La Fundación Tierra Climática#x2019;s Sistema Climático

El balance energético de la Tierra#x2019 es el principio fundamental que rige nuestro planeta Álx2019; el clima. Describe el equilibrio entre la radiación solar entrante y la radiación térmica saliente. Cuando este equilibrio es perturbado, el sistema climático responde, y los agentes primarios de perturbación son gases de efecto invernadero. Estos gases absorben y reemiten la radiación infrarroja, capturando eficazmente el calor dentro de la atmósfera inferior.

Sin gases de efecto invernadero, la Tierra ronda#x2019; la temperatura media de la superficie oscilaría alrededor de -18 comprimidos#xB0;C (0 ácido#xB0;F), un estado congelado inhóspito a la mayoría de las formas de vida. El efecto invernadero natural eleva esa temperatura a un efecto de escape histórico 15 puntos#xB0;C (59#xB0;Frium).

Presupuesto de radiación solar

Para apreciar el papel de los gases de efecto invernadero, primero se debe entender el flujo de energía a través del sistema climático. El sol emite radiación de onda corta, principalmente en el espectro visible y ultravioleta. De los 340 vatios por metro cuadrado (W/m Conven#xB2;) que alcanza la parte superior de la atmósfera en promedio:

  • Aproximadamente el 30% se refleja de nuevo en el espacio por nubes, aerosoles y la superficie de la Tierra PÉX#x2019; s. Esta fracción se conoce como el albedo planetario.
  • El 70% restante es absorbido por la atmósfera (alrededor del 23%) y por la superficie (alrededor del 47%).

La Tierra, siendo mucho más fría que el sol, emite energía como radiación infrarroja de onda larga. Es esta radiación de onda larga saliente (OLR) que interceptan gases de efecto invernadero. Al absorber y re-radiar la energía infrarroja hacia la superficie, los gases de efecto invernadero reducen la tasa neta de enfriamiento al espacio, calentando eficazmente la atmósfera y la superficie inferiores.

Los principales gases de efecto invernadero y sus fuentes

No todos los gases de efecto invernadero se crean iguales. Diferen en la concentración atmosférica, la vida útil, la eficiencia del intercambio de calor y los perfiles de origen.Los gases de efecto invernadero más importantes de larga duración en la Tierra C.#x2019; su atmósfera son dióxido de carbono (CO = 0x2082;), metano (CH circunvalación cero) y óxido nitroso (N Ø2082).

Carbon Dioxide (CO plaga#x2082;)

El dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero más importante de larga vida emitido directamente por las actividades humanas. Es el gas de referencia contra el que se miden otros gases de efecto invernadero utilizando el potencial de calentamiento global (PCA) métrica. CO plaga#x2082; es responsable de aproximadamente el 66% del calentamiento atribuible a gases de efecto invernadero de larga vida.

Entre las principales fuentes cabe citar:

  • Combustión de combustibles fósiles: El carbón, el petróleo y el gas natural quemados para la generación de electricidad, el transporte, la calefacción y los procesos industriales representan aproximadamente el 65% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. La combustión de combustibles fósiles libera carbono que fue bloqueado bajo tierra durante millones de años, añadiéndolo rápidamente al ciclo activo de carbono.
  • Cambio de deforestación y uso de la tierra: Los bosques actúan como sumideros de carbono. Cuando se limpian para agricultura, desarrollo urbano o madera, no sólo es el carbono almacenado en árboles liberados (mediante descomposición o quema), sino la tierra restringida#x2019; su capacidad para absorber futuros CO empa#x2082; también se reduce.
  • Procesos industriales: Producción de cemento, fabricación química y fabricación de acero liberan CO plaga#x2082; como subproducto de reacciones químicas, no sólo de uso energético. La producción de cemento representa solo alrededor del 5-8% del CO antropógeno global CO empa#x2082; emisiones.

Atmospheric CO empa#x2082; concentrations have risen from approximately 280 parts per million (ppm) in pre-industrial times (around 1750) to over 420 ppm today, a level not seen for at least 2 million years. The Keeling Curve], the longest continuous record of atmospheric CO clo#x2082;

Metano (CH plaga#x2084;)

El metano es el segundo gas de efecto invernadero antropogénico más abundante y tiene un potencial de calentamiento global aproximadamente 28-34 veces el de CO plaga#x2082; más de 100 años. Con un horizonte de 20 años, su PCA es aproximadamente 84-87 veces mayor que CO contamina#x2082; lo que lo convierte en un agente de calentamiento a corto plazo particularmente potente. Metano tiene una vida atmosférica relativamente corta de aproximadamente 10-12 años, lo cual es la reducción de metano.

Entre las principales fuentes cabe citar:

  • Agricultura:] La fermentación ínfima en ganado rumano (cattle, ovejas, cabras) es la mayor fuente de emisiones de metano a nivel mundial. Las remolachas también producen metano a través de la descomposición de materia orgánica en suelos inundados y privados de oxígeno.
  • Producción y transporte de combustibles fósiles: El metano se filtra de pozos de petróleo y gas, oleoductos y minas de carbón. El gas natural está compuesto principalmente por metano, y las emisiones fugitivas durante la extracción y distribución representan energía desperdiciada y un potente contaminante climático.
  • ] Manejo de residuos: Los vertederos producen metano cuando los residuos orgánicos se descomponen anaerobicamente. Los sistemas adecuados de captura de gas de vertederos pueden reducir estas emisiones significativamente.

Las concentraciones atmosféricas de metano se han duplicado con creces a partir de niveles preindustriales, alcanzando aproximadamente 1.900 partes por mil millones (ppb) en los últimos años. La tasa de aumento se ha acelerado desde 2007, impulsado por el crecimiento de fuentes de combustibles fósiles y humedales tropicales.

Nitrous Oxide (N limit#x2082;O)

El óxido nitroso es un potente gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global aproximadamente 298 veces el de CO plaga#x2082; durante un período de 100 años. También agota el ozono estratosférico. Como CO plaga#x2082;, N cl#x2082;O es de larga vida, con una vida atmosférica de alrededor de 116 años, lo que significa que las emisiones se acumulan en la atmósfera durante siglos.

Entre las principales fuentes cabe citar:

  • Agricultura: El uso de fertilizantes de nitrógeno sintéticos en la producción de cultivos es la fuente dominante de emisiones antropógenas N Ø#x2082;O. Los microbios de suelo convierten nitrógeno de fertilizantes en N manzana#x2082;O a través de procesos llamados nitrificación y denitrificación.
  • Procesos industriales:] La producción de ácido adipico (utilizada en la fabricación de nylon) y la producción de ácido nítrico (utilizada para fertilizantes) liberan N plaga#x2082;O como subproducto. Existen tecnologías de reducción pero no están desplegadas universalmente.
  • Combustión:] Los combustibles fósiles quema en vehículos y centrales eléctricas liberan pequeñas cantidades de N plaga#x2082;O.

Las concentraciones de óxido nitroso han aumentado de los niveles preindustriales de aproximadamente 270 ppb a más de 330 ppb hoy. Gran parte de este aumento se ha producido en los últimos 50 años, coincidiendo con la intensificación global de la agricultura.

Vapor de agua y nubes

El vapor de agua es el gas de efecto invernadero más abundante y representa la mayor contribución única al efecto invernadero natural. Sin embargo, su concentración en la atmósfera no está controlada directamente por las emisiones humanas. En cambio, responde a la temperatura a través de la relación Clausius-Clapeyron: aire más cálido puede contener más humedad. Esto crea un poderoso bucle de retroalimentación positiva. Como CO entendido#x2082; y otros gases de efecto invernadero calientes aumentan la atmósfera, las concentraciones de vapor de agua, amplificando la complejidad inicial.

El efecto de gas de invernadero en mayor detalle

Mientras que los golpes amplios del efecto invernadero son directos, la física subyacente implica mecánica cuántica y transferencia radiativa. moléculas de gas de invernadero sensibles#x2014; las cuales con tres o más átomos, como CO circunferencia#x2082; CH proporción#x2084;, N círculo#x2082;O, y H rondas infrax2082;Ong foto#x2014;

El espectro de absorción de la atmósfera

Tierra ##x2019; su atmósfera es en gran medida transparente para la radiación solar entrante, pero es parcialmente opaco a la radiación infrarroja saliente. Diferentes gases absorben a diferentes longitudes de onda:

  • El vapor de agua] absorbe a través de una amplia gama del espectro infrarrojo, de unos 5-8 micrometros (cada#x3BC;m) y más de 15 >#x3BC;m.
  • El dióxido de carbono tiene una fuerte banda de absorción centrada alrededor de 15 >#x3BC;m, una región crítica en la Tierra Clímax2019;s espectro de emisión infrarroja.
  • El metano] absorbe alrededor de 7.7 >#x3BC;m y en varias otras bandas estrechas.
  • El óxido nitroso absorbe a 7.8 >#x3BC;m y 17 >#x3BC;m.

Como CO#x2082; las concentraciones suben, la banda de absorción a 15 >#x3BC;m se satura cada vez más en la troposfera inferior, lo que significa que la radiación emitida desde la superficie se absorbe en una distancia más corta. Esto desplaza la altura de emisión efectiva a niveles más altos y más fríos de la atmósfera. Debido a que la temperatura disminuye con la altitud en la troposfera, la radiación escapa al espacio proviene de una fuente más fría, el planeta contaminante, dejando menos energía.

El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (]IPCC]) proporciona evaluaciones autorizadas de estos mecanismos. ]Seiso Informe de Evaluación cuantifica el forzamiento radiativo eficaz de CO#x2082; desde 1750 aproximadamente a 2.2 W/m Conven#xB2; (en relación con el tratamiento con el tratamiento de la W3ntropotrono),

Forcing radiativo y sensibilidad climática

El forzamiento radiativo mide el desequilibrio en la Tierra#x2019; el presupuesto energético causado por un cambio en un conductor climático, como CO plaga#x2082; concentración. Se expresa en vatios por metro cuadrado. Un forzamiento positivo calienta el sistema; un forzamiento negativo lo enfría. La relación entre CO circunferencia#x2082; concentración y forzamiento radiativo es logarítmica: cada duplicación de CO#x2

La sensibilidad climática cuantifica cuánto la temperatura media global eventualmente se calienta en respuesta a un forzamiento radiativo dado. La sensibilidad climática del equilibrio (ECS) es el calentamiento a largo plazo en respuesta a una duplicación de CO#x2082;. El IPCC estima que el ECS con alta confianza es entre 2,5 unidades#xB0;C y 4 polvo CO#xB0;C, con una mejor estimación de alrededor de 3 puntos de presión.

Observados impactos en el sistema climático

La intensificación del efecto invernadero no es una abstracción teórica, sus huellas son visibles en todos los componentes del sistema climático, desde el océano profundo hasta la atmósfera superior.

Vigilancia superficial y troposférica

La temperatura media global ha aumentado en aproximadamente 1.2 unidades#xB0;C desde finales del siglo XIX, con la mayoría de este calentamiento que se produjo en los últimos 50 años. La última década (2011-2020) fue alrededor de 1.1 unidades#xB0;C más caliente que el período preindustrial. Importantemente, este calentamiento no es uniforme. El Ártico está calentando a dos o cuatro veces la media global, un fenómeno conocido como la reducción del calor ar.

Nivel de mar

El nivel mundial de mares promedio ha aumentado en unos 20-25 centímetros desde 1900, con la tasa de aumento acelerando desde aproximadamente 1,5 mm/año a principios del siglo XX hasta más de 3.5 mm/año de hoy. Este aumento se impulsa por dos factores principales: la expansión térmica (el agua del océano se expande a medida que se calienta) y el derretimiento de glaciares y hojas de hielo.

Extreme Eventos y Atribución Ciencia

El cambio climático amplifica muchos tipos de clima extremo. El aire cálido puede contener más humedad, aumentando la intensidad de los eventos de lluvias pesadas. Las temperaturas superiores de la superficie del mar alimentan ciclones tropicales más poderosos. Las ondas de calor se están volviendo más frecuentes, más largas y más intensas.El campo de la atribución del evento ha avanzado significativamente, permitiendo a los científicos cuantificar cuánto el cambio climático altera la probabilidad y la gravedad de eventos específicos.

Ocean Acidification

Este impacto se considera a menudo junto al efecto invernadero porque comparte la misma causa raíz: elevada CO plagado#x2082;. El océano absorbe alrededor del 25-30% del CO PAC#x2082; liberado por actividades humanas. Cuando CO PUX#x2082; se disuelve en agua marina, forma ácido carbónico, bajando el pH del océano.

Los bucles de retroalimentación en el sistema climático

Los bucles de retroalimentación son procesos internos que amplifican (realimentación positiva) o amortiguan (realimentación negativa) el cambio inicial en el sistema climático. La presencia de fuertes retroalimentaciones positivas es lo que hace que el sistema climático sea sensible a los forzamientos iniciales pequeños.

La retroalimentación de hielo-Albedo

A medida que las temperaturas suben, la nieve y el hielo se derriten, revelando superficies más oscuras y oceánicas debajo. Mientras el hielo refleja alrededor del 50-70% de la luz solar entrante, el océano abierto refleja sólo alrededor del 6%. Esta reducción en el albedo hace que la superficie absorba más energía solar, lo que conduce a un calentamiento más profundo y a una fusión más.

La retroalimentación del carbono Permafrost

El permafrost Ártico almacena grandes cantidades de carbono orgánico (aproximadamente 1.500 millones de toneladas métricas) que se han congelado durante miles de años. Como los descongeladores permafrost, los microbios comienzan a descomponer esta materia orgánica, liberando CO#x2082; y CH plaga#x2084; en la atmósfera. Este proceso crea otra retroalimentación positiva, ya que los gases de efecto invernadero liberados causan mayor calentamiento y desconcertinuación.

La retroalimentación del vapor de agua

Como se ha descrito anteriormente, un ambiente más cálido sostiene más vapor de agua, que es en sí mismo un gas de efecto invernadero. Esta es la retroalimentación positiva más fuerte en el sistema climático, duplicando aproximadamente el calentamiento que ocurriría de CO sola#x2082; esta retroalimentación es bien entendida y está explícitamente representada en los modelos climáticos. Sin ella, la sensibilidad climática sería mucho menor que los 3 C.

Mitigation Pathways and Challenges

Abordar el desequilibrio en la Tierra#x2019; el equilibrio energético requiere reducir las emisiones netas de gases de efecto invernadero a cero. Este es el objetivo central de la política climática internacional bajo el Acuerdo de París, que tiene como objetivo limitar el calentamiento global a muy por debajo de 2 puntos#xB0;C y preferiblemente a 1,5 puntos#xB0;C por encima de los niveles preindustriales.

Decarbonización profunda del sistema energético

El sector energético es responsable de la mayoría de las emisiones mundiales.

  • Implementación de energía renovable: La energía solar y eólica ha visto drásticas reducciones de costos en el último decenio y ahora son las fuentes más baratas de nueva electricidad en muchas partes del mundo. La Agencia Internacional de Energía proyecta que las energías renovables representan casi el 95% del aumento de la capacidad de energía mundial a través de 2026.
  • Electrificación: El cambio de la combustión de combustibles fósiles a la electricidad en el transporte (vehículos eléctricos), la calefacción de edificios (bombas de calor) y los procesos industriales pueden reducir significativamente las emisiones, siempre que la electricidad provenga de fuentes de bajo carbono.
  • Eficiencia energética: La reducción de los desechos mediante edificios eficientes, electrodomésticos, procesos industriales y sistemas de transporte reduce la demanda global de energía y hace que la descarbonización sea más fácil y más barata.

Metano Abatement

Debido a que el metano es potente y de corta duración, reducir las emisiones de metano puede frenar la tasa de calentamiento a corto plazo. La Agencia Internacional de Energía estima que alrededor del 40% de las emisiones de metano actuales de las operaciones de combustibles fósiles pueden reducirse sin costo neto, utilizando tecnologías existentes. La Promesa Mundial de Metano, lanzada en la COP26, compromete más de 150 países a reducir las emisiones de metano en un 30% de los niveles de 2020 para 2030.

Soluciones de base terrestre

Los ecosistemas terrestres absorben actualmente alrededor del 25-30% de CO nucleógeno ; emisiones. La protección y el mejoramiento de estos sumideros naturales es una estrategia climática vital:

  • Reforestación y forestación: Restaurar los bosques degradados y plantar nuevos bosques puede reducir cantidades significativas de carbono. Sin embargo, el potencial se limita con la disponibilidad de tierras y la necesidad de producción de alimentos.
  • ] Gestión mejorada del suelo: Prácticas agrícolas como la agricultura sin límite, la cobertura de cultivo y la adición de biocarburos pueden aumentar el contenido de carbono orgánico del suelo, mejorando la salud del suelo mientras almacena el carbono.
  • Restauración de humedales: Los pastizales almacenan enormes cantidades de carbono. Restaurar las turberas drenadas evita nuevas emisiones y puede volverlas a los sumideros de carbono.

Eliminación de Dióxido de carbono (CDR)

La mayoría de las vías climáticas compatibles con el Acuerdo de París requieren cierta forma de eliminación de dióxido de carbono para compensar las emisiones residuales de sectores difíciles de descarbonizar y, a largo plazo, reducir el CO nucleico atmosférico#x2082; concentraciones si se produce un exceso de emisiones. Los métodos de RDC incluyen la captura directa del aire (DAC) con almacenamiento geológico, bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS), climatización mejorado y tecnologías de mayor calidad.

El camino hacia adelante

La física del efecto invernadero se resuelve, y la trayectoria de las concentraciones de gases de efecto invernadero está bien medida. La Tierra denominada#x2019; su equilibrio energético es cada vez más positivo, y el sistema climático está respondiendo con temperaturas crecientes, patrones climáticos cambiantes y hielo de fusión. La cuestión ya no es si las actividades humanas están cambiando el clima, sino cuán decidida y rápida será la humanidad para alterar su curso.

Cada tonelada de CO#x2082; evitado reduce el calentamiento futuro. Las reducciones del metano proporcionan un alivio más rápido, disminuyendo la tasa de calentamiento dentro de décadas. La ventana para limitar el calentamiento a 1,5 millas#xB0;C se está reduciendo rápidamente, pero la viabilidad técnica y económica de la descarbonización profunda nunca ha sido mayor.El desafío es principalmente una base de voluntad política, coordinación social y inversión a escala.