El descubrimiento de las eras glaciales y el efecto invernadero (II)

En la primera entrada de esta serie relatábamos la historia del descubrimiento de las eras glaciales y las primeras propuestas de los mecanismos disparadores y amplificadores del cambio climático necesario para el avance y el retroceso del hielo en ambos hemisferios. Nos quedábamos en el momento que Svante Arrhenius atribuía a Joseph Fourier la explicación de lo que hoy conocemos como efecto invernadero. En palabras de Arrhenius:

Fourier mantiene que la atmósfera actúa como el cristal de un invernadero, puesto que deja pasar los rayos solares pero impide el paso de los rayos oscuros del suelo.

Joseph Fourier y la búsqueda de una teoría universal de las temperaturas terrestres

Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) fue contemporáneo y amigo de Napoleón. Egiptólogo, administrador, matemático y científico que abarcó una gran cantidad de disciplinas, fue sin duda su mayor contribución a la ciencia el análisis de Fourier, ubicuo en la física e ingeniería de la actualidad y al que el mismísimo Lord Kelvin calificó de enorme poema matemático.

fourier

Casi todos los autores señalan a Fourier como el pionero en la descripción del efecto invernadero atmosférico en la década de 1820. El asunto de las temperaturas terrestres, sin embargo, ya estaba en el pensamiento de Fourier desde 1807, cuando escribió sobre el calentamiento desigual en las diferentes partes del globo. Pero en su obra magna de 1822 —La teoría analítica del calor—, menciona la palabra “invernadero” una sola vez refiriéndose a la instalación de jardinería, aunque en ningún momento en relación con las temperaturas planetarias.

Fourier no consideraba la luz solar como causa relevante en la temperatura de la superficie terrestre —aunque sí en sus variaciones geográficas— y estaba más interesado en el calor procedente del espacio como factor principal. En su ensayo de 1824 —Remarques Générales Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires— Fourier veía la atmósfera como un heliotermómetro de Saussure gigante interpuesto entre la superficie de la Tierra y un espacio exterior lleno de éter y calentado por las estrellas.

El científico suizo Horace Bénédict de Saussure (1740-1799) había construido un heliotermómetro —conocido más popularmente como caja caliente (hot-box)— durante la década de 1760 con la intención de medir el calentamiento producido por los rayos solares sin interferencias del movimiento del aire. El dispositivo consistía en una pequeña caja de madera cubierta de una lámina de corcho oscuro con una apertura por la que pasaba fácilmente la luz solar tras atravesar tres láminas de vidrio separadas por una capa de aire, calentando el interior donde se colocaba un termómetro.

Heliotermómetros (hot-box) Fuente: Solarcooking.org
Heliotermómetros (hot-box) Fuente: Solarcooking.org

La construcción del heliótermómetro estaba basada en una idea sugerida por el físico francés Edme Mariotte (1620-1684) en 1681 y basada en la observación de que la luz pasa fácilmente por el vidrio pero no así el calor procedente de otras fuentes —refiriéndose al calor radiante—. Fourier describiría el procedimiento aplicado a La Tierra de la siguiente manera:

Todos los efectos terrestres del calor solar son modificados por la interposición de la atmósfera y la presencia de agua. El enorme movimiento de estos fluidos provocan una distribución más uniforme. La transparencia de las aguas parece concurrir con la del aire en aumentar el grado de calor anteriormente adquirido, ya que el calor luminoso que fluye hacia dentro, penetra, con escasa dificultad, el interior de la materia, mientras que el calor no-luminoso encuentra mayor dificultad en encontrar el camino de salida en la dirección contraria.

Y sin embargo él mismo concluía:

Resulta difícil saber cuál es en último término la influencia de la atmósfera en la temperatura media del globo y en esta búsqueda no contamos más con la guía de una teoría matemática establecida.

Digamos que Fourier intuyó la idea básica, pero estuvo realmente lejos de entender el mecanismo que mostraría John Tyndall cuatro décadas más tarde.

La aparición del efecto invernadero en la literatura científica

Los canales marcianos no fueron el único gran error de Percival Lowell (1855-1916). En julio de 1907 escribía un artículo en Philosophical Magazine donde calculaba la temperatura terrestre considerando que el papel de la atmósfera se limitaba a reflejar parte de la luz solar incidente.

John Henry Poynting (1852-1914) no esperó al final del verano para elaborar una crítica pertinente a Lowell, aparecida en septiembre de ese mismo año y en la misma revista.

lowellpoynting

Poynting utiliza por primera vez la analogía del invernadero en la retención de calor de la atmósfera

El artículo del profesor Lowell en el número de julio de la Philosophical Magazine marca un avance importante en la evaluación de las temperaturas planetarias, en la medida en que tiene en cuenta el efecto de las atmósferas planetarias de una manera mucho más detallada que cualquier escritor anterior. Pero no presta casi ninguna atención al “efecto de cubierta”, o, como prefiero llamarlo, el “efecto invernadero” de la atmósfera.

Y define después los que entiende por dicho efecto. En sus propias palabras:

El “efecto invernadero” de la atmósfera quizá pueda entenderse más fácilmente si consideramos en primer lugar el caso de un invernadero con techo horizontal de superficie tan grande en comparación con su altura por encima del suelo que el efecto de los bordes pueda ser despreciado. Supongamos que se expone a un sol vertical, y que el suelo bajo el vidrio es “negro” o con total absorción. Despreciamos la conducción y la convección del aire en el invernadero.

Bajo esas condiciones, Poynting procede al cálculo de la transferencia de calor en ese “invernadero” idealizado que representa a la atmósfera. Pero Poynting cometía una doble equivocación y sus cálculos carecerían de alguna utilidad. Muy a su pesar, el meteorólogo sueco —y amigo de Arrhenius— Nils Gustaf Ekholm (1848 – 1923) había publicado en 1901 una explicación somera del mecanismo correcto, que aunque empieza haciendo una analogía con el papel del vidrio en un invernadero, pasa inmediatamente al concepto de equilibrio radiativo en lo alto de la atmósfera, la clave conceptual del históricamente mal denominado efecto invernadero. En sus propias y precisas palabras:

La atmósfera desempeña una parte muy importante de un doble carácter en cuanto a la temperatura de la superficie terrestre, de las cuales la primera fue apuntada por Fourier, mientras que la otra fue señalada por Tyndall. En primer lugar, la atmósfera puede actuar como el cristal de un invernadero, dejando pasar los rayos de luz del sol con relativa facilidad, y absorbiendo una gran parte de los rayos oscuros emitidos desde el suelo, y por tanto, aumentando la temperatura media de la superficie terrestre. En segundo lugar, la atmósfera actúa como acumulador de calor colocado entre el suelo relativamente caliente y el espacio frío, y por tanto disminuyendo en un grado elevado las variaciones anuales, diurnas, y locales de la temperatura.

Hay dos cualidades de la atmósfera que producen estos efectos. Una es que la temperatura de la atmósfera en general, disminuye con la altura sobre el suelo o el nivel del mar, debido en parte al calentamiento dinámico del descenso de las corrientes de aire y la refrigeración dinámica de las ascendentes, como se explica en la teoría mecánica del calor. La otra es que la atmósfera, absorbiendo sólo un poco de la insolación y la mayoría de la radiación del suelo, recibe una parte considerable de su almacén de calor de la tierra por medio de radiación, contacto, convección y conducción, mientras que la superficie de la tierra se calienta principalmente por la radiación directa del sol a la que el aire es transparente.

Se sigue de esto que la radiación de la tierra al espacio no se emite directamente desde el suelo, sino, en promedio, desde una capa de la atmósfera que tiene una altura considerable sobre el nivel del mar. La altura de esta capa depende de las propiedades térmicas de la atmósfera, y variará con esas propiedades. Cuanto mayor es el poder de absorción del aire para los rayos de calor emitidos desde el suelo, mayor será la altitud de dicha capa, pero cuanto más elevada esté la capa, menor será su temperatura relativa a la de la superficie; y como la radiación desde dicha capa hacia el espacio es menor cuanto más baja es su temperatura, se deduce que la superficie será más caliente cuanto más elevada esté la capa radiante.

NilsEkholm

Un viajero del tiempo procedente de 1901 nos está explicando en palabras sencillas cómo funciona el efecto de calentamiento de la atmósfera debido a la acumulación de gases de efecto invernadero. Invito al lector a releer sus palabras y a tratar de desterrar de su cabeza la analogía de la atmósfera con un invernadero que espero se haya convencido que no es la manera correcta de mirar este asunto.

Pero como ocurre con el resto de mortales, los científicos también tienden a ignorar la historia, por lo que el debate proseguiría…

La Belle Époque del efecto invernadero

Al año siguiente del intercambio entre Lowell y Poynting, el astrónomo norteamericano Frank Washington Very (1852-1927) publica una respuesta en un artículo en la misma revista —The Greenhouse Theory and Planetary Temperatures— que pudo ser el primero en llevar el término “Invernadero” en su título, refiriéndose al calentamiento de la atmósfera. Very hace la siguiente crítica al modelo idealizado de Poynting:

El método [de Poynting] no especifica si el calor se pierde por radiación o por algún proceso más tortuoso; y por lo tanto no sería preciso etiquetar el poder de retención de la atmósfera de “efecto invernadero” sin dar una interpretación algo más amplia a este nombre.

Very precisamente propone como “interpretación más amplia” colocar no uno, sino una serie de invernaderos apilados como modelo de la atmósfera, en lo que denominaríamos actualmente un modelo multicapa de la atmósfera.

verywood

En el calor del debate, intervino en 1909 el físico norteamericano Robert Williams Wood (1868-1955) —conocido por su refutación de la existencia de los rayos N— con una breve anotación, de nuevo en la Philosophical Magazine, donde describe su experimento con dos invernaderos en miniatura idénticos salvo por el hecho de que en uno utiliza un cristal de sal gema (transparente al infrarrojo) para dejar pasar la luz y en el otro el clásico vidrio opaco aparte del espectro infrarrojo. No observando apenas diferencias de calentamiento, concluye correctamente que en un invernadero es la convección del aire procedente del suelo que no encuentra vía de escape la que distribuye el calor.

Explicación de la retención de calor en un invernadero. Advertencia: no aplicar a la atmósfera.
Explicación de la retención de calor en un invernadero. Advertencia: no aplicar a la atmósfera.

Hasta ahí Wood está acertado, pero comete el imperdonable error de utilizar la analogía literalmente con la atmósfera terrestre, ajeno, de nuevo, a la explicación correcta de Nils Ekholm.

No deja de ser irónico que todavía haya gente que trata de desacreditar el calentamiento de la atmósfera por los —ahora sabemos que mal denominados— GEI (Gases de Efecto Invernadero) en base a esta interpretación errónea de Wood, ignorando no sólo el sentido del debate Lowell-Poynting que trataba de entender las limitaciones de la analogía, sino obviando la existencia de la explicación correcta ¡desde hace más de un siglo!

Apenas año antes de la explicación de de Ekhom, se llevaba a cabo el famoso experimento de Knut Ångström que parecía demostrar la saturación del CO2 a la absorción del infrarrojo y que retrasaría nuestra comprensión del efecto de los GEI en la atmósfera durante varias décadas más. No sólo fue un experimento poco cuidadoso desde la perspectiva actual que produjo resultados erróneos sino que, aún si la medición se hubiese correspondido con la realidad, fue objeto de interpretaciones inadecuadas que olvidaban las enseñanzas de Ekholm.

El experimento de Ångström de 1900 será el siguiente giro de una historia que podía haberse resuelto ese mismo año, puesto que Ekholm ya había incluso adelantado la influencia de las emisiones industriales en el clima. Pero eso lo dejaremos para la última entrada de esta serie.

Referencias

Archer, D. & Pierrehumbert, R., 2010 The Warming Papers: The Scientific Foundation for the Climate Change Forecast

Connolley, W.M. 2011 R. W. Wood: Note on the Theory of the Greenhouse Stoat. Science Blogs.

Easterbrook, S. 2015 Who first coined the term “Greenhouse Effect”? Serendipity

Fleming, J. R., 1998 Historical Perspectives on Climate Change. Oxford University Press

Fleming, J. R. (1999). Joseph Fourier, the “greenhouse effect”, and the quest for a universal theory of terrestrial temperatures. Endeavour, 23(2), 72–75.

Fleming, J. R., 2008 Climate Change and Anthropogenic Greenhouse Warming: A Selection of Key Articles, 1824-1995, with Interpretive Essays

Weart, Spencer R., 2003-2014. The Discovery of Global Warming. American Institute of Physics.


2 Comentarios

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GuillermoGuillermo

Hay cosas que creemos que sabemos pero no sabemos. Esta era para mi una de ellas. Gracias

quidproquoquidproquo

toy enganchao. Ya estás tardando. Necesario, interesante…solo le falta el sabor a chocolate
Gracias

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