Cambio climático: por qué importan los océanos Understand article

Traducido por David Puga. El rol de nuestros océanos en el cambio climático es más complicado de lo que puedan pensar.

Imagen cortesía de Dirk Dallas;
fuente de la imagen: Flickr

Los océanos del mundo son realmente vastos: cubren el 71% de la superficie de la Tierra y contienen el 97% su agua. Si nos preocupan los factores que afectan el clima global, necesitamos prestar atención a los océanos también.

As con la mayoría de areas de cambio climático (en otras palabras, un cambio en el promedio de la temperatura superficial de la Tierra), el rol que juegan los océanos es complejo. Los factores principales involucrados son compuestos generados por el océano (incluyendo vapor de agua) que escapan a la atmósfera; dióxido de carbono disuelto en el agua de mar; y el rol de los océanos como disipador térmico.

Vapor de agua: ¿calienta o enfría?

Cuando pensamos en los gases involucrados en el cambio climático, por lo general pensamos en el dióxido de carbono y tal vez en otros gases de la atmósfera, como el metano. Estos gases contribuyen al efecto invernadero al absorber y atrapar la energía infrarroja (calor) de la superficie de la Tierra. Pero el gas de efecto invernadero más poderoso no es ninguno de éstos, sino simplemente el H2O en forma de vapor de agua (figura 1).

El vapor de agua en la atmósfera absorbe el 38-85% de la energía infrarroja emitida por la Tierra, en comparación al 9-26% del dióxido de carbono (CO2) y al 4-9% del metano (CH4). La fuente principal de vapor de agua atmosférico es la evaporación de los océanos.

A pesar de que el vapor de agua determina en gran parte cuánto calor es retenido en nuestro planeta, no tendría un efecto en el clima si no fuese por los efectos de los otros gases de efecto invernadero, como el CO2 y el CH4. Si estos gases no existiesen en la atmósfera, la temperatura superficial promedio de la Tierra sería mucho más fría, alrededor de -18 °C, y muy poco vapor de agua llegaría a la atmósfera. La presencia de gases de efecto invernadero incrementa la temperatura superficial de la Tierra, por lo que el agua comienza a evaporarse. Este vapor de agua aumenta la temperatura aun más. Este “círculo vicioso”, donde diferentes factores actúan en sinergia, constituye un circuito de retroalimentación positivo.

Pero el vapor de agua también tiene el efecto contrario: más vapor de agua en el aire significa más nubes. Las nubes reflejan gran parte de los rayos solares de regreso hacia el espacio, produciendo un enfriamiento y por lo tanto afectando al clima global en el sentido contrario que el efecto invernadero. Actualmente, el efecto neto de las nubes es de enfriar la superficie terrestre 5 °C, pero no sabemos cuál de estos dos factores – el calentamiento o el enfriamiento causado por el vapor de agua – dominará en un clima más caliente.

Figura 1: promedio anual de la concentración de vapor de agua a través del planeta a nivel de la superficie.
Imagen cortesía de RG Derwent, RD Scientific, UK

Otros compuestos del océano

Adicionalmente al vapor de agua, los océanos liberan otros compuestos hacia la atmósfera que contribuyen al cambio climático. Algunos compuestos que escapan de los océanos hacia la atmósfera crean partículas diminutas, las cuales actúan como puntos de formación de nubes, permitiendo que el vapor de agua se condense y forme nubes.

Uno de los compuestos importantes para la formación de las nubes es el dimetil sulfido (CH3SCH3), un compuesto del azufre producido por el fitoplancton (plancton similar a las plantas) en los océanos. Se evapora fácilmente, y se oxida para formar dióxido de azufre (SO2) y ácido metano sulfónico (AMS). El dióxido de azufre reacciona con el agua de la atmósfera y produce ácido sulfúrico, resultando en la formación de iones sulfato, SO42-. Éstos y el AMS son muy efectivos formando nubes, permitiendo que el vapor de agua se condense en pequeñas gotas, formando nubes.

Otro grupo de compuestos que ingresan a la atmósfera desde los océanos son los organohalógenos – por ejemplo, metil cloridio (CH3Cl). Como sus pares sintéticos (tales como los clorofluorocarbonos, o CFCs), los organohalógenos destruyen el ozono de la estratosfera al participar en reacciones fotoquímicas con el ozono. El ozono cumple la importante función de absorber la radiación solar, ayudando a protegernos de los rayos UV. Pero también es un potente gas de efecto invernadero y, al igual que el dióxido de carbono, su origen es antropogénico (causado por los humanos). De hecho, 15% del efecto invernadero de origen antropogénico se debe al aumento de los niveles de ozono de los últimos 200 años, desde la Revolución Industrial. Los organohalógenos producidos en el océano contribuyen entonces a reducir el calentamiento global al disminuir la concentración de ozono en la atmósfera.

CO2 disuelto: el efecto invernadero desbocado

Los océanos también tienen el rol vital de absorber CO2. El dióxido de carbono liberado por los combustibles fósiles y otras actividades humanas así como por la biosfera es absorbido, ya sea en la atmósfera o en los océanos. A pesar de que la atmósfera terrestre contiene alrededor de 3 trillones (3 x 10 12) toneladas de dióxido de carbono, los océanos contienen aproximadamente 50 veces más.

En la superficie del océano, el dióxido de carbono atmosférico se disuelve en el agua. Allí, reacciona con el agua para formar ácido carbónico (H2CO3), hidrógenocarbonato (bicarbonato, HCO3)  e iones carbonato (CO32-):

CO2(g)            +            H2O(l)            →            H2CO3(aq)  

H2CO3(aq)      ⇌            HCO3 (aq)     +            H+ (aq)           

Estas reacciones reducen el CO2 disuelto, por lo que más CO2 atmosférico es absorbido.

El CO2 disuelto en la superficie se dispersa por las profundidades del océano gracias a un proceso llamado bomba de solubilidad. Ya que el CO2 es más soluble en agua fría que caliente (figura 2), y que las profundidades del océano son más frías que la superficie, el CO2 es trasladado desde la superficie hacia las profundidades.

Si la temperatura del océano aumenta debido al cambio climático, entonces más dióxido de carbono será liberado a la atmósfera debido a que es menos soluble en temperaturas altas. El CO2 extra contribuiría al efecto invernadero, aumentando la temperatura del océano aun más, lo cual liberaría más dióxido de carbono, y así sucesivamente. Esto crearía otro circuito de retroalimentación positiva, lo que llevaría a un efecto invernadero desbocado.

Figura 2: la solubilidad del dióxido de carbono disminuye cuando la temperatura aumenta
Imagen cortesía de Nicola Graf; fuente de la data: Handbook of Chemistry & Physics (1953), CRC
 

Absorbiendo el calor

La inmensidad de los océanos es un factor clave para su rol en el cambio climático. Ella determina cuánto calor en exceso, producto del calentamiento global, puede ser absorbido por los océanos; de hecho, es mucho más que por la atmósfera.

Podemos calcular cuánto aumenta la temperatura de los océanos y de la atmósfera cuando la misma cantidad de calor es suministrada a ambos (véase el recuadro). Esto muestra que la capacidad calorífica de los océanos es aproximadamente 1000 veces mayor que la de la atmósfera. El aumento de temperatura de los océanos será mucho menor que el de la atmósfera cuando la misma cantidad de calor es absorbida. Esto significa que la escala temporal del cambio climático es determinada principalmente por la masa térmica de los océanos y no por la de la atmósfera. Esto no significa que la temperatura no subirá – pero sí quiere decir que la escala temporal es mucho mayor de lo que inicialmente se pensaba.
 

Calentando el mundo: un cálculo

Podemos comparar cómo la temperatura de la atmósfera y de los océanos subiría si la misma cantidad de energía fuese añadida a ambos. Para simplificar los cálculos, redondearemos los números. (La capacidad calorífica de una sustancia es la cantidad de energía necesaria para que la temperatura de un kilogramo de aquella sustancia aumente un Kelvin (K) – lo cual es lo mismo que un grado Celsius).
 

Masa de los océanos de la Tierra

Capacidad calorífica del agua de mar

Capacidad calorífica de los océanos

= 1.3 x 1021 kg

~ 4.0 x 103 J kg-1 K-1

~ 1.3 x 4.0 x 1024

= 5.2 x 1024 J K-1

Así que 5.2 x 1024 J  de energía  son necesarios para aumentar la temperatura de los océanos 1 K.

Compara esto con la capacidad calorífica de la atmósfera:
 

Masa de la atmósfera de la Tierra

Capacidad calorífica del aire

Capacidad calorífica de la atmósfera

= 5.1 x 1018 kg

~ 1.0 x 103 J kg-1 K-1

~ 5.1 x 1.0 x 1021

= 5.1 x 1021 J K-1

Así que aproximadamente 5 x 1021 J de energía son necesarios para aumentar la temperatura de la atmósfera 1 K.

Podemos ver que la proporción:

Capacidad calorífica de los océanos / Capacidad calorífica de la atmósfera   =  5.2 x 1024 /  5.1 x 1021   =  ~  1000 J K-1

Esto quiere decir que si la temperatura cambia a un ritmo de 1 W (1 J s-1) por metro cuadrado  en la superficie de la Tierra (aproximadamente 5.1 x 108 km2), tomaría 116 días para que la temperatura de la atmósfera incremente 1K (o 1°C ) – mientras que tomaría 324 años para los océanos.

Océanos y el futuro

Entonces, ¿cuál es el rol de los océanos en el cambio climático? La respuesta es compleja. Moléculas liberadas por los océanos pueden contribuir tanto al calentamiento global, cuando actúan como gases de efecto invernadero, como al enfriamiento global, al formar nubes. Los océanos pueden absorber energía calorífica y actuar como un depósito para el dióxido de carbono – pero a medida que la temperatura aumenta, un circuito de retroalimentación positiva podría desencadenarse. Por el momento, el impacto de nuestros océanos en el cambio climático no es claro, pero los científicos continúan estudiando estos sistemas para que, a medida que modelos más sofisticados son desarrollados, podamos hacernos una idea más precisa del futuro de nuestro planeta.

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Author(s)

Todos los autores son de la Escuela de Química de la Universidad de Bristol, Reino Unido. Tim Harrison es el Comunicador Científico Residente, Dudley Shallcross es el Profesor de Química Atmosférica y Anwar Kahn es en Investigador Superior Asociado del Grupo de Investigación de Química Atmosférica.


Review

Este artículo provee un resumen del rol que los océanos juegan en el cambio climático. Específicamente, el artículo presenta los efectos sobre el cambio climático de ciertas moléculas, tales como el vapor de agua, así como el posible efecto invernadero desbocado del CO2, disuelto, y la capacidad calorífica distinta de los océanos y de la atmósfera.

El artículo puede ser usado para enlazar química, biología y ciencias de la Tierra, y cubre temas como el efecto invernadero y el ciclo de agua.


Enrico Capaccio, Liceo S. Bellarmino, Italia




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