Análisis del CO2 atmosférico

El dióxido de carbono es un gas incoloro, denso y poco reactivo. Forma parte de la composición de la tropósfera, la capa de la atmósfera más próxima a la Tierra (11 kilómetros de espesor), actualmente en una proporción de promedio anual, de 393 ppm, 0,039%. La cifra 393 ppm se refiere al Observatorio Mauna Loa, Hawaii, que suponemos equivalente a la del conjunto del planeta, incluidos desiertos y polos, pero en las zonas habitadas es muy superior.

El balance del CO₂ es sumamente complejo por las interacciones que existen entre la reserva atmosférica de este gas, las plantas que lo consumen en el proceso de fotosíntesis y el transferido desde la tropósfera a los océanos. El análisis de los gases retenidos en muestras de hielo, obtenidas a distintas profundidades de la Antártica y Groenlandia (Con perforaciones de hasta 2000m), ha permitido conocer la concentración del CO₂ atmosférico y de otros gases de efecto invernadero, durante por lo menos 150.000 años. Estas concentraciones han variado en la escala temporal de las glaciaciones, con concentraciones bajas durante los periodos glaciares (temperaturas bajas) y relativamente altas durante los periodos interglaciares (temperaturas altas), con transiciones rápidas tanto en la variación de la temperatura como en la concentración de CO₂. En el polo cada año se forma una capa de hielo, diferente de la anterior. Al perforar y profundizar medimos la concentración del CO₂ en el aire atrapado mucho ante de 1812 en las burbujas de hielo.

Desde el comienzo de la civilización humana hasta hace sólo 200 años, el año 1800, la concentración de CO₂ ha sido de 275 ppm, una cifra demostrada con las perforaciones de glaciares. Las 275 ppm de CO₂ y otros gases de efecto invernadero han retenido el calor en nuestra atmósfera, y nuestro planeta se ha mantenido no excesivamente frío para que brotara la vida y el ser humano. Una buena noticia.

Cada día la concentración de CO2 es inferior a mediodía, y superior en horas de oscuridad, debido a la fotosíntesis de la vegetación (ciclo diario). A lo largo del año en meses de alta radiación solar (junio, julio, agosto) la actividad fotosintética es más elevada, y disminuye la concentración de CO2 (ciclo anual). El ciclo undecenal de actividad solar influye también en la concentración de CO2, por tanto las mediciones de CO2 se promedian, para limar esas oscilaciones.

El aumento del CO2 es un componente del cambio climático global, y posiblemente el mejor documentado. Desde mediados del siglo 19 hasta hoy el aumento de la concentración ha sido de 80 ppm. Según el doctor E.G. Beck, se han hecho más de 90.000 análisis químicos del CO2 desde 1812. Esa información histórica muestra que los cambios en el CO2 ocasionan cambios en la temperatura, en el clima. Desde 1812 en el hemisferio norte la concentración de CO2 ha fluctuado mostrando en la gráfica tres picos de altos niveles en 1825, 1857 y 1942.Este último con valores superiores a 400 ppm. En 1800 la concentración era de 280 ppm, y en junio 1985 llegaba a 350 ppm. El nivel de 350 ppm nos resulta ideal, pero lo hemos rebasado hasta 393 en septiembre de 2012.

Mediciones fiables: En 1957 Dave Keeling ideó una medición exacta del CO₂, y para ello escogió el volcán Mauna Loa, y calibraciones frecuentes, que siguen válidas en 2012. La vegetación absorbe CO₂ en horas de sol, emite oxígeno, y cuando respira emite CO₂, por ello el Observatorio de CO₂ debe estar apartado de la vegetación y otras fuentes de CO₂. El observatorio de Mauna Loa está rodeado de lava desnuda, sin vegetación, y a mucha distancia de las emisiones de CO₂ producidas por la actividad humana, circunstancias que favorecen la exactitud de las mediciones. Desde 1995 este Observatorio es el Laboratorio Central de Calibración de CO₂, de la Organización Meteorológica Mundial.

En septiembre de 2012 en el volcán Mauna Loa, 3.400 metros sobre el nivel del mar, la concentración de CO₂ era, como ya hemos recordado, de 393 ppm. En cambio, en 2008 la concentración era de sólo de 386 ppm. El valor límite máximo al que aspiramos en 2012 es de 350 ppm. El acuerdo entre especialistas del clima es total.

El volcán Mauna Loa, Hawaii, es el mejor observatorio mundial para medir el aumento incesante del CO₂ atmosférico. Pertenece al NOAA americano. En 2008 se celebró UN Climate Meetings en Poznan, Polonia, y acordaron que el nivel máximo tolerable es 350 ppm. A partir de 2008 el CO₂ continúa aumentando hasta 393 ppm actual. La causa es la combustión del petróleo y productos derivados del carbón, que causarán cambios irreversibles en el clima. En el verano de 2012 EE UU ha sufrido una sequía, como no la habían padecido durante décadas, consecuencia del aumento del CO₂ sobre el año anterior. La solución para detener el aumento de CO₂ es no quemar combustibles fósiles, recurrir a las energías alternativas, verdes, como la eólica, solar, hidráulica, etc.

La Naturaleza, la fotosíntesis de sus bosques, se ha pasado millones de años retirando CO₂ de la atmósfera, y lo ha sepultado en el suelo, en los yacimientos petrolíferos y de gas natural. Y en sólo 50 años de explotación de los combustibles fósiles, ahora nosotros devolvemos ese CO₂ a la atmósfera. Ese CO₂ nos producirá veranos cálidos y sequías como nunca habíamos visto.

Las causas, desarrollo y futura proyección del cambio climático las vemos en los Resúmenes del Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC), de las Naciones Unidas, para asesorar a los Gobiernos. Los Informes de Evaluación emitidos en 1992, 1995, 2001 y 2007 muestran la importancia del CO2 para controlar el clima. Se estima que este aumento es causado por una concurrencia de factores, entre los cuales el más grave es el uso de combustibles fósiles (carbón, petróleo y derivados, CH4) y las quemas con fines agrícolas.

Los gases de efecto invernadero son una realidad, y el CO2 es el más importante. Otros gases son: Vapor de agua, metano, óxidos de nitrógeno, ozono y los clorofluocarbonos. Todos conocemos el invernadero, con una temperatura más elevada que el aire exterior. Los gases de efecto invernadero retienen parte de la energía que la superficie terrestre, calentada por la radiación solar, emite hacia el espacio. Estos gases evitan que la energía recibida del sol vuelva inmediatamente al espacio, y producen en el planeta un efecto similar al observado en un invernadero.

La Tierra, como todo cuerpo caliente superior al cero absoluto, emite radiación térmica, pero en el infrarrojo. La temperatura terrestre es de 15,9 °C en julio y 12,2 °C en enero. La radiación media anual emitida por la Tierra es de 396 W/m2. La energía infrarroja emitida por la Tierra es atrapada en su mayor parte por la atmósfera, y reenviada de nuevo a la Tierra, con ello garantiza las temperaturas templadas del planeta. Según un estudio de NCAR el efecto invernadero devuelve a la Tierra 333 W/m2.

En el sistema solar los planetas de efecto invernadero son La Tierra, Venus y Marte, pero en la Tierra se está acentuando por la emisión del CO2 atmosférico y el metano. En nuestro planeta necesitamos el equilibrio entre la energía solar que recibimos y la emisión infrarroja que la Tierra emite al espacio: el balance energético terrestre, tan indispensable para mantener la vida en la Tierra, evitar un cambio de clima, hacia el calentamiento. Precisemos: el efecto invernadero lo necesitamos, pero controlado. Este efecto es esencial para la vida en la Tierra: sin CO2 ni vapor de agua (sin efecto invernadero) la temperatura media de la Tierra sería de 33 °C inferior a la actual, estaríamos bajo cero, inaceptable para la vida. Ahora distinguimos entre el efecto invernadero natural y el originado por las actividades humanas, antropogénico, que se suma al natural.

Las plantas captan el CO₂ mediante procesos fotosintéticos, y lo metabolizan para la obtención de azúcares y otros compuestos. Convierten al CO₂ en biomasa, son sumideros de carbono: extraen de la atmósfera el CO₂ y lo almacenan. A escala terrestre se estima que la biosfera terrestre fija cerca de 2.000.000 toneladas de CO₂ cada año (Unesa 2005). A este valor se le denomina producción neta de la biosfera, y es la cantidad que a largo plazo queda almacenada en el sumidero. El CO₂ secuestrado es el resultado de las diferencias entre el CO₂ absorbido durante la fotosíntesis y el CO₂ emitido por la planta durante la respiración. Esta diferencia se convierte en biomasa, y suele oscilar entre el 45-50% del peso seco de la planta. La agricultura es efectiva en mitigar el incremento del CO₂ atmosférico.

La energía solar capturada por la fotosíntesis es la fuente de cerca del 90% de la energía empleada por el hombre, para satisfacer sus demandas de calor, luz, potencia, ya que el carbón, petróleo y gas natural, los combustibles usados por la maquinaria fabricada por el hombre, son productos de descomposición de material biológico, generado hace millones de años por los organismos fotosintéticos.

La fotosíntesis ocurre en dos fases: La primera es un proceso que depende de la luz, para generar energía química y reductora, que serán usadas en la segunda fase. Es la fase de oscuridad, que se realiza cuando los productos de las reacciones de luz son utilizados para, a partir de CO₂, formar enlaces covalentes carbono-carbono, de los carbohidratos, mediante el ciclo de Calvin. La planta vegetal con la energía solar reduce el CO₂ y produce glucosa. La fotosíntesis se produce en los cloroplastos de las células.

La fotosíntesis necesita agua. La disponibilidad de agua impone un límite máxima a la productividad, desarrollo. En condiciones de intensa sequía la fotosíntesis disminuye, el CO₂ absorbido. El suelo también es sumidero de CO₂. Es un proceso más lento que la acumulación de la biomasa, pero la estabilidad del CO₂ en el suelo es mayor que en la biomasa. La capacidad del suelo es importante para almacenar CO₂, debido al material vegetal acumulado en descomposición, pasando a denominarse C del humus.

National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA) mide el CO₂ en el volcán, con la seguridad de que esas mediciones reflejan la realidad de la atmósfera global terrestre. La altitud de 3.400 msm es excelente para medir masas de aire, que representan extensiones muy grandes. Con frecuencia se comprueba la exactitud, y se comparan con mediciones independientes en el mismo volcán. La diferencia no excede de 0,2 ppm.

En Mauna Loa el analizador de CO₂ es un pequeño ciclindro con ventanas planas en ambos extremos. La luz infrarroja entra por una ventana, atraviesa el cilindro, y sale por el otro extremo. Aquí un detector de infrarrojo mide la luz saliente. En la atmósfera el CO₂ absorbe la radiación solar y contribuye al aumento de temperatura en la superficie.

En el cilindro de Mauna Loa el CO₂ absorbe la luz infrarroja. Si hay más CO₂ el cilindro absorbe más luz, y llega menos luz infrarroja al otro extremo del cilindro en donde se halla el detector. La señal del detector la convertimos en Voltios. Es la medida del CO₂ absorbido.

No es exactamente lo mismo que la concentración de CO₂. En Mauna Loa miden la fracción molar de CO₂ en aire seco. La fracción molar es una unidad para expresar la concentración de soluto en solvente. Nos expresa la proporción en que se encuentran los moles de soluto (CO₂) con respecto a los moles totales de la solución (aire).Las fracciones molares de una disolución serán siempre menores de 1, y la suma de éstas dará 1. La masa molar de CO₂ es 44 g/mol.

Como el volumen de una disolución depende de la temperatura y de la presión, cuando éstas cambian, el volumen cambia con ellas. Gracias a que la fracción molar no está en función del volumen, es independiente de la temperatura y de la presión. La fracción molar es el número de moléculas de CO₂ en un número de moléculas de aire, después de retirar el vapor de agua (por ejemplo, 393 ppm de CO₂ en cada millón de moléculas de aire seco).

La concentración de un gas es el número de moléculas por metro cúbico. Lo que nos interesa saber es cuánto CO₂ se ha añadido, o retirado de la atmósfera. El concepto Concentración no nos da esa información, porque depende de la presión y de la temperatura y secundariamente nos indica cuánto CO₂ hay disuelto en el vapor de agua, y la humedad varía mucho.

Solamente la fracción molar seca refleja la adición o retirada de CO₂. La fracción molar seca no cambia, cuando el aire se expansiona, debido al calentamiento, o al ascender a mayor altitud, en donde la presión es inferior. No cambia cuando el agua se evapora o se condensa en gotas de rocío.

En Mauna Loa para desecar el aire se le hace pasar por una trampa de frío, en donde el vapor de agua del aire se congela formando hielo en las paredes. A continuación entra seco en el cilindro, ya citado.

Eso nos dice Bill Mckibben y los científicos expertos en clima al observar en los meses de julio y agosto 2012 las fotos de los satélites sobre Groenlandia. Estas muestran la reducción de los hielos en el casquete polar. Si comparamos las fotos del verano 1990 de Groenlandia con las fotos del verano 2007, la reducción de la superficie de hielos ha sido del 39%, más rápida de lo que pensábamos. No sólo ocurrirá la fusión de los hielos de Groenlandia, sino que el permafrost de allí liberará a la atmósfera gran cantidad de gas metano, gas de efecto invernadero.

En el planeta Tierra jamás la concentración de CO₂ había llegado a 393 ppm como ahora, y sigue subiendo. Los casquetes polares disminuirán, millones de personas tendrán problemas para conseguir agua potable, los mosquitos prefieren temperaturas altas prosperarán, y causarán malaria y dengue, más sequias y menos producción agrícola, el nivel del mar subirá durante este siglo.

Las características de la órbita terrestre, su excentricidad, inclinación variable del eje polar, etc. han causado las 4 grandes glaciaciones, y son las más potentes para cambiar el clima, e incluso enfriarlo, pero tienen un periodo muy largo, de hasta 100.000 años, los ciclos de Melankovitch. De estas fuerzas no nos ocupamos aquí, solo de los gases de efecto invernadero, la fracción molar seca del CO₂. A los medios de comunicación (periódicos, TV...) el nivel de CO₂ les importa poco.

Referencias

Hansen, J. Target atmospheric CO₂: Where should humanity aim? Real Climate April 2008.

Keeling, C.D. Atmospheric carbon dioxide variations at Mauna Loa Observatory, Hawaii. Tellus, vol.28 – 1976.

Thoning, K.W. Atmospheric carbon dioxide at Mauna Loa Observatory. J.Geophysical Research vol.94 1989.

Tans, Pieter.Estimating uncertainty of WMO mole fraction scale for carbon dioxide in air. Journal of Geoph. Research Vol.111 – 2006.

Zhao, M.A high precision manometric system for absolute calibration of CO₂ in dry air. Journal of Geoph. Res. 102 – 1997.