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

Dedicamos la entrada anterior al debate histórico  en torno a la pertinencia de utilizar el calentamiento producido en un invernadero como analogía para el calentamiento de la atmósfera por gases de efecto invernadero  y a los errores conceptuales que este debate ha trasladado hasta nuestros días, muy a pesar de que el meteorólogo sueco  Nils Ekholm había publicado en 1901 una explicación somera del mecanismo correcto.

El experimento que retrasaría la ciencia del cambio climático

Actualmente se considera conocimiento estándar al hecho de que el CO2 absorbe radiación en la parte infrarroja del espectro electromagnético. Un experimento que muestra perfectamente esta absorción fue realizado para el programa Earth: The Climate Wars en BBC 2,  donde pudimos ver al geólogo escocés y conocido presentador de televisión Iain Stewart mostrándonos la radiación infrarroja de una vela atravesar un tubo de vidrio de 30 cm de longitud con y sin la presencia de CO2.

El experimento no deja de ser curioso, pero es poco significativo desde el punto de vista climatológico. Lo interesante hubiese sido modificar la concentración de CO2 y observar el cambio producido en la absorción infrarroja.

Eso fue  precisamente lo que hizo en 1900  Herr J. Koch, asistente de laboratorio de Knut Johan Ångström (1857-1910) —hijo de Anders Jonas Ångström, físico bien conocido por haber puesto el apellido a la unidad de longitud— en un experimento análogo al del vídeo anterior pero con tecnología de hace un siglo. Koch no observó ningún cambio apreciable en la absorción de radiación infrarroja al disminuir la concentración de CO2 hasta un tercio de la cantidad inicial.

 

knut

Ångström hijo era realmente cuidadoso con las mediciones. Por ejemplo, viajó en 1896 hasta uno de los enclaves más elevados y de cielos más nítidos de Europa —El refugio de Altavista del volcán Teide en la isla de Tenerife a 3252 m de altitud — para medir la absorción de CO2 en condiciones de baja humedad. Valorado desde la siempre injusta perspectiva actual, sin embargo,  podía haberle solicitado a Herr Koch la repetición del experimento con longitudes de tubo variable entre unos 10 cm y 1 m, lo que le hubiese permitido probablemente detectar la variación en absorción para diferentes recorridos de CO2. Sin embargo no lo hizo y su resultado —además de la observación realizada un par de años antes de la superposición de las bandas de absorción del vapor de agua, más abundante en la atmósfera, sobre las de CO2— convenció a la comunidad de geólogos que los cálculos de Arrenhius eran inútiles y a finales de la década ya eran considerados obsoletos por la gran mayoría de ellos.

No sólo estaban basando su juicio en un resultado experimental incorrecto. Estaban cometiendo un error conceptual más grave: pensar la atmósfera como una sola capa del vidrio de un invernadero e ignorar  las enseñanzas de Nils Ekholm (ver entrada anterior). Desgraciadamente ese error se convirtió en opinión general durante décadas. Por ejemplo, en 1920 el astrónomo norteamericano Charles Greeley Abbot (1872-1973) comentaba al respecto:

Los otros dos absorbentes [vapor de agua y dióxido de carbono] están cada uno confinados, en sus regiones de absorción, a intervalos relativamente estrechos del espectro, pero la banda de absorción de ozono, en unas 10 micras, se produce en una región donde el vapor de agua absorbe apenas nada mientras la banda de absorción de dióxido de carbono, en unas 14 micras, se produce en una región donde el vapor de agua es también fuertemente absorbente. La proporción de dióxido de carbono atmosférico es sensiblemente constante, mientras que el vapor de agua y el ozono son variables. En consecuencia, mientras que el vapor de agua es sin duda el más importante de los tres, probablemente el ozono, aunque mucho menos abundante en la atmósfera y ciertamente no más potente como un absorbente que el dióxido de carbono, sin embargo, tenga derecho a ser considerado como el segundo en importancia en razón de este peculiar estado de cosas.

Usos y abusos del resultado de Ångström

El argumento expuesto parcialmente por Charles Abbot se conoce actualmente como saturación en la absorción atmosférica del infrarrojo. Todavía hoy en día es utilizado como supuesta evidencia contraria a la influencia del aumento de la concentración CO2 en el calentamiento de la atmósfera y suele presentarse con las siguientes dos afirmaciones:

  1. Añadir más CO2 no tiene efecto porque la atmósfera ya no puede absorber más radiación infrarroja.
  2. El efecto del vapor de agua en más importante que el CO2.

Durante la década de 1930 algo empezó a cambiar, tanto desde el punto de vista teórico como experimental. En 1931 un desconocido físico estadounidense —E. O. Hulburt— añadió la convección atmosférica, que domina el transporte de energía en los diez primeros kilómetros de altitud, demostrando que lo relevante para el equilibrio radiativo del planeta sucede en la parte alta de la troposfera donde la concentración de CO2 sí que es determinante. Precisamente, a esas altitudes, el enrarecimiento de la atmósfera provoca que el espectro de absorción del CO2 se aparezca como líneas individuales, tal y como fue mostrado por mediciones de laboratorio en 1932, por lo que las bandas no se solapan y quedan “huecos” en el espectro que permiten el paso de la radiación. En otras palabras, ni siquiera hay saturación.

Una sencilla explicación moderna del mismo efecto podemos verla en el  siguiente vídeo, parte del MOOC Denial101x de la Universidad de Queensland

El debate se cerró definitivamente en 1956 con las aportaciones del físico canadiense Gilbert Norman Plass (1920-2004)  Durante el curso académico anterior, disfrutaba de un año sabático en la Universidad Estatal de Michigan donde dispuso de un ordenador mainframe que aprovechó para empezar a hacer cálculos detallados del transporte radiativo en la atmósfera. Sin acabar el análisis aceptó trabajar en guiado infrarrojo de misiles para una empresa aeronáutica en el sur de California, aunque continuó trabajando por la noche en el problema del transporte radiativo. Plass era perfectamente consciente de las objeciones anteriores, a las que respondía de manera brillanate en un artículo de divulgación de 1956:

Una objeción más se ha puesto a la teoría de dióxido de carbono: la atmósfera es completamente opaca en el centro de la banda de dióxido de carbono y por lo tanto no se produce cambio en la absorción a medida que la cantidad de dióxido de carbono varía. Esto es del todo cierto para un intervalo espectral aproximadamente de un micrómetro de ancho en cada lado de la banda central de dióxido de carbono. Sin embargo, el argumento deja de lado los cientos de líneas espectrales de dióxido de carbono que se encuentran fuera de este intervalo de absorción completa. El cambio en la absorción para una variación dada en la cantidad de dióxido de carbono es mayor para un intervalo espectral que es sólo parcialmente opaco; la variación de temperatura en la superficie de la Tierra está determinada por el cambio en la absorción de tales intervalos.

Respecto a la segunda objeción añadía:

El hecho de que el vapor de agua absorbe en cierta medida en el mismo intervalo espectral que el dióxido de carbono es la base para la objeción habitual a la teoría de dióxido de carbono. De acuerdo con este argumento la absorción del vapor de agua es tan grande que no habría prácticamente ningún cambio en la radiación saliente si cambiase la concentración de dióxido de carbono. Sin embargo, esta conclusión se basó en primeras aproximaciones al problema enormemente complejo del cálculo del flujo de infrarrojos en la atmósfera. Cálculos recientes y más precisos que consideran la estructura detallada de los espectros de estos dos gases, muestran que son relativamente independientes entre sí en su influencia sobre la absorción de infrarrojos. Hay dos razones principales para este resultado: (1) no existe una correlación entre las frecuencias de las líneas espectrales de dióxido de carbono y vapor de agua, por lo que muy pocas veces se produce superposición debido a posiciones casi coincidentes de las líneas espectrales; (2) la concentración fraccional de vapor de agua cae muy rápidamente con la altura, mientras que el dióxido de carbono se distribuye casi de manera uniforme. A causa de este último hecho, incluso si la absorción de vapor de agua fuese mayor que la de dióxido de carbono en un cierto intervalo espectral en la superficie de la Tierra, a tan sólo una pequeña distancia por encima del suelo la absorción de dióxido de carbono sería considerablemente mayor que el de el vapor de agua.

El nacimiento del cambio climático antropogénico

Gilbert Plass, investigando a finales de los cuarenta la absorción infrarroja del CO2 en la atmósfera, se interesó en el asunto del origen de las eras glaciales en una revisión bibliográfica. Plass intercambió impresiones con el ingeniero británico Guy Stewart Callendar (1898-1964) que, aunque miembro de la Royal Meteorological Society y la British Glaciological Society, era considerado en la comunidad climatológica poco menos que un aficionado. Así que nadie tomó suficientemente en serio su artículo de 1938 donde rescataba (y mejoraba) la teoría de Arrhenius del CO2 como disparador de las eras glaciales, además de atribuir un calentamiento de 0,5ºC al CO2 industrial emitido desde principios de siglo hasta la fecha. Y sin embargo, fue tomado mucho más en serio cuando demostró que la absorción de calor del CO2 en la atmósfera era más importante de los que se creía hasta entonces, de tal manera que a partir de los cincuenta el aumento de temperatura debido al CO2 antropogénico fue conocido como efecto Callendar.

callendar-plass

Aunque el artículo de Arrhenius de 1896 suela citarse como pionero en la ciencia del cambio climático antropogénico, lo cierto es que aquél trabajo sólo tenía como objetivo la explicación de las eras glaciales. No fue hasta 1903 que Arrhenius publicaría un libro de texto sobre “física cósmica” donde mencionaba por primera vez las consecuencias de las emisiones industriales de CO2. En 1906 saldría a la venta en sueco y en alemán una versión reducida y actualizada que fue traducida al inglés en 1908 con el título Worlds in the making, la misma obra donde popularizaba la hipótesis de la panspermia.

El ex-profesor  y colega de Arrhenius Arvid Högbom fue el primero en estimar que la contribución industrial a la concentración atmosférica de CO2 era del mismo orden de magnitud que la de los procesos geoquímicos. Arrhenius estimaba en Worlds in the making que el consumo anual de carbón de la época se elevaba a unos 900 millones de toneladas, lo que significaban tan solo una contribución de 1/700 del CO2 ya presente en la atmósfera. Estimó además que una fracción tan alta como ⅚ de las emisiones eran absorbidas por los océanos, por lo que pasarían siglos antes de que fuesen relevantes. Arrhenius continuaba:

“El ácido carbónico en el aire tiene que aumentar a un ritmo constante siempre que el consumo de carbón, petróleo, etc., se mantenga en su cifra actual, y a un ritmo aún más rápido si dicho consumo sigue aumentando como lo hace ahora “.

[Por esa razón era poco probable] que temamos en las próximas eras geológicas la visita de un nuevo período de hielo que aleje a nuestros países templados de los climas más cálidos de África.”

Con los beneficios que eso aportaría en el futuro, según el propio Arrhenius:

Debido a la influencia del creciente porcentaje de ácido carbónico en la atmósfera, podremos disfrutar de periodos con más ecuánimes y mejores climas, especialmente en lo que se refiere a las regiones más frías de la tierra, periodos en los que la tierra produzca cosechas mucho más abundantes que en la actualidad, para el beneficio de la rápida propagación de la humanidad.

Dadas las gélidas temperaturas de la región en la que vivían estos hombres de ciencia, no hace falta decir que veían la posibilidad de una elevación de la temperatura como una bendición de Thor. Incluso Walther Nernst llegó a fantasear con maneras de aumentar las emisiones para hacer del gélido norte de Europa un lugar de clima más apacible.

Y no podía faltar de nuevo el gran pionero Nils Ekholm, que en su artículo de 1901 —previamente publicado en sueco en 1899— ya mencionaba el control del clima mediante la producción y “consumo” de CO2 que, según su criterio,  podría contrarrestar el deterioro del clima nórdico a medida que nos fuésemos adentrando en la próxima Edad de Hielo predicha por James Croll.

Esa visión optimista del futuro  cambiaría a medida que entrábamos en la segunda mitad del siglo. En un artículo de 1939, Callendar advertía que la humanidad está llevando a cabo un gran experimento con la interferencia en el ciclo del carbono y que la convertía irremediablemente en un agente del cambio climático. Afirmaba, correctamente, que los años del periodo 1934-38 fueron los más cálidos en los registros de los últimos 180 años y Callendar termina el artículo relacionando el aumento de temperatura registrado desde principios de siglo (0.5ºC) con las emisiones industriales de CO2.

El propio Gilbert Plass estimaba en otro artículo de 1956 doblar la concentración de CO2 en la atmósfera supondría un aumento de la temperatura de 3,6ºC y advertía de que se trataba de un serio problema para las generaciones venideras

“Si a finales de siglo, las mediciones muestran que el contenido de dióxido de carbono de la atmósfera se ha elevado apreciablemente y al mismo tiempo lo ha hecho la temperatura a lo largo del mundo, se establecerá definitivamente que el dióxido de carbono es un factor importante en las causas del cambio climático”

El problema del cambio climático fue introduciéndose poco a poco en la agenda pública de la década de los cincuenta. Prueba de ello es un artículo de 1956 en la revista Time  donde entrevistaban al oceanógrafo Roger Revelle sobre los efectos de la elevación de 2 ó 3 grados de la temperatura. Revelle, junto a su colega Hans Suess, escribiría un artículo al año siguiente que se convertiría en un clásico del efecto de las actividades humanas sobre el clima. En dicho artículo afirmaban que

En unos pocos siglos, estamos devolviendo a la atmósfera y los océanos el carbono orgánico concentrado y almacenado en las rocas sedimentarias durante cientos de millones de años. Este experimento, si se documenta adecuadamente, puede proporcionarnos una profunda comprensión de los procesos que determinan la meteorología y el clima.

La “mala nueva” llegaría un año más tarde, en 1958,  a una audiencia más amplia a través de un documental educativo dirigido por el mismísimo Frank Capra.


Sería el joven químico Charles David Keeling (1928-2005) quien finalmente llevaría a cabo medidas en alguna de las atmósferas más puras del planeta —la Antártida y Mauna Loa— demostrando en 1960 que el aumento del dióxido de carbono desde 1958, cuando habían empezado las mediciones, se alineaba perfectamente con las emisiones antropogénicas de CO2.

Revelle-Suess-Keeling

Cerramos de esta manera el círculo de una historia de más de un siglo en la que grandes hombres de ciencia desarrollaron sus estudios multidisciplinares guiados por la búsqueda del origen de las eras glaciales, encontrando en el camino que uno de los agentes relevantes del cambio climático era el CO2 de nuestras emisiones industriales que evitarán muy probablemente la llegada de la próxima Edad de Hielo…. Aunque, quizás, a un precio demasiado elevado.

Referencias


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

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

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

Gilbert N. Plass, James Rodger Fleming, Gavin Schmidt 2010. Carbon Dioxide and the Climate. American Scientist

Is the CO2 effect saturated? Skeptical Science

Jokimäk, A. 2010 When carbon dioxide didn’t affect climate. Observations of anthropogenic global warming

Science of Doom: Evaluating and Explaining Climate Science. CO2 and its effect on climate.

Weart, Spencer R., 2003-2015.  The Discovery of Global Warming. American Institute of Physics.

Weart, Spencer R & Pierrehumbert, R., 2007 A Saturated Gassy Argument. RealClimate

Licenciado en física y profe de secundaria, la plataforma de
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Por Ecos del futuro
Publicado el ⌚ 8 enero, 2016
Categoría(s): ✓ Física • Geología • Historia • Medio Ambiente