A descuberta das eras glaciais e o efecto invernadoiro (II)

[Esta é unha tradución adaptada do artigo orixinal de 4 de xaneiro de 2016 El descubrimiento de las eras glaciales y el efecto invernadero, de Pedro J. Hernández, que pode lerse nesta ligazón.]

Na primeira entrada desta serie relatabamos a historia da descuberta das eras glaciais e as primeiras propostas dos mecanismos disparadores e amplificadores do cambio climático necesario para o avance e o retroceso do xeo en ambos os hemisferios. Quedabamos no momento no que Svante Arrhenius lle atribuía a Joseph Fourier a explicación daquilo que coñecemos hoxe como efecto invernadoiro. Consonte as palabras de Arrhenius:

Fourier sostiña que a atmosfera actúa coma o vidro dun invernadoiro, porque deixa pasar os raios de luz solar pero retén os raios escuros do chan.

Joseph Fourier e a busca dunha teoría universal das temperaturas terrestres

Jean Baptiste Joseph Fourier (1768–1830) foi contemporáneo e amigo de Napoleón. Exiptólogo, administrador, matemático e científico que abrangueu unha gran cantidade de disciplinas, a súa meirande contribución á ciencia foi, sen dúbida, a análise de Fourier, ubicua na física e na enxeñaría da actualidade e a que o mesmo lord Kelvin cualificou de enorme poema matemático.

FOURIER

Case todos os autores sinalan a Fourier como o pioneiro na descrición do efecto invernadoiro atmosférico na década de 1820. O asunto das temperaturas terrestres, porén, xa estaba no pensamento de Fourier desde 1807, cando escribiu sobre o quecemento desigual nas diferentes partes do globo. Pero, na súa obra magna de 1822 (A teoría analítica da calor), menciona a palabra «invernadoiro» unha soa vez referíndose á instalación de xardinaxe, en ningún momento relacionándoo coas temperaturas planetarias.

Fourier non consideraba a luz solar como causa relevante na temperatura da superficie terrestre (se ben si nas súas variacións xeográficas) e estaba máis interesado na calor procedente do espazo como factor principal. No seu ensaio de 1824 Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires, Fourier vía a atmosfera coma un heliotermómetro de Saussure xigante interposto entre a superficie da Terra e un espazo exterior cheo de éter e quentado polas estrelas.

O científico suízo Horace-Bénédict de Saussure (1740–1799) construíra un heliotermómetro (coñecido máis popularmente como «caixa quente», hot box) durante a década de 1760, coa intención de medir o quecemento producido polos raios solares sen interferencia do movemento do aire. O dispositivo consistía nunha pequena caixa de madeira cuberta cunha lámina de cortiza escura cunha abertura pola que pasaba facilmente a luz solar, tras atravesar tres láminas de vidro separadas por unha capa de aire, quentando o interior onde se colocaba un termómetro.

Saussure e Langley
Heliotermómetros ou «hot boxes». [Fonte]
A construción do heliotermómetro baseábase nunha idea suxerida polo físico francés Edme Mariotte (1620–1684) en 1681 e baseada na observación de que a luz pasa facilmente polo vidro, pero non a calor procedente doutras fontes (referíndose á calor radiante). Fourier describiría o procedemento aplicado á Terra deste xeito:

Todos os efectos terrestres da calor do Sol están modificados pola interposición da atmosfera e pola presenza das augas. Os grandes movementos destes fluídos uniforman a súa distribución.

A transparencia das augas e a do aire semellan concorrer para aumentar o grao de calor adquirida, porque a calor luminosa afluente penetra dun xeito bastante fácil no interior da masa e a calor escura sae con máis dificultade seguindo a ruta oposta.

E, porén, el mesmo concluía:

É difícil saber ata que punto inflúe a atmosfera na temperatura media do globo, e neste exame xa non estamos guiados por unha teoría matemática establecida.

Digamos que Fourier intuíu a idea básica, pero estivo realmente lonxe de entender o mecanismo que amosaría John Tyndall catro décadas despois.

A aparición do efecto invernadoiro na literatura científica

As canles marcianas non foron o único grande erro de Percival Lowell (1855–1916). En xullo de 1907 escribía un artigo en Philosophical Magazine onde calculaba a temperatura terrestre considerando que o papel da atmosfera se limitaba a reflectir unha parte da luz solar incidente.

John Henry Poynting (1852–1914) non agardou a fin do verán para elaborar unha crítica pertinente a Lowell, aparecida en setembro daquel mesmo ano na mesma revista.

lowellpoynting-640x424

Poynting emprega por primeira vez a analoxía do invernadoiro na retención de calor da atmosfera:

O artigo do profesor Lowell no número de xullo de «Philosophical Magazine» supón un importante avance na avaliación das temperaturas planetarias, pois ten en conta o efecto das atmosferas planetarias dun xeito moito máis detallado ca calquera outro autor. Pero case non pon atención ningunha no «efecto de cuberta» ou, como eu prefiro chamalo, o «efecto invernadoiro» da atmosfera.

Despois define o que el entende polo dito efecto. Nas súas propias palabras:

Seica o «efecto invernadoiro» da atmosfera se entenderá máis facilmente se consideramos primeiro o caso dun invernadoiro cun teito horizontal tan extenso con relación á súa altura que o efecto dos bordos pode desprezarse. Supoñamos que se expón a un sol vertical e que o chan é negro, perfectamente absorbente. Desprezaremos a condución e a convección do aire no invernadoiro.

Nestas condicións, Poynting procede a calcular a transferencia de calor nese «invernadoiro» idealizado que representa a atmosfera. Pero Poynting cometía unha dobre equivocación e os seus cálculos carecerían de utilidade. Secasí, o meteorólogo sueco (e amigo de Arrhenius) Nils Gustaf Ekholm (1848–1923) xa publicara en 1901 unha explicación superficial do mecanismo axeitado que, se ben comeza facendo unha analoxía co papel do vidro nun invernadoiro, pasa decontado ao concepto de equilibrio radiativo no alto da atmosfera, a chave conceptual do historicamente mal denominado efecto invernadoiro. Nas súas propias e precisas palabras:

A atmosfera ten un papel moi importante de carácter duplo con relación á temperatura da superficie da Terra, un dos cales foi mencionado por Fourier e o outro por Tyndall. Primeiramente, a atmosfera pode actuar coma o vidro dun invernadoiro, deixando pasar os raios luminosos do Sol con relativa facilidade e absorbendo unha gran parte dos raios escuros emitidos desde o chan, elevando polo tanto a temperatura media da superficie da Terra. En segundo lugar, a atmosfera actúa como almacén de calor entre o chan relativamente quente e o frío espazo, amortecendo así as variacións locais, diurnas e anuais da atmosfera.

Hai dúas calidades da atmosfera que producen estes efectos. Unha delas é que a temperatura da atmosfera, en xeral, diminúe coa altura sobre o chan ou o nivel do mar, debido en parte ao quecemento dinámico das correntes de aire descendentes e ao arrefriamento dinámico das ascendentes, como explica a teoría mecánica da calor. A outra é que a atmosfera, que absorbe moi pouca insolación e a máis da radiación do chan, recibe unha parte considerable do seu almacén de calor desde o chan mediante radiación, contacto, convección e condución, mentres a superficie da Terra quece principalmente por radiación directa do Sol a través do aire transparente.

Pode deducirse disto que a radiación desde a Terra ao espazo non se produce directamente desde o chan, senón, de media, desde unha capa da atmosfera a unha altura considerable sobre o nivel do mar. A altura desa capa depende da calidade térmica da atmosfera e variará coa dita calidade. Canto meirande sexa o poder absorbente do aire para os raios de calor emitidos desde o chan, máis alta estará esa capa. Pero canto más alta estea a capa, menor será a súa temperatura con relación á do chan e, como a radiación da capa ao espazo é menor canto menor é a súa temperatura, dedúcese que o chan estará máis quente canto máis alta sexa a capa radiante.

nilsekholm-640x455

Un viaxeiro no tempo procedente de 1901 estanos a explicar, con palabras sinxelas, como funciona o efecto de quecemento da atmosfera debido á acumulación de gases de efecto invernadoiro. Convido o lector a reler as súas palabras e a tentar desterrar da súa cabeza a analoxía da atmosfera cun invernadoiro, que non é o xeito correcto de mirar este asunto.

Pero, como ocorre co resto dos mortais, os científicos tamén tenden a ignorar a historia, polo que o debate proseguiría…

A «Belle Époque» do efecto invernadoiro

Un ano despois do intercambio entre Lowell e Poynting, o astrónomo estadounidense Frank Washington Very (1852–1927) publicou unha resposta nun artigo na mesma revista (The Greenhouse Theory and Planetary Temperatures) que talvez foi o primeiro que levou o termo «invernadoiro» no seu título referíndose ao quecemento da atmosfera. Very fai a crítica seguinte ao modelo idealizado de Poynting:

O método [de Poynting] non especifica se a calor se perde mediante radiación ou por algún proceso máis tortuoso; consecuentemente, non sería exacto etiquetar o poder de retención da atmosfera como «efecto invernadoiro» sen dar unha interpretación máis ampla a este nome.

Precisamente, Very propón como «interpretación máis ampla» colocar non un, senón unha serie de invernadoiros amoreados como modelo da atmosfera, no que denominariamos actualmente un modelo multicapa da atmosfera.

verywood-640x476

No medio do debate, en 1909 interveu o físico estadounidense Robert Williams Wood (1868–1955, coñecido polo seu rebatemento da existencia dos raios n) cunha breve anotación, de novo en Philosophical Magazine, onde describe o seu experimento con dous invernadoiros en miniatura idénticos, fóra o feito de que empregaba, nun deles, un cristal de sal xema (transparente ao infravermello) e, no outro, o típico vidro opaco a unha parte do espectro infravermello. Ao non observar apenas diferenzas no quecemento, conclúe correctamente que, nun invernadoiro, é a convección do aire procedente do chan a que distribúe a calor ao non atopar unha vía de escape.

Invernadoiro
Explicación da retención de calor nun invernadoiro. Advertencia: non aplicar á atmosfera.

Ata aí, Wood está acertado, pero comete o erro imperdoable de empregar a analoxía directamente coa atmosfera terrestre, alleo de novo á explicación correcta de Ekholm.

Non deixa de ser irónico que aínda haxa xente que tenta desacreditar o quecemento da atmosfera polos (agora sabemos que mal denominados) gases de efecto invernadoiro (gei) baseándose nesta interpretación errónea de Wood, ignorando non só o debate Lowell–Poynting que trataba de entender as limitacións da analoxía, senón obviando a existencia da explicación correcta… desde hai máis dun século!

Escasamente un ano antes da explicación de Ekholm, levouse a cabo o famoso experimento de Knut Ångström que semellaba demostrar a saturación do CO2 á absorción do infravermello e que atrasaría varias décadas máis a nosa comprensión do efecto dos gei na atmosfera. Non soamente foi un experimento moi pouco coidadoso, desde a perspectiva actual, que produciu resultados erróneos, senón que, mesmo se a medición se correspondese coa realidade, someteuse a interpretacións desaxeitadas que esquecían as ensinanzas de Ekholm.

O experimento de Ångström de 1900 será o seguinte xiro dunha historia que podería estar resolta aquel mesmo ano, pois mesmo Ekholm xa adiantara a influencia das emisións industriais no clima. Pero iso deixarémolo para o derradeiro artigo desta serie.


Sobre o autor: Pedro J. Hernández (@ecosdelfuturo) é físico e profesor de ensino secundario. Edita, desde 2006, o blog Ecos del futuro e tamén colabora con Naukas.

Advertisements

One thought on “A descuberta das eras glaciais e o efecto invernadoiro (II)

Deixar unha resposta

introduce os teu datos ou preme nunha das iconas:

Logotipo de WordPress.com

Estás a comentar desde a túa conta de WordPress.com. Sair / Cambiar )

Twitter picture

Estás a comentar desde a túa conta de Twitter. Sair / Cambiar )

Facebook photo

Estás a comentar desde a túa conta de Facebook. Sair / Cambiar )

Google+ photo

Estás a comentar desde a túa conta de Google+. Sair / Cambiar )

Conectando a %s