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P-1 Pág. 1
19-2-2021
¿Por qué este seminario ahora?
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Varios estudios muestran las carencias y
deficiencias pre-existentes en la sociedad
española, que han agravado hasta un grado
inasumible las consecuencias de la pandemia
Estamos en plena campaña de vacunación, y
esperamos que finalmente vamos a conseguir
una reducción drástica del número de personas
contagiadas, y en consecuencia del número de
fallecimientos.
La pandemia COVID-19 deja un balance terri-
ble: más de 90.000 fallecimientos en España.
P-1 Pág. 2
19-2-2021
¿Por qué este seminario ahora?
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Tenemos que conseguir reducir a cero las
emisiones de gases de efecto invernadero para el
año 2050.
El cambio climático es más difícil de resolver que
una pandemia, pero, si no lo hacemos, los efectos
negativos serán mucho peores.
Hay carencias y deficiencias pre-existentes en la
sociedad mundial, que obstaculizan la acción, y van
a agravar las consecuencias, si no somos capaces de
resolverlas a tiempo.
Pero hay una amenaza aún más terrible que la
Pandemia COVID-19: El cambio climático va a tener
unas consecuencias demoledoras para todo el
Mundo.
P-1 Pág. 3
19-2-2021
¿Por qué este seminario ahora?
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El Congreso de los Diputados ha aprobado este jueves la Ley de Cambio
Climático y Transición Energética. El Senado deberá ahora darle el visto
bueno y, si no incluye modificaciones, la ley quedará definitivamente
aprobada previsiblemente en mayo.
El objetivo de esta norma es ayudar a España a cumplir con sus
compromisos internacionales en la lucha contra el cambio climático para
alcanzar “antes de 2050″ la denominada “neutralidad climática” (que el
país solo pueda emitir los gases de efecto invernadero que puedan
ser absorbidos por los sumideros, por ejemplo, los bosques).
Para ello, la norma establece una serie de metas intermedias y de
medidas concretas
ÍNDICE
1.- El Efecto de Invernadero
2.- El Calentamiento Global
3.- Reducción de emisiones de GEI *
4.- La Energía y el cambio Climático
* GEI: Gases de efecto de invernadero
www.universidadpopularc3c.es
Curso 2020-2021
Seminario sobre el Cambio Climático
P-1 Pág. 3
19-2-2021
ÍNDICE
1.- Introducción
2.- Investigaciones tempranas
3.- La luz, radiación electromagnética
4.- La absorción de la energía de la luz por los gases
5.- El efecto de invernadero
6.- Los GEI*: origen y evolución
7.- Aceleración de la concentración del CO2
8.- Magnitud energética del efecto Invernadero
9.- La atmósfera de la Tierra primitiva
10.- El ciclo del Carbono en la Naturaleza
11.- Lo esencial del Seminario
* GEI: Gases de efecto de invernadero
www.universidadpopularc3c.es
Curso 2020-2021
Seminario sobre el Cambio Climático
Jornada 1. El efecto de invernadero
P-1 Pág. 1/15
19-2-2021
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.org
- https://ustednoselocree.com
- http://geeds.gir.uva.es
Bibliografía
Volver a Índice
P-1 Pág. 1/3
19-2-2021
Introducción
P-1 Pág. 2/3
19-2-2021 Volver a Índice
La Ciencia se encarga
de descubrir las
causas de esos
fenómenos
Climáticos
Biosfera
Geofísicos
Geoquímicos
Efectos
Observados
Introducción
La Ciencia establece
leyes fundamentales de
la Naturaleza
La Ciencia hace
predicciones
Se realizan experimentos
/observaciones para
contrastar las
predicciones
Resultados
compatibles
Modificar hipótesis
NO
Ejemplo: Mendelejev
Tabla Periódica
P-1 Pág. 3/3
19-2-2021 Volver a Índice
Un enigma conocido desde la
antigüedad: El enfriamiento
extraordinario que sufre la
Tierra por la noche, en los
desiertos y otros lugares con
muy poca humedad en el aire.
En un punto del Sahara se
han registrado en un mismo
día temperaturas de – 0,5 C y
+ 37,5 C
Investigaciones tempranas
P-2 Pág. 1/11
19-2-2021 Volver a Índice
En 1824 Fourier publica un estudio titulado
"Observaciones generales sobre la temperatura del
globo terrestre y los espacios planetarios“.
Explicación de Fourier: 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.
¿Qué pasa en los desiertos
para que se produzca ese
enfriamiento nocturno tan
grande?
P-2 Pág. 2/11
19-2-2021
Jean Baptiste Joseph Fourier
Volver a Índice
El trabajo de Fourier se publicó unos 25 años
después de que Herschell descubriera la
radiación infrarroja
Investigaciones tempranas
¿Quien fue la Sra. Eunice Foote?. Lo poco que se sabe de ella se
puede encontrar en Wikipedia como “Eunice Newton Foote”, pero
escribió este estudio, y lo leyó ante la Asociación Americana para el
Progreso de la Ciencia el 23 de agosto de 1856. Se publicó en The
American Journal of Science and Arts de ese año.
P-2 Pág. 3/11
19-2-2021 Volver a Índice
Investigaciones tempranas
Había descubierto que ciertos gases, entre ellos:
- Vapor de agua
- CO2
Son parcialmente opacos a lo que entonces se
llamaba “rayos caloríficos”.
En 1862 relacionó, de forma cuantitativa, 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.
P-2 Pág. 4/11
19-2-2021
John Tyndall
Volver a Índice
En 1862, el científico irlandés John Tyndall describió
de forma intuitiva la clave de lo que acabaría
llamándose “efecto de invernadero”.
Investigaciones tempranas
Ahora queda más claro lo que
sucede en los desiertos:
El “efecto de invernadero” está
atenuado, como había intuido
Fourier, debido a la escasez de
vapor de agua en la atmósfera
P-2 Pág. 5/11
19-2-2021 Volver a Índice
Investigaciones tempranas
Por analogía, este freno al enfria-
miento nocturno se llama “efecto
de invernadero”, puesto que
produce un efecto similar al del
vidrio de los invernaderos.
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.
P-2 Pág. 6/11
19-2-2021
Svante Arrhenius
Volver a Índice
Hacia mil ochocientos noventa y tantos,
intervino en una de las controversias de la
época acerca de las causas de la eras
glaciales
Investigaciones tempranas
Energía Transmitida:
70-75 %
Viaje de la radiación desde
las capas altas de la atmós-
fera 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 %
Longitud de onda:
0,2-3,5 μm (UV-Visible)
Longitud de onda:
4-70 μm (Infrarrojo)
Atmósfera
Efecto de Invernadero
(Explicación Esquemática de Arrhenius)
SOL
Luz del Sol. “Cuerpo ne-
gro” radiando a 6500 C
Al llegar al suelo, la energía
se transforma: calienta el
suelo, y éste emite en onda
larga (infrarrojo)
Volver a Índice
En 1900, Knut Ångström rebate los
resultados de Arrhenius.
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 CO2..
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.
P-2 Pág. 8/11
19-2-2021 Volver a Índice
Investigaciones tempranas
Hacia 1930 se volvió a replantear el experimento de Ångström, y se
descubrió que adolecía de graves errores de concepto acerca de la
distribución de los elementos que componen la atmósfera con la
altitud.
Esto se explica en el punto 5.
P-2 Pág. 9/11
19-2-2021 Volver a Índice
Estos resultados concedieron a la
explicación de Arrhenius un nuevo apoyo,
pero éste había fallecido en 1927.
Investigaciones tempranas
Una de las conclusiones principales de
Arrhenius fue:
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 C.
Volver a Índice
Pero también se puede deducir otra
consecuencia de esos resultados:
Si se doblara la cantidad de CO2 en la
atmósfera, la temperatura media de la
Tierra subiría entre 5 y 6 C.
P-2 Pág. 10/11
19-2-2021
Investigaciones tempranas
¿Es el efecto de invernadero
“beneficioso” o “perjudicial”?
Efecto de invernadero “Natural”
En ausencia de Gases de Efecto de
Invernadero (GEI), la temperatura
media de la Tierra sería unos 32 C
inferior a la actual (aprox. -17 C)
A finales del siglo XIX se podría haber
afirmado que el “Efecto Invernadero”
existente en esa época era
imprescindible para el sostenimiento de
la vida en la Tierra.
Pero en la actualidad nos preocupa el efecto
invernadero intensificado, como veremos en el punto 5.
P-2 Pág. 11/11
19-2-2021 Volver a Índice
Investigaciones tempranas
La luz, radiación electromagnética
Newton realizó 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)
P-3 Pág. 1/4
19-2-2021 Volver a Índice
Energía de la luz: obedece a la ley de
Planck (principio fundamental de la
mecánica cuántica)
E = hv
E = Energía
h = constante de Planck
V= frecuencia de la luz
En la actualidad se considera que la luz
tiene una naturaleza dual:
- Es una onda electromagnética
- Es una emisión de partículas
subatómicas (fotones)
La luz como una onda
electromagnética:
- Una onda en un campo magnético en
fase con una onda en un campo
eléctrico.
- Ambos campos son perpendiculares
entre si
Observar: La longitud de onda λ =
inverso de la frecuencia
P-3 Pág. 2/4
19-2-2021 Volver a Índice
La luz, radiación electromagnética
Espectro electromagnético completo
P-3 Pág. 3/4
Luz Visible
Volver a Índice
La luz, radiación electromagnética
Función de Planck para la radiación de un cuerpo
negro a varias temperaturas (ºK)
P-3 Pág. 4/4
19-2-2021 Volver a Índice
La luz, radiación electromagnética
Volver a Índice
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 una o varias moléculas completas y
modificación de su estado vibratorio
Absorción de la energía de la luz por
los gases
La captura se realiza solo para unas energías correspondientes a unas
frecuencias perfectamente definidas, pero no a otras - Resonancia
P-4 Pág. 1/4
19-2-2021
La radiación incide sobre una molécula del gas, y es absorbida,
originando vibraciones 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)
Cada uno de los modos de
vibración tiene una
frecuencia propia
P-4 Pág. 2/4
19-2-2021 Volver a Índice
Absorción de la energía de la luz por
los gases
La radiación proce-
dente del Sol llega
a las capas
superiores de la
atmósfera con el
espectro de un
“cuerpo negro” ideal
que emitiera a unos
6500ºC
P-4 Pág. 3/4
19-2-2021 Volver a Índice
Absorción de la energía de la luz por
los gases
Bandas de absor-
ción de los gases
atmosféricos
P-4 Pág. 4/4
19-2-2021 Volver a Índice
Absorción de la energía de la luz por
los gases
Volver a Índice
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
P-5 Pág. 1/8
19-2-2021
F = σT4 (Cuerpo Negro)
En esta fórmula tenemos:
F= Potencia emisiva hemisférica total (w/m2)
σ = 2π5kb
4/(15c2h3) ͌ 5,67x10-8wm-2K-4
kb= Constante de Boltzmann
c = Velocidad de la luz
h= Constante de Planck
El efecto de invernadero
Ley de Stefan-Boltzmann
Algunas cuestiones
fundamentales
Potencia emisiva superficial de una superficie real
E = ε.σT4
En esta fórmula tenemos:
E= Potencia emisiva superficial (w/m2)
ε = emisividad de la superficie w/m2
Volver a Índice
P-5 Pág. 2/8
19-2-2021
El suelo emite con el espectro de
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 atmósfera, sino que
“frena” la emisión de la radiación
infrarroja que emite la Tierra.
El efecto final es aun aumento de
temperatura de la atmósfera
+Tierra.
P-5 Pág. 3/8
19-2-2021 Volver a Índice
Esto era totalmente
desconocido en los tiempos de
Knut Ångström
El efecto de invernadero
Aerosoles estratosféricos
Gases traza
Gases moleculares (dispersión de
Rayleigh)
Aerosoles troposféricos
Superficie del terreno
Capas y constituyentes atmosféricos
Altitud
sobre
el
nivel
del
mar
P-5 Pág. 4/8
19-2-2021 Volver a Índice
Variación de la
temperatura de la
atmósfera con la
altitud
El efecto de invernadero
P-5 Pág. 5/8
19-2-2021 Volver a Índice
El efecto de invernadero
P-5 Pág. 6/8
19-2-2021 Volver a Índice
1 kPa aprox. 0,01 Atm
1 Atm aprox. 101.000 Pa
Balance energético del efecto de invernadero
El efecto de invernadero
Fuente: Revista Investigación y Ciencia, 1988
P-5 Pág. 7/8
19-2-2021 Volver a Índice
El efecto de invernadero
- El CO2 es un “driver” (impulsor) y controla el clima
- La cantidad de vapor de agua es el resultado de la
cantidad de CO2
El CO2 o el vapor de agua. ¿Cuál de ellos origina
la mayor parte del calentamiento?
P-5 Pág. 8/8
19-2-2021 Volver a Índice
- El vapor de agua se produce por evaporación del agua
líquida. Este proceso depende la temperatura. Por ello, un
aumento de CO2 produce un aumento de vapor de agua.
- El CO2 se produce por las emisiones de GEI (actividades
humanas). Éstas no dependen de la temperatura. Por ello, un
aumento de vapor de agua no produce un aumento de CO2
Este aumento de la temperatura se denominó
“Efecto Callendar”
Gases de Efecto de Invernadero
Comprobó un aumento apreciable del CO2 durante el
mismo período; descubrió que los niveles habían
aumentado aproximadamente un 10% en 100 años.
En 1938, Guy Callendar estudió las mediciones de
temperatura del siglo XIX y posteriores, y vio un
apreciable aumento.
Escribió y presento el Estudio: "The Artificial
Production of Carbon Dioxide and its Influence on
Temperature".
P-6 Pág. 1/7
19-2-2021 Volver a Índice
El efecto de invernadero
Medición espesor del hielo por un
submarino en el polo Norte en 1958
Globo estratosférico, 1958
P-6 Pág. 3/7
19-2-2021 Volver a Índice
Los datos se mantienen en secreto
hasta los años 90, y se descubre una
importante reducción del espesor del
hielo polar (desde 1953 el 40 % de
reducción).
En 1956 Gilbert Plass confirmó expe-
rimentalmente que un aumento de
CO2 en la atmósfera originaba un
aumento de la absorción de la
radiación infrarroja. Estimó que la
industrialización, con el aumento del
consumo de energía, incrementaría la
temperatura de la Tierra en algo más
de 1 ºC por siglo.
.
Volver a Índice
Correlación entre la temperatura global y la concentración de CO2
Fuente: Revista
Investig.
Ciencia, Junio
de 1989
Gases de efecto invernadero
Efecto Invernadero Intensificado
P-6 Pág. 2/7
19-2-2021
Efecto Invern. Natural
(*) NMVOC:
compuestos
orgánicos volátiles
(no metano)
Gases de Efecto de Invernadero
Nat.
Antropogénicos
Cambios
en
la
radiación
solar
Cambios
en
el
albedo
por
uso
de
las
tierras
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
N
2
O
Halocarburos
CH
4
CO
2
Compuestos
emitidos
Ajustes
en
las
nubes
debidos
a
los
aerosoles
Polvo
minerales,
Sulfatos,
Nitratos,
carbono
orgánico,
negro
de
humo
Nitrato,
CH
4
,
O
3
CO
2
,
CH
4
,
O
3
CO
2
,
CH
4
,
O
3
NO
2
O
3
,
CFC’s,
HCFC’s
CO
2
,
H
2
O*,
O
3
,
CH
4
CO
2
Forzamientos
atmosféricos
resultantes
P-6 Pág. 4/7
19-2-2021 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
Volver a Índice
P-6 Pág. 5/7
19-2-2021
CO2
10 %
Reside en la
atmósfera en
10.000 años
Fuente: Union of Concerned Sciencists
Tiempo de residencia de GEI en la
atmósfera
CO2
20 %
Reside en la
atmósfera
1.000 años
CO2
40 %
Reside en la
atmósfera
100 años
CH4
100 %
Reside en la
atmósfera 12
años
P-6 Pág. 6/7
19-2-2021 Volver a Índice
Evolución del forzamiento radiativo de los GEI
más importantes
P-6 Pág. 7/7
19-2-2021 Volver a Índice
Forzamiento radiativo de la atmósfera debido a los GEI de
larga duración, respecto de 1750, y actualización en 2019 del
Índice anual de los GEI.
Fuente: NOAA
El valor absoluto en 1850
era aprox. 0,17 w/m2
Forzamiento Radiativo
es la energía total
retenida en la atmósfera
por una sustancia
durante un período de
tiempo determinado
Fuente: ESRL-NOAA
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/globalview/
P-7 Pág. 1/8
19-2-2021 Volver a Índice
Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
La concentración de CO2 es el
resultado de la acumulación
de las diferencias entre
emisiones y absorciones
P-7 Pág. 2/8
19-2-2021
413,94 ppm
= 0,041%
Concentr.
CO2 en la
atmósfera
en 2020
Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
Volver a Índice
Se ha calculado una curva de
regresión con los valores desde
1948 hasta 2005
Curva de regresión: y=0,0139x2-0,47x+0,0012
En la fórmula el valor de x para
1948 vale 32,6 y se suma 1 para
cada año sucesivo.
Activar
Hoja
Cálculo
P-7 Pág. 3/8
19-2-2021 Volver a Índice
Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
Se prolonga la curva de ajuste hasta 2020
(Nota: los datos para el cálculo van de 1948
a 2005)
P-7 Pág. 4/8
19-2-2021 Volver a Índice
Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
P-7 Pág. 5/8
19-2-2021
La velocidad de
aumento de la
concentración
de CO2 sigue
creciendo:
- En 1948: 0,38
ppm/año
- En 2020: 2,45
ppm/año
La reducción de la
velocidad de creci-
miento de emisiones
debiera mostrar que
hay un punto de
inflexión = línea de
regresión horizontal
Volver a Índice
Velocidad de crecimiento de la concentración de
CO2 en la atmósfera (ppm)
Hipótesis neutra: la
media de los cuadrados
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
No Hay razones para
rechazar esta hipótesis
P-7 Pág. 6/22
19-2-2021 Volver a Índice
Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
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
P-7 Pág. 7/8
19-2-2021 Volver a Índice
La energía
retenida por la
atmósfera por
efecto de los
GEI’s es aprox.
1,34x1013 Mwh
anuales (2015)
La energía primaria consumida
globalmente es aprox.
1,55x1011 Mwh (2012)
Es el 1,16 % de la energía
retenida en la atmósfera por
efecto de los GEI’s
Acceso a la hoja de
cálculo, pulsar aquí
P-8 Pág. 1/1
19-2-2021
El calentamiento global
Volver a Índice
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 2020
413,94 ppm
Miles de años
antes del presente
P-9 Pág. 1/2
19-2-2021 Volver a Índice
La atmósfera de la Tierra Primitiva
La atmósfera de la Tierra Primitiva
Fuente: Revista “Investigación y Ciencia”
P-9 Pág. 2/2
19-2-2021 Volver a Índice
Ciclo del Carbono en la Naturaleza
El origen del vapor de agua está en
que, 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?
P-10 Pág. 1/4
19-2-2021 Volver a Índice
Ciclo del Carbono en la Naturaleza
Fuente: Esquema.net
https://esquema.net/ciclo-carbono/
P-10 Pág. 2/4
19-2-2021 Volver a Índice
Lo esencial del Seminario
P-11 Pág. 1/1
19-2-2021 Volver a Índice
1.- La atmósfera contiene unos gases que
retienen durante un tiempo la radiación de la
Tierra hacia el exterior. Se llaman gases de
efecto invernadero (GEI)
2.- Las actividades humanas generan GEI que
provocan el incremento de su proporción en la
atmósfera.
2.- La proporción de los GEI en la
atmósfera está aumentando con una
velocidad cada vez mayor.
1.- Sin los GEI, la temperatura media de la
Tierra sería unos -15 C.
Los GEI han sido beneficiosos hasta hace
unos 150 años.
3.- Hoy en día, la proporción de los GEI en la
atmósfera es la más alta observada desde
hace unos 2 millones de años.
3.- Una parte significativa de los GEI
permanece en la atmósfera 100 años, pero
una parte similar permanece entre 1000 y
10000 años
4.- Nos hallamos en una Emergencia Climática.
5.- No hay vacuna para la Emergencia Climática
¿Y si todo no es más que un
gran engaño y creamos un
mundo mejor para nada?
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El Efecto de Invernadero - Seminario El Cambio Climático - Curso 2020-2021

  • 1. P-1 Pág. 1 19-2-2021 ¿Por qué este seminario ahora? Volver a Índice Varios estudios muestran las carencias y deficiencias pre-existentes en la sociedad española, que han agravado hasta un grado inasumible las consecuencias de la pandemia Estamos en plena campaña de vacunación, y esperamos que finalmente vamos a conseguir una reducción drástica del número de personas contagiadas, y en consecuencia del número de fallecimientos. La pandemia COVID-19 deja un balance terri- ble: más de 90.000 fallecimientos en España.
  • 2. P-1 Pág. 2 19-2-2021 ¿Por qué este seminario ahora? Volver a Índice Tenemos que conseguir reducir a cero las emisiones de gases de efecto invernadero para el año 2050. El cambio climático es más difícil de resolver que una pandemia, pero, si no lo hacemos, los efectos negativos serán mucho peores. Hay carencias y deficiencias pre-existentes en la sociedad mundial, que obstaculizan la acción, y van a agravar las consecuencias, si no somos capaces de resolverlas a tiempo. Pero hay una amenaza aún más terrible que la Pandemia COVID-19: El cambio climático va a tener unas consecuencias demoledoras para todo el Mundo.
  • 3. P-1 Pág. 3 19-2-2021 ¿Por qué este seminario ahora? Volver a Índice El Congreso de los Diputados ha aprobado este jueves la Ley de Cambio Climático y Transición Energética. El Senado deberá ahora darle el visto bueno y, si no incluye modificaciones, la ley quedará definitivamente aprobada previsiblemente en mayo. El objetivo de esta norma es ayudar a España a cumplir con sus compromisos internacionales en la lucha contra el cambio climático para alcanzar “antes de 2050″ la denominada “neutralidad climática” (que el país solo pueda emitir los gases de efecto invernadero que puedan ser absorbidos por los sumideros, por ejemplo, los bosques). Para ello, la norma establece una serie de metas intermedias y de medidas concretas
  • 4. ÍNDICE 1.- El Efecto de Invernadero 2.- El Calentamiento Global 3.- Reducción de emisiones de GEI * 4.- La Energía y el cambio Climático * GEI: Gases de efecto de invernadero www.universidadpopularc3c.es Curso 2020-2021 Seminario sobre el Cambio Climático P-1 Pág. 3 19-2-2021
  • 5. ÍNDICE 1.- Introducción 2.- Investigaciones tempranas 3.- La luz, radiación electromagnética 4.- La absorción de la energía de la luz por los gases 5.- El efecto de invernadero 6.- Los GEI*: origen y evolución 7.- Aceleración de la concentración del CO2 8.- Magnitud energética del efecto Invernadero 9.- La atmósfera de la Tierra primitiva 10.- El ciclo del Carbono en la Naturaleza 11.- Lo esencial del Seminario * GEI: Gases de efecto de invernadero www.universidadpopularc3c.es Curso 2020-2021 Seminario sobre el Cambio Climático Jornada 1. El efecto de invernadero P-1 Pág. 1/15 19-2-2021
  • 6. 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.org - https://ustednoselocree.com - http://geeds.gir.uva.es Bibliografía Volver a Índice P-1 Pág. 1/3 19-2-2021
  • 8. La Ciencia se encarga de descubrir las causas de esos fenómenos Climáticos Biosfera Geofísicos Geoquímicos Efectos Observados Introducción La Ciencia establece leyes fundamentales de la Naturaleza La Ciencia hace predicciones Se realizan experimentos /observaciones para contrastar las predicciones Resultados compatibles Modificar hipótesis NO Ejemplo: Mendelejev Tabla Periódica P-1 Pág. 3/3 19-2-2021 Volver a Índice
  • 9. Un enigma conocido desde la antigüedad: El enfriamiento extraordinario que sufre la Tierra por la noche, en los desiertos y otros lugares con muy poca humedad en el aire. En un punto del Sahara se han registrado en un mismo día temperaturas de – 0,5 C y + 37,5 C Investigaciones tempranas P-2 Pág. 1/11 19-2-2021 Volver a Índice
  • 10. En 1824 Fourier publica un estudio titulado "Observaciones generales sobre la temperatura del globo terrestre y los espacios planetarios“. Explicación de Fourier: 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. ¿Qué pasa en los desiertos para que se produzca ese enfriamiento nocturno tan grande? P-2 Pág. 2/11 19-2-2021 Jean Baptiste Joseph Fourier Volver a Índice El trabajo de Fourier se publicó unos 25 años después de que Herschell descubriera la radiación infrarroja Investigaciones tempranas
  • 11. ¿Quien fue la Sra. Eunice Foote?. Lo poco que se sabe de ella se puede encontrar en Wikipedia como “Eunice Newton Foote”, pero escribió este estudio, y lo leyó ante la Asociación Americana para el Progreso de la Ciencia el 23 de agosto de 1856. Se publicó en The American Journal of Science and Arts de ese año. P-2 Pág. 3/11 19-2-2021 Volver a Índice Investigaciones tempranas
  • 12. Había descubierto que ciertos gases, entre ellos: - Vapor de agua - CO2 Son parcialmente opacos a lo que entonces se llamaba “rayos caloríficos”. En 1862 relacionó, de forma cuantitativa, 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. P-2 Pág. 4/11 19-2-2021 John Tyndall Volver a Índice En 1862, el científico irlandés John Tyndall describió de forma intuitiva la clave de lo que acabaría llamándose “efecto de invernadero”. Investigaciones tempranas
  • 13. Ahora queda más claro lo que sucede en los desiertos: El “efecto de invernadero” está atenuado, como había intuido Fourier, debido a la escasez de vapor de agua en la atmósfera P-2 Pág. 5/11 19-2-2021 Volver a Índice Investigaciones tempranas Por analogía, este freno al enfria- miento nocturno se llama “efecto de invernadero”, puesto que produce un efecto similar al del vidrio de los invernaderos.
  • 14. 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. P-2 Pág. 6/11 19-2-2021 Svante Arrhenius Volver a Índice Hacia mil ochocientos noventa y tantos, intervino en una de las controversias de la época acerca de las causas de la eras glaciales Investigaciones tempranas
  • 15. Energía Transmitida: 70-75 % Viaje de la radiación desde las capas altas de la atmós- fera 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 % Longitud de onda: 0,2-3,5 μm (UV-Visible) Longitud de onda: 4-70 μm (Infrarrojo) Atmósfera Efecto de Invernadero (Explicación Esquemática de Arrhenius) SOL Luz del Sol. “Cuerpo ne- gro” radiando a 6500 C Al llegar al suelo, la energía se transforma: calienta el suelo, y éste emite en onda larga (infrarrojo) Volver a Índice
  • 16. En 1900, Knut Ångström rebate los resultados de Arrhenius. 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 CO2.. 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. P-2 Pág. 8/11 19-2-2021 Volver a Índice Investigaciones tempranas
  • 17. Hacia 1930 se volvió a replantear el experimento de Ångström, y se descubrió que adolecía de graves errores de concepto acerca de la distribución de los elementos que componen la atmósfera con la altitud. Esto se explica en el punto 5. P-2 Pág. 9/11 19-2-2021 Volver a Índice Estos resultados concedieron a la explicación de Arrhenius un nuevo apoyo, pero éste había fallecido en 1927. Investigaciones tempranas
  • 18. Una de las conclusiones principales de Arrhenius fue: 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 C. Volver a Índice Pero también se puede deducir otra consecuencia de esos resultados: Si se doblara la cantidad de CO2 en la atmósfera, la temperatura media de la Tierra subiría entre 5 y 6 C. P-2 Pág. 10/11 19-2-2021 Investigaciones tempranas
  • 19. ¿Es el efecto de invernadero “beneficioso” o “perjudicial”? Efecto de invernadero “Natural” En ausencia de Gases de Efecto de Invernadero (GEI), la temperatura media de la Tierra sería unos 32 C inferior a la actual (aprox. -17 C) A finales del siglo XIX se podría haber afirmado que el “Efecto Invernadero” existente en esa época era imprescindible para el sostenimiento de la vida en la Tierra. Pero en la actualidad nos preocupa el efecto invernadero intensificado, como veremos en el punto 5. P-2 Pág. 11/11 19-2-2021 Volver a Índice Investigaciones tempranas
  • 20. La luz, radiación electromagnética Newton realizó 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) P-3 Pág. 1/4 19-2-2021 Volver a Índice
  • 21. Energía de la luz: obedece a la ley de Planck (principio fundamental de la mecánica cuántica) E = hv E = Energía h = constante de Planck V= frecuencia de la luz En la actualidad se considera que la luz tiene una naturaleza dual: - Es una onda electromagnética - Es una emisión de partículas subatómicas (fotones) La luz como una onda electromagnética: - Una onda en un campo magnético en fase con una onda en un campo eléctrico. - Ambos campos son perpendiculares entre si Observar: La longitud de onda λ = inverso de la frecuencia P-3 Pág. 2/4 19-2-2021 Volver a Índice La luz, radiación electromagnética
  • 22. Espectro electromagnético completo P-3 Pág. 3/4 Luz Visible Volver a Índice La luz, radiación electromagnética
  • 23. Función de Planck para la radiación de un cuerpo negro a varias temperaturas (ºK) P-3 Pág. 4/4 19-2-2021 Volver a Índice La luz, radiación electromagnética
  • 24. Volver a Índice 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 una o varias moléculas completas y modificación de su estado vibratorio Absorción de la energía de la luz por los gases La captura se realiza solo para unas energías correspondientes a unas frecuencias perfectamente definidas, pero no a otras - Resonancia P-4 Pág. 1/4 19-2-2021
  • 25. La radiación incide sobre una molécula del gas, y es absorbida, originando vibraciones 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) Cada uno de los modos de vibración tiene una frecuencia propia P-4 Pág. 2/4 19-2-2021 Volver a Índice Absorción de la energía de la luz por los gases
  • 26. La radiación proce- dente del Sol llega a las capas superiores de la atmósfera con el espectro de un “cuerpo negro” ideal que emitiera a unos 6500ºC P-4 Pág. 3/4 19-2-2021 Volver a Índice Absorción de la energía de la luz por los gases
  • 27. Bandas de absor- ción de los gases atmosféricos P-4 Pág. 4/4 19-2-2021 Volver a Índice Absorción de la energía de la luz por los gases
  • 28. Volver a Índice 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 P-5 Pág. 1/8 19-2-2021
  • 29. F = σT4 (Cuerpo Negro) En esta fórmula tenemos: F= Potencia emisiva hemisférica total (w/m2) σ = 2π5kb 4/(15c2h3) ͌ 5,67x10-8wm-2K-4 kb= Constante de Boltzmann c = Velocidad de la luz h= Constante de Planck El efecto de invernadero Ley de Stefan-Boltzmann Algunas cuestiones fundamentales Potencia emisiva superficial de una superficie real E = ε.σT4 En esta fórmula tenemos: E= Potencia emisiva superficial (w/m2) ε = emisividad de la superficie w/m2 Volver a Índice P-5 Pág. 2/8 19-2-2021
  • 30. El suelo emite con el espectro de 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 atmósfera, sino que “frena” la emisión de la radiación infrarroja que emite la Tierra. El efecto final es aun aumento de temperatura de la atmósfera +Tierra. P-5 Pág. 3/8 19-2-2021 Volver a Índice Esto era totalmente desconocido en los tiempos de Knut Ångström
  • 31. El efecto de invernadero Aerosoles estratosféricos Gases traza Gases moleculares (dispersión de Rayleigh) Aerosoles troposféricos Superficie del terreno Capas y constituyentes atmosféricos Altitud sobre el nivel del mar P-5 Pág. 4/8 19-2-2021 Volver a Índice
  • 32. Variación de la temperatura de la atmósfera con la altitud El efecto de invernadero P-5 Pág. 5/8 19-2-2021 Volver a Índice
  • 33. El efecto de invernadero P-5 Pág. 6/8 19-2-2021 Volver a Índice 1 kPa aprox. 0,01 Atm 1 Atm aprox. 101.000 Pa
  • 34. Balance energético del efecto de invernadero El efecto de invernadero Fuente: Revista Investigación y Ciencia, 1988 P-5 Pág. 7/8 19-2-2021 Volver a Índice
  • 35. El efecto de invernadero - El CO2 es un “driver” (impulsor) y controla el clima - La cantidad de vapor de agua es el resultado de la cantidad de CO2 El CO2 o el vapor de agua. ¿Cuál de ellos origina la mayor parte del calentamiento? P-5 Pág. 8/8 19-2-2021 Volver a Índice - El vapor de agua se produce por evaporación del agua líquida. Este proceso depende la temperatura. Por ello, un aumento de CO2 produce un aumento de vapor de agua. - El CO2 se produce por las emisiones de GEI (actividades humanas). Éstas no dependen de la temperatura. Por ello, un aumento de vapor de agua no produce un aumento de CO2
  • 36. Este aumento de la temperatura se denominó “Efecto Callendar” Gases de Efecto de Invernadero Comprobó un aumento apreciable del CO2 durante el mismo período; descubrió que los niveles habían aumentado aproximadamente un 10% en 100 años. En 1938, Guy Callendar estudió las mediciones de temperatura del siglo XIX y posteriores, y vio un apreciable aumento. Escribió y presento el Estudio: "The Artificial Production of Carbon Dioxide and its Influence on Temperature". P-6 Pág. 1/7 19-2-2021 Volver a Índice
  • 37. El efecto de invernadero Medición espesor del hielo por un submarino en el polo Norte en 1958 Globo estratosférico, 1958 P-6 Pág. 3/7 19-2-2021 Volver a Índice Los datos se mantienen en secreto hasta los años 90, y se descubre una importante reducción del espesor del hielo polar (desde 1953 el 40 % de reducción). En 1956 Gilbert Plass confirmó expe- rimentalmente que un aumento de CO2 en la atmósfera originaba un aumento de la absorción de la radiación infrarroja. Estimó que la industrialización, con el aumento del consumo de energía, incrementaría la temperatura de la Tierra en algo más de 1 ºC por siglo.
  • 38. . Volver a Índice Correlación entre la temperatura global y la concentración de CO2 Fuente: Revista Investig. Ciencia, Junio de 1989 Gases de efecto invernadero Efecto Invernadero Intensificado P-6 Pág. 2/7 19-2-2021 Efecto Invern. Natural
  • 39. (*) NMVOC: compuestos orgánicos volátiles (no metano) Gases de Efecto de Invernadero Nat. Antropogénicos Cambios en la radiación solar Cambios en el albedo por uso de las tierras 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 N 2 O Halocarburos CH 4 CO 2 Compuestos emitidos Ajustes en las nubes debidos a los aerosoles Polvo minerales, Sulfatos, Nitratos, carbono orgánico, negro de humo Nitrato, CH 4 , O 3 CO 2 , CH 4 , O 3 CO 2 , CH 4 , O 3 NO 2 O 3 , CFC’s, HCFC’s CO 2 , H 2 O*, O 3 , CH 4 CO 2 Forzamientos atmosféricos resultantes P-6 Pág. 4/7 19-2-2021 Volver a Índice
  • 40. 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 Volver a Índice P-6 Pág. 5/7 19-2-2021
  • 41. CO2 10 % Reside en la atmósfera en 10.000 años Fuente: Union of Concerned Sciencists Tiempo de residencia de GEI en la atmósfera CO2 20 % Reside en la atmósfera 1.000 años CO2 40 % Reside en la atmósfera 100 años CH4 100 % Reside en la atmósfera 12 años P-6 Pág. 6/7 19-2-2021 Volver a Índice
  • 42. Evolución del forzamiento radiativo de los GEI más importantes P-6 Pág. 7/7 19-2-2021 Volver a Índice Forzamiento radiativo de la atmósfera debido a los GEI de larga duración, respecto de 1750, y actualización en 2019 del Índice anual de los GEI. Fuente: NOAA El valor absoluto en 1850 era aprox. 0,17 w/m2 Forzamiento Radiativo es la energía total retenida en la atmósfera por una sustancia durante un período de tiempo determinado
  • 43. Fuente: ESRL-NOAA http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/globalview/ P-7 Pág. 1/8 19-2-2021 Volver a Índice Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
  • 44. La concentración de CO2 es el resultado de la acumulación de las diferencias entre emisiones y absorciones P-7 Pág. 2/8 19-2-2021 413,94 ppm = 0,041% Concentr. CO2 en la atmósfera en 2020 Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm) Volver a Índice
  • 45. Se ha calculado una curva de regresión con los valores desde 1948 hasta 2005 Curva de regresión: y=0,0139x2-0,47x+0,0012 En la fórmula el valor de x para 1948 vale 32,6 y se suma 1 para cada año sucesivo. Activar Hoja Cálculo P-7 Pág. 3/8 19-2-2021 Volver a Índice Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
  • 46. Se prolonga la curva de ajuste hasta 2020 (Nota: los datos para el cálculo van de 1948 a 2005) P-7 Pág. 4/8 19-2-2021 Volver a Índice Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
  • 47. P-7 Pág. 5/8 19-2-2021 La velocidad de aumento de la concentración de CO2 sigue creciendo: - En 1948: 0,38 ppm/año - En 2020: 2,45 ppm/año La reducción de la velocidad de creci- miento de emisiones debiera mostrar que hay un punto de inflexión = línea de regresión horizontal Volver a Índice Velocidad de crecimiento de la concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
  • 48. Hipótesis neutra: la media de los cuadrados 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 No Hay razones para rechazar esta hipótesis P-7 Pág. 6/22 19-2-2021 Volver a Índice Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
  • 49. 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 P-7 Pág. 7/8 19-2-2021 Volver a Índice
  • 50. La energía retenida por la atmósfera por efecto de los GEI’s es aprox. 1,34x1013 Mwh anuales (2015) La energía primaria consumida globalmente es aprox. 1,55x1011 Mwh (2012) Es el 1,16 % de la energía retenida en la atmósfera por efecto de los GEI’s Acceso a la hoja de cálculo, pulsar aquí P-8 Pág. 1/1 19-2-2021 El calentamiento global Volver a Índice
  • 51. 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 2020 413,94 ppm Miles de años antes del presente P-9 Pág. 1/2 19-2-2021 Volver a Índice La atmósfera de la Tierra Primitiva
  • 52. La atmósfera de la Tierra Primitiva Fuente: Revista “Investigación y Ciencia” P-9 Pág. 2/2 19-2-2021 Volver a Índice
  • 53. Ciclo del Carbono en la Naturaleza El origen del vapor de agua está en que, 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? P-10 Pág. 1/4 19-2-2021 Volver a Índice
  • 54. Ciclo del Carbono en la Naturaleza Fuente: Esquema.net https://esquema.net/ciclo-carbono/ P-10 Pág. 2/4 19-2-2021 Volver a Índice
  • 55. Lo esencial del Seminario P-11 Pág. 1/1 19-2-2021 Volver a Índice 1.- La atmósfera contiene unos gases que retienen durante un tiempo la radiación de la Tierra hacia el exterior. Se llaman gases de efecto invernadero (GEI) 2.- Las actividades humanas generan GEI que provocan el incremento de su proporción en la atmósfera. 2.- La proporción de los GEI en la atmósfera está aumentando con una velocidad cada vez mayor. 1.- Sin los GEI, la temperatura media de la Tierra sería unos -15 C. Los GEI han sido beneficiosos hasta hace unos 150 años. 3.- Hoy en día, la proporción de los GEI en la atmósfera es la más alta observada desde hace unos 2 millones de años. 3.- Una parte significativa de los GEI permanece en la atmósfera 100 años, pero una parte similar permanece entre 1000 y 10000 años 4.- Nos hallamos en una Emergencia Climática. 5.- No hay vacuna para la Emergencia Climática
  • 56. ¿Y si todo no es más que un gran engaño y creamos un mundo mejor para nada? Volver a Índice