTodayRT
2011.pdf
El efecto de invernadero

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Algunas cuestiones fundamentales
Volver a Índice
Función de Planck para la radiación de un
cuerpo negro a 260 K
͌ -13,16 ºC
Número de
ondas = 1/ν
El efecto de invernadero

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Algunas cuestiones fundamentales
F = σT4
En esta fórmula tenemos:
σ = 2π5kb
4/(15c2h3)
͌ 5,67x10-8wm-2K-4
kb= Constante de Boltzmann
c = Velocidad de la luz
h= Constante de Planck
Volver a Índice
El efecto de invernadero
Ley de Stefan-
Boltzmann

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El efecto de invernadero
En ¡1930! E. O. Hulburt y otros científicos hallaron
errores de concepto muy graves en el experimento
de Ångström, que invalidaban sus resultados, y que,
en principio, volvían a dar cierto crédito a la
explicación de Arrhenius.
El aspecto más importante que Ångström había
pasado por alto es que la transmisión de la energía a
través de la atmósfera es un fenómeno muy
complejo, debido a que se da de forma simultánea la
radiación de las capas de la atmósfera y la
transmisión entre diferentes capas.

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El efecto de invernadero
La radiación procedente del Sol llega a las capas superiores de la
atmósfera con el espectro de un “cuerpo negro” ideal que emitiera a
unos 6500ºC
Fuente:
Wikipedia

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Durante la transmisión a través de la atmósfera hacia el
exterior, la energía es parcialmente absorbida, pero ahora
por el CO2 y H2O, lo que da lugar al efecto invernadero.
El efecto de invernadero
Volver a Índice
Fuente:
Wikipedia
El gráfico de la derecha muestra los espectros
de emisión para tres temperaturas:
210 K = -63 C 260 K = -13 C 310 K = 37 C

32. Pág. 7 de 14
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El suelo emite como un cuerpo
negro ideal, caracterizado por la
función B de Planck.
La energía escapará hacia el
espacio desde la capa 3, que es
la capa superior de la atmósfera.
El efecto de invernadero
El efecto de invernadero no
calienta la Tierra, sino que
“frena” la emisión de la
radiación infrarroja que emite la
Tierra.
El efecto final es aun aumento de
temperatura de la Tierra.

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Balance energético del efecto de invernadero
El efecto de invernadero
Fuente: Revista Investigación y Ciencia, junio 1989
Convección térmica = Calor sensible Evaporación = Calor latente

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El efecto de invernadero
Aerosoles estratosféricos
Gases traza
Aerosoles troposféricos
Capas y constituyentes atmosféricos
Superficie del terreno
Altitudsobreelniveldelmar
Moléculas de gas (dispersión de Rayleigh)

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El efecto de invernadero
“El CO2 es un “driver” (impulsor), mientras
que el vapor de agua es un efecto del CO2
El CO2 o el vapor de agua. ¿Cuál de ellos
origina el efecto de invernadero?

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Variación de la temperatura de la atmósfera con la altitud Volver a Índice
El efecto de invernadero

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Diagrama de fases del CO2 Volver a Índice1 kPa aprox. 0,01 Atm
El efecto de invernadero

38. .
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Volver a Índice
Correlación entre la temperatura global y la
concentración de CO2
Fuente: Revista
Investigación y
Ciencia, Junio
de 1989
El efecto de invernadero

39. Pág. 14 de 14
19-4-2016El efecto de invernadero
Volver a Índice
Medición espesor del hielo
por un submarino en el polo
Norte en 1958
Globo
estratosférico,
1958

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Volver a ÍndiceNMVOC: compuestos orgánicos volátiles (no metano)
Gases de Efecto de Invernadero
Nat. Antropogénicos
Cambiosenlaradiaciónsolar
Cambiosenelalbedopor
usodelastierras Gases y aerosoles de corta vida Gases GEI bien
mezclados
Aerosoles y precursores
(Polvo minerales, SO4, NH3,
Carbono orgánico, negro de
humo
NOx
NMVOC
CO
N2O
Halocarburos
CH4
CO2
Compuestos
emitidos
Ajustes en
las nubes
debidos a
los
aerosoles
Polvo
minerales,
Sulfatos,
Nitratos,
carbono
orgánico,
negro de
humo
Nitrato,CH4,O3
CO2,CH4,O3
CO2,CH4,O3
NO2
O3,CFC’s,HCFC’s
CO2,H2O*,O3,CH4
CO2
Forzamientosatmos-
féricosresultantes

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Volver a Índice
El CO2 produce el
forzamiento
máximo, pero los
efectos del resto
de GEI no son
despreciables
Ver el efecto de
enfriamiento de
los aerosoles, las
nubes y el
cambio de uso
de las tierras.
NMVOC: compuestos
orgánicos volátiles
(no metano)
Balance de forzamientos radiativos
- Informe IPCC de 2013

42. Fuente IPCC-2013. https://www.ipcc.ch/pdf/assessment-
report/ar5/wg1/WG1AR5_Chapter08_FINAL.pdf
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
1993 2001 2013
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Volver a Índice
El aumento del
forzamiento radiativo
se mide respecto del
valor del año 1750.
El valor absoluto en
1850 era aprox. 0,17
w/m2
Evolución del forzamiento radiativo
del CO2 en w/m2 Informe IPCC de 2013

43. El efecto de invernadero
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Volver a ÍndiceFuente: ESRL-NOAA
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/globalview/

44. VolveraÍndice
Concentración de CO2 en la
atmósfera en 2015
400 ppm = 0,04%
La concentración de CO2 es el
resultado de la acumulación de las
diferencias entre emisiones y
absorciones
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Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)

45. VolveraÍndice
La velocidad de aumen-
to de la concentración
de CO2 sigue creciendo:
- En 1948: 0,38 ppm/año
- En 2016: 2,30 ppm/año
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La reducción de la velocidad de
crecimiento de emisiones
debiera pasar por un punto de
inflexión=línea horizontal
Velocidad de aumento de la Concentración
de CO2 en la atmósfera (ppm/año)

46. VolveraÍndice
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Se ha calculado una curva de
regresión (R = 0,92) con los
valores desde 1948 hasta 2005
Curva de regresión: y=0,0127(41+x)2-0,55(41+x)-0,01
En la fórmula el valor x para
1948 vale 0 y se suma 1 para
cada año sucesivo
Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)

47. Hipótesis neutra: la media de las diferencias entre datos y puntos de la
curva posteriores a 2005 está dentro del I.C. de la media anterior a 2005.
Los datos muestran que la hipótesis no se puede rechazar
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Volver a Índice
Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)

48. Pág. 9 de 18
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La “Gran Pregunta”
¿Cuánto CO2 podemos
emitir sin correr riesgos de
sobrepasar 2 ºC en 2100?
La respuesta es
probabilística
Concentrac.
de CO2 (eq.)
Probabilidad de
sobrepasar 2ºC
Concentrac.
de CO2
550 ppm* 68 – 99 %*470 ppm*
450 ppm 26 – 78 %400 ppm
400 ppm 2 – 58 %355 ppm
Años al
ritmo actual
2043*
2015
1992
Un aumento de 2º C sobre la temperatura
preindustrial supondría someter al Mundo a un
cúmulo de problemas que haría la vida muy difícil
para miles de millones de personas
* Al ritmo actual de
emisiones de CO2
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Pulsar para ver
evolución futura

49. Pág. 10 de 18
19-4-2016
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Acidificación y
aumento de
temperatura de
los océanos
-Cambio de
uso de las
tierras
Reducen su
capacidad de
absorción del
CO2
Aumenta la
cantidad de CO2
retenida en la
atmósfera

50. Pág. 11 de 18
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El calentamiento
global está en
marcha y se está
acelerando
La cantidad de
CO2 en la
atmósfera es la
más alta de los
últimos 800.000
años
Los efectos del
calentamiento
global son ya
innegables
Valor en 2015 =
400 ppm
Miles de años antes
del presente
El calentamiento global

51. Pág. 12 de 18
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Tamaño relativo del efecto de invernadero
Energía retenida
en la atmósfera
por los GEI’s
emitidos en 1 año:
Aprox. 1,34x1013
Mwh durante 100
años (Datos de
2015)
Energía primaria producida
globalmente al año:
1,55x1011 Mwh (2012)
Calor producido =
1,55x1011x0,8= 1,08x1011
Es el 0,805 % de la energía
retenida en la atmósfera por
efecto de los GEI’s

52. Ciclo del Carbono en la Naturaleza
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Volver a Índice
El origen del vapor de agua es claro: a las
temperaturas actuales de la Tierra, la
tensión de vapor del agua es suficiente
para originar cantidades de vapor entre 0 y
4 %.
El origen del CO2 está en el ciclo del
Carbono en la Naturaleza. Este ciclo se
completa en millones de años, y hasta
aproximadamente 1850 había depositado
en la atmósfera de forma natural unas 290
ppm (0,029 %).
¿Cuál es el origen del H2O y del CO2?

53. Pág. 14 de 18
19-4-2016Ciclo del Carbono en la Naturaleza
Fuente: Revista
“Investig. y Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989 Volver a Índice

54. Pág. 15 de 18
19-4-2016Ciclo del Carbono en la Naturaleza
Fuente: Revista
“Investig. y Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989 Volver a Índice

55. Pág. 16 de 18
19-4-2016
Ciclo del
Carbono en la
Naturaleza
Fuente: Revista
“Investig. y
Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989
Volver a Índice

56. Pág. 17 de 18
19-4-2016Balance del Carbono en la Naturaleza
Fuente: Revista “Investig. y Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989
1018 g = 1GT
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57. Pág. 18 de 18
19-4-2016
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