El efecto de invernadero. Sesión 1: Seminario Cambio Climático

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¿Porqué este seminario ahora?
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“Lo he visto, he leído
algo de él, y está muy
bien …Yo no lo creo”
Revista “Time” del 10 de diciembre 2018
Trump, sordo ante las
preocupantes señales del clima
de EEUU
Tuiteó una pregunta que debiera
ser innecesaria para él: “¿Qué
pasó con el Calentamiento
Global?”
...Y su calentamiento amenaza
el bienestar de EEUU. Ese
resultado, que proviene de un
informe largamente planificado
y ordenado por el Congreso…

ÍNDICE
1.- Introducción
2.- La luz, radiación electromagnética
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
19-04-2018
Curso 2018-2019
Seminario sobre el Cambio Climático
Jornada 1. El efecto de invernadero
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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
- http://geeds.gir.uva.es
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Bibliografía
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Introducción

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La Ciencia se encarga de
descubrir las causas de esos
fenómenos
Climáticos
Biosfera
Geofísicos
Geoquímicos
Efectos
Observados
Volver a Índice
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
Ejemplo: Mendelejev
Tabla Periódica

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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 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
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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?
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Introducción

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En 1862, el científico irlandés John
Tyndall 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.
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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, como había intuido
Fourier.
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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 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 %
Al llegar al suelo, la energía
se transforma: calienta el
suelo, y éste emite en onda
larga (infrarrojo)
Longitud de onda:
0,2-3,5 μm
Longitud de
onda:4-70 μm
(Infrarrojo)
Atmósfera
Efecto de Invernadero
(Explicación Esquemática de Arrhenius)
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SOL
Luz del Sol. “Cuerpo ne-
gro” radiando a 6500 ºC

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Una de las conclusiones
principales de Arrhenius 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
C.
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Introducción
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.

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En 1900, los resultados de Arrehnius fueron
rebatidos por Knut Ångström.
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.
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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Volver a Índice
Introducción
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.
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 4, página 4

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19-4-2018Introducción
¿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.
Volver a Índice
En la actualidad, esa
afirmación se debe matizar,
tal como veremos en el
punto 5.

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19-4-2018La 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) Volver a Índice

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La luz, radiación electromagnética
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 doble:
- Es una onda electromagnética
- Es una emisión de partículas
subatómicas llamadas 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 perpen-
diculares entre si
Observar: La longitud de onda λ
= inverso de la frecuencia

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Volver a Índice
Espectro electromagnético completo

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

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Volver a Índice
Podemos decir que la frecuencia de la radiación, su
longitud de onda y el color correspondiente son solo
aspectos de algo más fundamental: la energía de la
radiación
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

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Espectros de emisión y de absorción

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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 uno o varios átomos completos
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.

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19-4-2018Absorción de la energía de la luz por
los gases
Volver a Índice
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)
Cada uno de los modos
de vibración tiene una
frecuencia propia

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19-4-2018Absorción de la energía de la luz por
los gases
Volver a Índice
Bandas de absor-
ción de los gases
atmosféricos

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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

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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 C
Número de
ondas = 1/ν

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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
Ley de Stefan-
Boltzmann

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Volver a Índice
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

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Durante la transmisión a
través de la atmósfera
hacia el exterior, esta
energía es parcialmente
absorbida, pero ahora por
el CO2 y H2O, lo que da
lugar al efecto invernadero.
Volver a Índice
Fuente: Robert Rohde en Wikipedia
Fuente: Univ. California -
https://www.ucar.edu/learn/1_3_1.htm

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Volver a Índice
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 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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Volver a Índice
Balance energético del efecto de invernadero
Fuente: Revista Investigación y Ciencia, 1988

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Volver a Índice
Aerosoles estratosféricos
Gases traza
Gases moleculares (dispersión de
Rayleigh)
Aerosoles troposféricos
Superficie del terreno
Capas y constituyentes atmosféricosAltitudsobreelniveldelmar

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Variación de la temperatura de la atmósfera con la altitud Volver a Índice

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

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Volver a Índice
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 la mayor parte del calentamiento?

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Volver a Índice
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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Volver a Índice
Gases de Efecto de Invernadero
Luego, comprobó un aumento apreciable del CO2
durante el mismo período; descubrió que los niveles
habían aumentado aproximadamente un 10% en 100
años.
En 1938, el ingeniero inglés G. S. Callendar estudió
las mediciones de temperatura del siglo XIX y
posteriores, y vió un apreciable aumento
Dedujo que ese calentamiento se debía
probablemente a un aumento en los niveles de CO2.

.
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 de Invernadero IntensificadoEfecto Invern. Natural
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19-4-2018El 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

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Volver a Índice
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

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

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Volver a ÍndiceFuente: ESRL-NOAA
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/globalview/

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)

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)

VolveraÍndice
Se ha calculado una curva de
regresión (R= 0,99) con los
valores desde 1948 hasta 2005
Curva de regresión: y=0,0128x2-0,5422x-0,00933
En la fórmula el valor x para
1948 vale 40,2 y para cada año
sucesivo se suma 1.
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Activar Hoja
Cálculo

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 no hay razones para rechazar esta hipótesis
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19-4-2017
Volver a Índice

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19-4-2018La “Gran Pregunta”
¿Cuánto CO2 podemos
emitir sin correr riesgos
inasumibles y sobrepasar
2ºC en 2100?
La respuesta es
probabilística
Concentrac.
de CO2 (eq.)
Probabilidad de
sobrepasar 2ºC
Concentrac.
de CO2
550 ppm* 68 – 99 %*471 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
Volver a Índice
Pulsar para ver
evolución futura

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19-4-20178
Volver a Índice
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

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19-4-2018
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 2015 =
400 ppm
Miles de años antes
del presente
El calentamiento global

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19-4-2018La energía
retenida por
la atmósfera
por efecto
de los GEI’s
es aprox.
1,34x1013
Mwh
anuales
(2015)
Volver a Índice
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
El calentamiento global
Acceso a la hoja de
cálculo, pulsar aquí

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?

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19-4-2018Ciclo del Carbono en la Naturaleza
Fuente: Revista
“Investig. y Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989 Volver a Índice

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19-4-2018Ciclo del Carbono en la Naturaleza
Fuente: Revista
“Investig. y Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989 Volver a Índice

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19-4-2018
Ciclo del
Carbono en la
Naturaleza
Fuente: Revista
“Investig. y
Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989
Volver a Índice

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19-4-2018Balance del Carbono en la Naturaleza
Fuente: Revista “Investig. y Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989
1018 g = 1GT
Volver a Índice

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El efecto de invernadero. Sesión 1: Seminario Cambio Climático

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