Evaluación de la Contaminación Ambiental Tema 3.- Procesos físicos y químicos en la atmósfera

1. Evaluación de la Contaminación AmbientalTema 3.- Procesos físicos y químicos en la atmósfera Parte III El balance de radiación de la Tierra y el efecto invernadero

2. La temperatura de la superficie de la Tierra es una consecuencia del balance de radiación • En la atmósfera de la Tierra, el vapor de agua (0 - 2%), el CO2 y otros gases absorben una cierta parte de la radiación térmica que emite la superficie de la Tierra y a su vez emiten radiación hacia la Tierra y el espacio • Estos gases capaces de absorber la radiación de onda larga procedente de la superficie del suelo, calentando la atmósfera - efecto de manta conocido como efecto invernadero natural -son conocidos con el nombre de gases de efecto invernadero (GEI) • Sin los GEI la temperatura media de la tierra ≈-20 ºC • Las emisiones antropogénicas de GEI incrementan este efecto natural y necesario y producen un calentamiento adicional de la Tierra • Es el efecto invernadero adicional causado por los humanos lo que es peligroso • Debido a cambios en la composición de la atmósfera, la cantidad de radiación que alcanza la Tierra varía • Esta radiación calienta la superficie que, a su vez, envía una parte de nuevo al espacio • Recordemos que la radiación que emite el sol es visible y UV principalmente, mientras que la Tierra emite radiación infrarroja o radiación de onda larga

3. ¿Qué ocurre cuando la radiación atraviesa la atmósfera?Radiación solar (amarillo) ; Infrarroja terrestre (rojo) • Términos del balance de radiación: • La radiación solar es la fuente de energía que recibe la Tierra desde el espacio • Parte de la radiación alcanza la superficie de la Tierra y es absorbida por sus distintos componentes: océanos, bosques, suelos y agua • La superficie de la Tierra devuelve directamente una parte (reflexión) de la radiación solar que le llega - Las superficies muy brillantes, como el hielo y la nieve, son particularmente reflectantes • La parte superior de las nubes ó los aerosoles que hay en la atmósfera reflejan parte de la radiación solar incidente • También el resto de componentes del aire absorben radiación • La parte de radiación que alcanza la superficie de la Tierra la calienta y la Tierra la devuelve en forma de radiación infrarroja

4. Veamos ahora qué ocurre con esta radiación infrarroja (IR) • La superficie de la Tierra calentada por el Sol es, a su vez, una fuente de radiación (IR- onda larga) • Una parte de esta energía se utiliza para la evaporación del agua • Otra parte es devuelta directamente al espacio • Las nubesabsorben y reemiten radiación IR hacia la Tierra (un día nublado mantiene la Tierra más caliente) • Finalmente hay partículas y gases en el aire - (GEI) - que absorben radiación IR y mantienen la capa de la atmósfera cercana al suelo caliente

5. = 19 51 = • El balance de radiación de la Tierra y el efecto invernadero • De cada 100 unidades de energía que llegan a la parte superior de la atmósfera, 51 son absorbidas por la tierra, 19 por la atmósfera y 30 reflejadas nuevamente al espacio • Las 70 unidades que absorbe el sistema Tierra-atmósfera (51 + 19 unidades) son irradiadas nuevamente al espacio como radiación de onda larga

6. La absorción de los gases de efecto invernadero • Los GEI no absorben todas las l y una pequeña parte de energía se emite directamente como radiación de onda larga desde la superficie de la Tierra al espacio • Hay algunos huecos en el espectro de absorción superpuesto del agua (absorbe ≈ 60%), CO2, CH4, N2O, O3 y otros GEI • Los huecos más importantes en la absorción del agua y el CO2 son lo que se llama la ventana atmosférica El vapor de agua es el GEI más importante seguido del CO2 y el CH4 Las concentraciones de CO2 y CH4 son mucho menores que la del agua, pero cierran parcialmente la pequeña ventana atmosférica por donde una parte de la radiación puede abandonar la atmósfera, absorbiendo esta radiación

7. Concentraciones de CO2, CH4 y N2O en la atmósfera durante los últimos 10.000 años (gráficas grandes) y desde 1750(gráficas interiores) Las medidas proceden de núcleos de hielo(símbolos de diferente color para cada estudio) y de muestras de la atmósfera(líneas en rojo) Referencia: IPCC 2007

8. Cada GEI tiene diferente capacidad para absorber el calor en la atmósfera • Se utiliza el concepto de “Potencial de Calentamiento Global” - GWP (global warming potential) - de un GEI para comparar su capacidad para atrapar el calor en la atmósfera relativa a otro gas de referencia (CO2) • La definición de GWP para un GEI en particular es la relación entre el calor absorbido por la unidad de masa del GEI y la de la unidad de masa de CO2 en un tiempo determinado que suele ser 100 años

9. Principales GEI Referencia: informe IPCC 2001 Rice paddies = arrozales; Waste dumps = vertederos; Livestock = ganaderia; Foams = espumas * GWP para un horizonte de 100 años; ** Incluye efectos indirectos de la producción de ozono troposférico y vapor de agua estratosférico; *** No se puede definir tiempo de vida para el CO2 por las diferentes velocidades de eliminación de diferentes procesos sumideros; **** Potencial de calentamiento global neto (incluyendo el efecto indirecto debido a la destrucción del ozono)

10. Forzamiento Radiativo Se denomina forzamiento radiativo (FR) a la perturbación del balance radiativo de la atmósfera terrestre entre la radiación solar incidente y la radiación infrarroja saliente, que se traduce en un cambio en la irradiancia neta en la tropopausa (a unos 12 km sobre el nivel del mar) como resultado de cambios internos en la composición de la atmósfera (ej., cambios en la concentración de un GEI) ó cambios en el aporte externo de radiación emitida por el sol y es expresado en W m-2 Un FR positivo contribuye a calentar la superficie de la Tierra, mientras que uno negativo favorece su enfriamiento

11. Irradiancia solar Albedo superficie Agua estratosférica Ozono Halocarbonos N2O CH4 Albedo Nubes CO2 Aerosoles (Directo) 0.50 Albedo superficie Ozono estratosf. FR positivo→Efecto de calentamiento El más importante (el que más contribuye al calentamiento del planeta) es el del CO2 (+1.66 W m-2), seguido por el del CH4 (+0.5 W m-2) relativo a la era pre-industrial Con una contribución menor, pero también favorable al calentamiento, están el N2O, los halocarbonos, el O3trop, el vapor de agua estrat, el albedo de la superficie ("albedo“ % de radiación reflejada) y la irradiancia solar FR negativo→Efecto de enfriamiento Nubes, aerosoles, O3 estrat., albedo superficie IPCC  estos elementos no compensan el calentamiento que producen los otros

12. Forzamientos radiativos (FR) en 2005 relativos al comienzo de la era industrial (~ 1750) El único incremento significativo del FR debido a causas naturales en (1750- 2005) se debe a la irradiancia solar Importante nivel de incertidumbre de las valoracines (NCCE) FR +→ calentamiento del clima→+ importantes CO2 (+1.66 W m-2) y CH4 (+0.5 W m-2) Después el N2O, los halocarbonos, el O3trop, el vapor de agua estrat, el albedo de la superficie ("albedo“ % de radiación reflejada) y la irradiancia solar FR -→Efecto de enfriamiento - Nubes, aerosoles, O3 estrat., albedo superficie (usos del suelo)

13. Efecto del aumento de la concentracion de aerosoles • Los aerosoles pueden influir sobre el clima de varias maneras: • - Efecto directo: pueden absorber radiación en forma directa • - Efecto indirecto: pueden aumentar la dispersión de la radiación solar incidente (haciendo crecer la proporción de la radiación solar que nos llega que se dispersa hacia el espacio exterior) • El impacto de los aerosoles sobre el clima es aún bastante incierto, pero en general un aumento de su concentración en la atmósfera corresponde a un forzamiento radiativo negativo, es decir, tiende a disminuir la temperatura del planeta a nivel de superficie, como resultado de un aumento de la dispersión de la radiación solar • Hay tanta incertidumbre en las dimensiones de los factores de enfriamiento que en el caso más extremo podríamos asumir que en el cambio global pesan más sus efectos que los de calentamiento

14. Uno de los aerosoles cuyo efecto sobre el clima ha sido estudiado con cierto detalle son los sulfatos, que se forman a partir de emisiones de dióxido de azufre (SO2) con un forzamiento radiativo negativo del orden de -0.3 W m-2comparable al forzamiento radiativo de signo opuesto del ozono troposférico • Existen otros aerosoles que tienen un impacto opuesto al de los gases de efecto invernadero, aunque de una intensidad menor que los sulfatos: los que provienen de la quema de biomasa (incendio de bosques y quema de leña) • Aunque existe un bajo nivel de conocimiento acerca de los efectos indirectos de los aerosoles se estima que el aumento de su concentración en la atmósfera representa un forzamiento radiativo negativo de una magnitud que puede ser comparable, pero de signo opuesto, al producido por el aumento del CO2y del CH4

15. El efecto radiativo de los aerosoles no es fácil de medir, especialm sobre los continentes • Heterogeneidad regional de la concentración de aerosoles es muy grande, al igual que su variabilidad→difícil determinar una media global • Estudio reciente con datos de satélite (océano, días claros)  entre –3.8 y –6.0 W m-2 con un forzamiento directo atribuible a los aerosoles antrópicos ≈ –1.4 W m-2(Kaufman, 2005) con valores diferentes según el hemisferio ≈-2.3 y -0.8 W m-2 en el HN y HS (Christopher, 2006) • Debido al efecto de aumento de nubosidad que provocan los aerosoles, la radiación solar recibida en superficie puede disminuir ≈ 5 W m-2 >> el incremento radiativo debido al aumento de GEI (2.4 W m-2) (Breon, 2006) • Otros estudios indican un FR global directo de –1.6 W m-2 e indirecto (por el aumento de nubosidad) de –1.4 W m-2(Matsui, 2006) • IPCC 2007 Efecto directo ≈ -0.5 W m-2 • Efecto indirecto ≈ -0.7 W m-2

16. Los efectos enfriadores de los aerosoles vienen limitados por el tiempo que pueden permanecer en la atmósfera La vida media de los compuestos de azufre es de aproximadamente una semana, mientras que los principales GEI pueden permanecer décadas Por lo tanto, las medidas de control para reducir las emisiones de los compuestos se azufre se plasmarían en una rápida reducción de las concentraciones de aerosoles, mientras que la reducción, por ejemplo, de emisiones de CO2 sólo produciría cambios lentos en sus concentraciones atmosféricas Los volcanes, son una fuente natural, aunque aleatoria, de aerosoles La erupción del volcán Pinatubo en Filipinas en 1991, causó un importante enfriamiento de la Tierra, pero este efecto se vio anulado en 1993 y 1994 a medida que los aerosoles cayeron de la atmósfera

17. Cambios observados: Temperatura, nivel del mar y cubierta de nieve Hemisferio Norte el promedio mundial de la temperatura en superficie el promedio mundial del nivel del mar según datos mareográficos (azul) y de satelites (rojo) la cubierta de nieve del HN en el período marzo-abril Las diferencias han sido obtenidas respecto de los promedios correspondientes al período 1961-1990 Las curvas contínuas representan promedios decenales, mientras que los círculos denotan valores anuales Las áreas sombreadas representan los intervalos de incertidumbre

18. Cambios observados Cambio en las precipitaciones medias anuales: periodos 1976 - 2003 menos 1948 - 1975 (mm/día)Azul/verde (rojo/amarillo)  un descenso (aumento) de la cantidad anual de lluvia monzónicaLas áreas grises indican falta de valores (océanos) o áreas sin cambios anuales significativos

19. Cambios en la Temperatura DT = (0.6 ± 0.2) °C durante el siglo XX como promedio global a nivel de superficie aunque el aumento no ha sido regular Crecimiento entre principios del siglo y 1940 Leve descenso entre 1940 - 1970 (II guerra mundial y postguerra) Décadas de 1980 y 1990 la temperatura volvió a subir con una tasa similar a la registrada a principios de siglo Referencia: informe IPCC

20. Cambio Climático: Temperatura Referencia: informe IPCC 2007

21. Cambio Climático: Subida del nivel del mar El actual período interglaciar comenzó hace unos 14000 años cuando el nivel del agua era de unos 75 a 100 m menor al nivel actual El nivel del mar aumentó rápidamente (más de 1 m por siglo) a medida que se derritieron grandes cantidades de hielo y nieve Actualmente la tasa de aumento del nivel del mar se estima en 15-17cm/siglo y parece aumentar a medida que aumenta la tasa de calentamiento global (IPCC) aunque hay muchas incertidumbres Un incremento acelerado en el nivel del mar inundaría a las tierras altas y bajas de la costa afectando a sus edificaciones, aumentaría la tasa de erosión de la línea costera y aumentaría la salinidad de los ríos y acuíferos

22. Cambio Climático: Subida del nivel del mar Frente a un calentamiento global, hay dos factores que contribuirán al aumento del nivel del mar Primero: si la T global aumenta, los océanos absorberán ese calor y se dilatarán (expans térm) →aumento del nivel del mar Segundo: el DT hará que se derritan el hielo y los campos helados→aumentará la cantidad de agua de los océanos Atención→ El derretimiento de hielo flotante no produce aumento del nivel del mar, solo el derretimiento de hielo y nieve sobre la superficieterrestre aumentará el nivel del mar Geoide terrestre GRACE: estudio del campo gravitatorio terrestre utilizando medidas de satélites (NASA, 2002) → obtención del más detallado modelo gravitatorio calculado hasta ahora La determinación del geoide terrestre permitirá la unificación mundial de los sistemas de altura,de modo que se pueda comparar los cambios del nivel del mar en el Mediterráneo y en el mar del Norte

23. Cambio Climático: Subida del nivel del mar Complejidad del análisis: existen otros factores que hacen complejo el cálculo de una tendencia media global (aparte del deshielo y de la expansión térmica del agua por calentamiento) Ej.: la reacción isostática de ajuste que comenzó tras la fusión de los últimos grandes mantos glaciares determina en muchas partes que el mar esté subiendo ó bajando Medidas costas del Báltico en su parte norte el mar está bajando más de 5 mm/año  La costa sueca del Báltico asciende para recuperarse, como por rebote, del hundimiento que le producía la masa de hielo glacial que tuvo anteriormente encima

24. Cambio Climático: Subida del nivel del mar Noticias  Cambio climático: un enorme iceberg se ha desgajado de la plataforma de Wilkins junto a la Península de la Antártida Final del invierno La plataforma de Wilkins ha sufrido un calentamiento, por razones de la circulación de vientos y corrientes Final del verano El conjunto de la Antártida no se ha calentado y el hielo marino ha seguido las pautas estacionales típicas(Reconocido en el informe IPCC 2007)

25. Cambio Climático: precipitaciones Las precipitaciones han aumentado en latitudes altas del HN, especialmente durante la estación fría Se ha producido un descenso de las mismas a partir de 1960 en las zonas tropicales y subtropicales desde África a Indonesia El promedio de precipitación sobre la superficie de la tierra aumentó desde principios de siglo hasta 1960 aproximadamente y ha disminuido a partir de 1980 Hay una gran falta de datos de precipitación sobre los océanos

26. Para cuando podamos conocer mas detalladamente los riesgos que comporta el calentamiento por efecto invernadero, es posible que hayan empezado a producirse complejos procesos de retroacción (feedback) ante los que estaremos inermes El debate sobre todo consiste en evaluar estos riesgos y las consecuencias de no emprender ninguna acción Interrelación de estos fenómenos y conclusiones En síntesis, la contaminación atmosférica, ya sea natural o inducida por la acción antropogénica, presenta sustancias que inciden en la destrucción de la capa de ozono, en las variaciones climáticas producidas por el efecto invernadero , en la acidificación de las precipitaciones y en la generación del smog Se pueden establecer las siguientes interrelaciones: • Los óxidos de nitrógeno que mediante reacciones fotoquímicas generan el smog, también son gases causantes del efecto invernadero y contribuyen a la destrucción del ozono, además de ser causantes de la "lluvia ácida" • Los óxidos de azufre inciden en la destrucción del ozono, son GEI, también son causantes de la "lluvia ácida" y aunque no son productores directos del smog sí han contribuido a agravar sus efectos • Los compuestos clorofluorocarbonados (CFC) destruyen el ozono y son GEI

27. El CO2no es parte integrante del smog, ni destruye la capa de ozono pero el aumento en su concentración es determinante en el efecto invernadero Su ciclo normal y benéfico está asociado con la presencia de suficiente vegetación sobre la tierra, capaz de lograr su fijación por medio de la fotosíntesis No obstante, la destrucción del escudo de ozono y el smog afectan a la vegetación y pueden traer como consecuencia el aumento del CO2 y del efecto invernadero El ozono en la estratosfera (14 a 50 km de altura) protege a la tierra de los rayos UV del sol, pero en la troposfera (menos de 14 km) es un GEI que forma el smog y contribuye al calentamiento global La formación del smog, el efecto invernadero, la destrucción de la capa de ozono y aún otros fenómenos causados por la contaminación atmosférica como la lluvia ácida tienen estrechas interrelaciones y por tanto la prevención y control de sus efectos debe considerar en forma integral todo el conjunto de fenómenos, sobre cuya magnitud y comportamientofuturo aunque no hay unanimidad en el mundo científico, sí se reconocen sus consecuencias que pueden llegar a ser desastrosas para la humanidad