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

[Esta é unha tradución adaptada do artigo orixinal de 8 de xaneiro de 2016 El descubrimiento de las eras glaciales y el efecto invernadero (III), de Pedro J. Hernández, que pode lerse nesta ligazón.]

O artigo anterior dedicámosllo ao debate histórico sobre a pertinencia de empregar o quentamento producido nun invernadoiro como analoxía para o quecemento da atmosfera polos gases de efecto invernadoiro e sobre os erros conceptuais que este debate trasladou aos nosos días, moi a pesar de que o meteorólogo sueco Nils Ekholm xa publicara en 1901 unha explicación superficial do mecanismo correcto.

O experimento que retardaría a ciencia do cambio climático

Hoxe en día considérase coñecemento estándar o feito de que o CO2 absorbe radiación na parte infravermella do espectro electromagnético. Un experimento que amosa perfectamente esta absorción foi realizado para o programa Earth: The Climate Wars en BBC 2, onde puidemos ver o xeólogo escocés e coñecido presentador de televisión Iain Stewart mostrándonos a radiación infravermella dunha candea ao atravesar un tubo de vidro de 30 cm de lonxitude con e sen a presenza do CO2.

É un experimento curioso, si, pero pouco significativo desde o punto de vista climatolóxico. O interesante sería modificar a concentración do CO2 e observar o cambio producido na absorción infravermella.

Iso foi, precisamente, o que fixo en 1900 o señor J. Koch, asistente de laboratorio de Knut Johan Ångström (1857–1910, fillo de Anders Jonas Ångström, físico ben coñecido por lle pór o apelido á unidade de lonxitude) nun experimento semellante ao do vídeo anterior pero coa tecnoloxía de hai un século. Koch non observou cambio apreciable ningún na absorción de radiación infravermella ao diminuír a concentración de CO2 ata un terzo da cantidade inicial.

knut-640x495

Ångström fillo era realmente coidadoso coas medicións. Por exemplo, en 1896 viaxou ata un dos lugares máis elevados e cos ceos máis nítidos de Europa (o refuxio de Altavista do volcán Teide, na illa de Tenerife, a 3252 m de altitude) para medir a absorción do CO2 en condicións de baixa humidade. Porén, valorado desde a sempre inxusta perspectiva actual, podería solicitarlle a Herr Koch a repetición do experimento con lonxitudes de tubo variables entre uns 10 cm e 1 m, o que lle permitiría probablemente detectar a variación na absorción para diferentes percorridos de CO2. Secasí, non o fixo, e o seu resultado (ademais da observación, un par de anos antes, da superposición das bandas de absorción do vapor de auga, máis abundante na atmosfera, sobre as do CO2) convenceu a comunidade de xeólogos de que os cálculos de Arrhenius eran inútiles e a últimos da década xa eran considerados obsoletos polos máis deles.

Non soamente estaban a basear o seu xuízo nun resultado experimental incorrecto. Estaban a cometer un erro conceptual máis grave: pensar a atmosfera como unha soa capa do vidro dun invernadoiro e ignorar as ensinanzas de Nils Ekholm (ver o artigo anterior). Infortunadamente ese erro converteuse en opinión xeral durante décadas. Por exemplo, en 1920 o astrónomo estadounidense Charles Greeley Abbot (1872–1973) comentaba con relación a isto:

Cada un dos outros dous absorbentes [vapor de auga e dióxido de carbono] está confinado na súa rexión de absorción en intervalos do espectro relativamente estreitos, pero a banda de absorción do ozono, a uns 10 microns, ten lugar nunha rexión onde o vapor de auga case non absorbe nada, mentres a banda de absorción do dióxido de carbono, a uns 14 microns, está nunha rexión onde o vapor de auga é tamén fortemente absorbente. A proporción atmosférica do dióxido de carbono é sensiblemente constante, pero as do vapor de auga e do ozono son variables. Consecuentemente, se ben o vapor de auga é o máis importante dos tres, probablemente o ozono, mesmo sendo moito menos abundante na atmosfera e desde logo non máis potente ca o dióxido de carbono como absorbente para o espectro dun radiador perfecto, pode ser considerado o segundo en importancia debido a este peculiar estado de cousas.

Usos e abusos do resultado de Ångström

O argumento que expuxo parcialmente Charles Abbot coñécese actualmente como saturación na absorción atmosférica do infravermello. Aínda hoxe en día emprégase como suposta proba contraria á influencia do aumento da concentración do CO2 no quecemento da atmosfera e adoita presentarse coas dúas afirmacións seguintes:

  1. Engadir máis CO2 non ten efecto porque a atmosfera xa non pode absorber máis radiación infravermella.
  2. O efecto do vapor de auga é máis importante ca o do CO2.

Durante a década de 1930 algo comezou a cambiar, tanto desde o punto de vista teórico como experimental. En 1931 un descoñecido físico estadounidense (E. O. Hulburt) engadiu a convección atmosférica, que domina o transporte de enerxía nos dez primeiros quilómetros de altitude, demostrando que o relevante para o equilibrio radiativo do planeta sucede na parte alta da troposfera, onde a concentración do CO2 si que é determinante. Precisamente, nesta altitude, o enrarecemento da atmosfera fai que o espectro de absorción do CO2 apareza como liñas individuais, como amosaron medicións de laboratorio en 1932, polo que as bandas non se solapan e quedan «ocos» no espectro que permiten o paso da radiación. Dito doutro xeito, nin sequera hai saturación.

Unha sinxela explicación moderna do mesmo efecto podemos vela no vídeo seguinte, parte do mooc Denial101x da Universidade de Queensland (University of Queensland).

O debate cerrouse definitivamente en 1956 coas achegas do físico canadense Gilbert Norman Plass (1920–2004). Durante o curso académico precedente, gozaba dun ano sabático na Universidade Estatal de Míchigan (Michigan State University) onde dispuxo dun ordenador mainframe que aproveitou para comezar a facer cálculos detallados do transporte radiativo na atmosfera. Sen acabar a análise aceptou traballar en guiado infravermello de mísiles para unha empresa aeronáutica no sur de California, se ben seguiu traballando pola noite no problema do transporte radiativo. Plass era perfectamente consciente das obxeccións anteriores, ás cales respondía de xeito brillante nun artigo de divulgación de 1956:

Tense proposto unha obxección máis contra a teoría do dióxido de carbono: a atmosfera é completamente opaca no centro da banda do dióxido de carbono e, consecuentemente, non hai cambio ningún na absorción ao variar a cantidade de dióxido de carbono. Isto é totalmente certo para un intervalo espectral de arredor dun micron de largo a cada lado do centro da banda do dióxido de carbono. Porén, o argumento despreza os centos de liñas espectrais do dióxido de carbono que se atopan fóra deste intervalo de absorción completa. O cambio na absorción para unha determinada variación na cantidade de dióxido de carbono é meirande para un intervalo espectral que só é opaco parcialmente; a variación da temperatura na superficie da Terra está determinada polo cambio na absorción dos devanditos intervalos.

Con relación á segunda obxección engadía:

O feito de que o vapor de auga absorba, ata certo punto, no mesmo intervalo espectral ca o dióxido de carbono é a base da obxección máis común á teoría do dióxido de carbono. Consonte este argumento, a absorción do vapor de auga é tan grande que virtualmente non habería cambio ningún na radiación saínte se a concentración de dióxido de carbono cambiase. Secasí, esta conclusión baséase en tratamentos antigos e moi aproximados do complexo problema do cálculo do fluxo infravermello na atmosfera. Recentes cálculos máis precisos, que teñen en conta a estrutura detallada dos espectros destes dous gases, amosan que son relativamente independentes entre si canto á súa influencia na absorción infravermella. Hai dúas razóns principais para este resultado: (1) non hai correlación entre as frecuencias das liñas espectrais do dióxido de carbono e do vapor de auga e, polo tanto, as liñas non se superpón a miúdo debido ás posicións case coincidentes das liñas espectrais; (2) a concentración fraccionaria do vapor de auga cae moi rapidamente coa altitude, pero o dióxido de carbono está distribuído dun xeito case uniforme. Debido a este último feito, mesmo se a absorción do vapor de auga fose meirande ca a do dióxido de carbono nun determinado intervalo espectral na superficie da Terra, a unha curta distancia sobre o chan a absorción do dióxido de carbono xa sería considerablemente maior ca a do vapor de auga.

O nacemento do cambio climático antropoxénico

Gilbert Plass, investigando a últimos da década de 1940 a absorción infravermella do CO2 na atmosfera, interesouse no asunto da orixe das eras glaciais nunha revisión bibliográfica. Plass intercambiou impresións co enxeñeiro británico Guy Stewart Callendar (1898–1964), que, se ben era membro da Royal Meteorological Society e da British Glaciological Society, era considerado pola comunidade climatolóxica pouco máis ca un afeccionado. Así que ninguén tomou en serio dabondo o seu artigo de 1938 onde rescataba (e melloraba) a teoría de Arrhenius do CO2 como disparador das eras glaciais, amais de atribuírlle un quecemento de 0,5 °C ao CO2 industrial emitido desde primeiros de século ata aquela data. E porén tomárono moito máis en serio cando demostrou que a absorción de calor do CO2 na atmosfera era máis importante do que se cría entón, de tal xeito que, a partir da década de 1950, o aumento da temperatura por mor do CO2 antropoxénico foi coñecido como efecto Callendar.

callendar-plass

Aínda que o artigo de Arrhenius de 1896 adoita citarse como pioneiro na ciencia do cambio climático antropoxénico, o certo é que aquel traballo soamente tiña como obxectivo a explicación das eras glaciais. Non foi ata 1903 que Arrhenius publicou un libro de texto sobre «física cósmica» onde mencionaba por primeira vez as consecuencias das emisións industriais de CO2. En 1906 saíu á venda en sueco e en alemán unha versión reducida e actualizada que se traduciu ao inglés en 1908 co título Worlds in the making, a mesma obra na que popularizaba a hipótese da panspermia.

O ex-profesor e colega de Arrhenius, Arvid Högbom, foi o primeiro que estimou que a achega industrial á concentración atmosférica de CO2 era da mesma orde de magnitude ca a dos procesos xeoquímicos. Arrhenius estimaba, en Worlds in the making, que o consumo anual de carbón daquela época se elevaba a uns 900 millóns de toneladas, que significaban tan só unha contribución de 1/700 do CO2 xa presente na atmosfera. Estimou ademais que unha fracción de ata 5/6 das emisións absorbíana os océanos, polo que pasarían séculos antes de que fosen relevantes. Arrhenius continuaba:

O ácido carbónico no aire ten de aumentar a un ritmo constante sempre que o consumo de carbón, petróleo, etc. se manteña na súa cifra actual, e a un ritmo aínda máis rápido se o dito consumo segue aumentando como o fai agora.

[Por isto é pouco probable] que temamos, nas próximas eras xeolóxicas, a visita dun novo período de xeo que afaste os nosos países temperados dos climas máis cálidos de África.

Cos beneficios que aportaría isto no futuro, segundo Arrhenius:

Por mor da influencia da crecente porcentaxe de ácido carbónico na atmosfera, poderemos gozar períodos con mellores e máis ecuánimes climas, especialmente no que concirne as rexións máis frías da Terra, períodos nos cales a terra produza colleitas moito máis abondosas ca na actualidade, para o beneficio da rápida propagación da humanidade.

Dadas as xélidas temperaturas da rexión na que vivían estes homes de ciencia, non cómpre dicir que vían a posibilidade dunha elevación da temperatura como unha bendición de Thor. Mesmo Walther Nernst chegou a fantasiar con xeitos de aumentar as emisións para facer do glacial norte de Europa un lugar cun clima máis apracible.

E non podía faltar de novo o gran pioneiro Nils Ekholm, que no seu artigo de 1901 (publicado orixinalmente en sueco en 1899) xa mencionaba o control do clima mediante a produción e «consumo» de CO2 que, consonte o seu criterio, podería contrarrestar a deterioración do clima nórdico conforme fósemos meténdonos na próxima Idade de Xeo predita por James Croll.

Esta visión optimista do futuro cambiaría a medida que entrásemos na segunda metade do século. Nun artigo de 1939, Callendar advertía que a humanidade está a levar a cabo un grande experimento coa interferencia no ciclo do carbono, que o convertía irremediablemente nun axente do cambio climático. Afirmaba, correctamente, que os anos do período 1934–1938 foron os máis cálidos nos rexistros dos últimos 180 anos e Callendar remata o artigo relacionando o aumento da temperatura rexistrado desde primeiros de século (0,5 °C) coas emisións industriais de CO2.

O propio Gilbert Plass estimaba noutro artigo de 1956 que dobrar a concentración do CO2 na atmosfera suporía un aumento da temperatura de 3,6 °C e advertía que se trataba dun serio problema para as vindeiras xeracións.

Se, a últimos de século, as medicións amosan que o contido de dióxido de carbono da atmosfera se elevou de xeito apreciable e que a temperatura o fixo asemade arredor do mundo, establecerase definitivamente que o dióxido de carbono é un factor importante nas causas do cambio climático.

O problema do cambio climático foi introducíndose pouco a pouco na axenda pública da década de 1950. Proba disto é un artigo de 1956 na revista Time na cal entrevistaban o oceanógrafo Roger Revelle sobre os efectos da elevación de 2 ou 3 graos da temperatura. Revelle, xuntamente co seu colega Hans Suess, escribiría un artigo ao ano seguinte que se convertería nun clásico do efecto das actividades humanas sobre o clima. No dito artigo afirmaban que

Nuns poucos séculos, estamos a devolverlle á atmosfera e aos océanos o carbono orgánico concentrado e almacenado nas rochas sedimentarias durante centos de millóns de anos. Este experimento, de se documentar axeitadamente, pode proporcionarnos unha profunda comprensión dos procesos que determinan a meteoroloxía e o clima.

A mala nova chegaría un ano despois, en 1958, a unha audiencia máis ampla a través dun documental educativo dirixido polo mesmísimo Frank Capra.

Sería o químico Charles David Keeling (1928–2008) quen levaría a cabo finalmente medidas nalgunhas das atmosferas máis puras do planeta (a Antártida e Mauna Loa), demostrando en 1960 que o aumento do dióxido de carbono desde 1958, cando comezaran as medicións, se aliñaba perfectamente coas emisións antropoxénicas de CO2.

revelle-suess-keeling1-640x273

Cerramos deste xeito o círculo dunha historia de máis dun século na que grandes homes de ciencia desenvolveron os seus estudos interdisciplinarios guiados pola busca da orixe das eras glaciais, atopando no camiño que un dos axentes salientables do cambio climático era o CO2 das nosas emisións industriais que, probablemente, evitarán a chegada da vindeira Idade de Xeo… se ben a un prezo seica elevado de máis.


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

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