Ese insignificante e incomprendido CO2

La química de un vela y el descubrimiento del ciclo del carbono

En 1848, las exposiciones de ciencia recreativa hacían las delicias de un público victoriano fascinado por los avances científicos de la época. The Royal Polytechnic Institution —como se conocía en la época a la Universidad de Westminster— era famosa por sus “abominables olores” y “extrañas explosiones”. En la navidad de ese mismo año se unió a la institución el científico e inventor John Henry Pepper, que convertiría en memorables los espectáculos navideños celebrados a partir de entonces. Pepper era el análogo victoriano de nuestro Javier Panadero.

En la navidad de 1862 se representaría la quinta y última novela corta de Charles Dickens con motivo navideño, El Hechizado, utilizando una novedosa técnica de espejos inventada por Henry Dirck. Pepper escenificó así la fantasmagoría más realista de la época. Posteriormente a la primera representación, el gran Michael Faraday, que estaba allí como invitado, explicó la ciencia detrás de la ilusión de los espectros.

La novela de Dickens fue escrita en 1848 y el protagonista era un hombre versado en la química de la época. El personaje estuvo muy probablemente inspirado por una charla impartida por Faraday ese mismo año en otra institución que había inventado la divulgación de la ciencia en Navidad: la Royal Institution. Sus famosas Conferencias de Navidad para Jóvenes se venían impartiendo desde 1825, fundadas por el propio Michael Faraday.

Faraday en una de sus conferencias. Fuente.

Faraday en una de sus conferencias. Fuente.

Las conferencias de la navidad de 1848 son una obra maestra de la divulgación y representan, probablemente, el punto álgido de la popularización de la ciencia romántica. Consistieron en seis charlas tituladas La Historia Química de una Vela. Faraday comenzaba con las características básicas de una llama y el proceso de combustión, para en la última de las charlas explicar, ayudado de simples experimentos, las propiedades del CO2 y su papel en la respiración animal, en el crecimiento de las plantas y en el ciclo global del carbono.

Ni siquiera Naukas ha podido obtener imágenes de esa conferencia memorable, pero gracias a Bill Hammack, profesor de ingeniería química de la Universidad de Illinois, disponemos de de un remake en youtube de obligado visionado.

Probablemente Faraday obtuviese parte de la inspiración en las charlas que Sir Humphry Davy impartió en la misma institución en 1802, donde popularizó el concepto de ciclo del carbono como reciclaje global continuo del carbono y oxígeno entre plantas, animales y humanos. Esa idea romántica de un ciclo armónico de la Naturaleza también tuvo su epílogo literario en el grupo de ocho poemas de Samuel Taylor Coleridge reunidos en The Conversation Poems.

El ciclo del carbono fue estudiado originalmente por el químico, filósofo y teólogo británico Joseph Priestley simultáneamente a los galos Antoine Laurent Lavoisier y Armand Séguin. En un manuscrito de 1793, que no fue publicado debido a su ejecución en la guillotina unos meses más tarde, Lavoisier describía este ciclo de la siguiente manera:

Podemos concebir la inmensa cantidad de carbono secuestrado en las entrañas de La Tierra, ya que los mármoles, calizas y tierras calcáreas contienen alrededor de 3/10 y a veces hasta 1/3 de su peso en aire fijo [dióxido de carbono], este último compuesto formado por 28/100 partes de su peso en carbono; Entonces, es fácil concluir que las rocas calcáreas contienen de 8 a 9 libras de auténtico carbón por quintal. […] No seguiremos aquí el cambio de forma que el carbono toma al pasar de los minerales a las plantas y los reinos animales. Eso nos lanzaría a una discusión de química más allá de las pretensiones de este artículo.

La concentración de CO2 en la atmósfera

Hasta donde conozco, Lavoisier no estimó la concentración de CO2 presente en el aire. Los primeros intentos se produjeron durante los experimentos con la respiración de las plantas que realizó el químico suizo Nicolas-Théodore de Saussure alrededor de 1804, estableciendo un límite superior de un 0,05% en volumen. La primera medición precisa corresponde al químico francés Jean-Baptiste Boussingault en 1834 quién, según Alexander von Humboldt, limitó la concentración de CO2 lejos de las ciudades al intervalo 0.028%- 0,031%.

A finales del siglo XIX, varios hombres de ciencia (John Tyndall, Svante Arrhenius y Arvid Högbom principalmente) empezaron a pensar en la posibilidad del cambio de la concentración de CO2 de la atmósfera debido a las emisiones industriales. Pero no fue hasta que Charles David Keeling comenzó en 1958 con las mediciones sistemáticas en las pristinas atmósferas de Mauna Loa y la Antártida —continuadas después de su muerte en 2005 por su hijo Ralph F. Keeling— que adquirimos uno de los más detallados registros geológicos en los anales de la empresa científica.

"Mediciones

Cuando quieres que algo parezca insignificante, sólo tienes que utilizar la representación adecuada. A los negacionistas menos sofisticados les provoca gran placer mencionar el porcentaje de CO2 en la atmósfera, actualmente un 0,04% en volumen. A los calentólogos alarmistas[1] nos gusta ponerlo como 400 ppmv (partes por millón en volumen).

Izquierda. Composición porcentual de la atmósfera. Fuente. Derecha, La imagen original es de Kevin Pluck?.

Izquierda. Composición porcentual de la atmósfera. Fuente. Derecha, La imagen original es de Kevin Pluck?.

Cuantificando el ciclo del Carbono

¿Cómo una concentración tan pequeña puede tener un efecto en la atmósfera tan importante? Es una pregunta muy interesante para aquellos interesados en la ciencia y no tanto en la política o en la mera rebeldía contra la ciencia. La intuición de cualquier persona normal (lo que excluye la de un homeópata) le indicaría que tan minúscula cantidad no puede tener un efecto global sobre el planeta. Pero se trata simplemente de un argumento de incredulidad.

Para cambiar esa intuición, podríamos mirarlo de otra manera: utilizando cantidades absolutas. La masa de la atmósfera de la Tierra es de unos 5 trillones de kg. Eso significa que 1 ppmm (partes por millón en masa) corresponde a 5 billones de kg. Pero como las moléculas de CO2 son más pesadas que las de los gases componentes mayoritarios de la atmósfera (nitrógeno y oxígeno) —algo que pudimos ver el video de los experimentos Bill Hammack— , una unidad de volumen contiene proporcionalmente mayor fracción de masa de CO2 en un factor aproximada de 1,5 (? 44/39), por lo que 1ppmv (parte por mi?lón en volumen) corresponde aproximadamente a 7,5 billones de kg de CO2 ó, equivalentemente, unas 7,5 Gt CO2 (Gigatoneladas).

Nos encontraremos habitualmente en las representaciones del ciclo del carbono, no tanto la cantidad de CO2 intercambiada, como la cantidad de carbono. Así, 1 ppmv equivale en números redondos a 2 Gt C (12/44 × 7,5 Gt CO2)[2]

Ciclo del carbono. En rojo podemos ver los flujos relacionados con las emisiones industriales. Todas las cantidades están expresadas en Gt C. Fuente.

Ciclo del carbono. En rojo podemos ver los flujos relacionados con las emisiones industriales. Todas las cantidades están expresadas en Gt C (Gigatoneladas de carbono). Fuente.

El ciclo de carbono mantendría el equilibrio de CO2 en las atmósfera a corto plazo si no hubiésemos decidido llevar a cabo nuestro particular experimento geológico con las emisiones industriales. Como un ejemplo sencillo de este equilibrio, podemos considerar la respiración humana.

¿Cuánto CO2 exhalamos todos los humanos anualmente? En números redondos 1 kg de CO2 diario por cabeza, por los que, si sumamos la contribución anual de los más de 7 mil millones habitantes de este planeta, obtendremos algo menos de 3 Gt CO2. Las emisiones de CO2 industriales están en torno a 35 Gt CO2 anuales (9 Gt C), lo que parece implicar que la respiración humana contribuiría al equivalente de un 10% de las emisiones industriales. Pero lo cierto es que esas emisiones son de nuevo absorbidas en la fotosíntesis de las plantas que cultivamos como alimento. Estamos ante un ciclo cerrado.

Ciclo cerrado de la respiración humana. Fuente.

Ciclo cerrado de la respiración humana. Fuente.

En el últimos años la tasa de aumento en la concentración de CO2 ha sido de unas 2 ppmv anuales, acercándose ahora mismo a las 3 ppmv. Dicho aumento significa que añadimos a la atmósfera unas 4 Gt C cada año. El inventario del ciclo de carbono y la evidencia independiente que proporciona la disminución del peso medio de los isótopos de carbono presentes en el aire, no dejan lugar a dudas de que ese carbono tiene origen en la combustión de fósiles, principalmente.

"Evolución

¿A dónde ha ido la diferencia entre el CO2 de las emisiones industriales y su acumulación en la atmósfera? La respuesta es que los océanos y la vegetación absorben aproximadamente la mitad del CO2 que emitimos. A esos sistemas absorbentes de CO2 los denominamos sumideros de carbono. Esa es una buena noticia. La mala es que una mayor acumulación de CO2 contribuye a la acidificación de los océanos, comprometiendo su biodiversidad.

Otra noticia positiva del aumento de CO2 parecería que fuese el crecimiento de la masa vegetal asociado. El CO2 es comida para las plantas, como les gusta ponerlo a los negacionistas. Pero el diablo está en los detalles y las plantas que deberían interesarnos más son las que utilizamos mayormente para la alimentación de la población: el arroz, maíz y cereales principalmente. Y su crecimiento podría verse afectado por varios factores asociados al cambio climático, siendo el más sencillo de entender los valores extremos en la temperatura. Un estudio reciente, por ejemplo, estima un descenso de la producción de cereales entre el 17 y el 33% para finales de siglo en el caso de que no se aplique ninguna política de mitigación. Las autoridades chinas son perfectamente conscientes del gran reto que supone el cambio climático para la seguridad alimentaria. En Occidente no parece que todavía nos hayamos tomado el asunto suficientemente en serio.

Los incendios como comparación

La siguiente visualización puede ser una primera ilustración a la hora de hacernos una buena idea de lo que significan las emisiones industriales en términos absolutos. Cada hectárea de bosque de coníferas ardiendo puede emitir del orden de 10 toneladas de CO2. Así, nuestras emisiones anuales equivalen a unos 3500 millones hectáreas de bosque ardiendo, o 35 millones de km². Esa es una superficie similar a la de toda África.

"Toda

Disponemos de una buen dato como comparación con la contribución de grandes incendios en la estimación de emisiones de los fuegos que azotaron la selva de Indonesia durante 1997-98, equivalente a las emisiones industriales anuales de toda la Unión Europea, aproximadamente un 10% del total de emisiones globales.

"Emisiones

La recuperación de los bosques y selvas después de los incendios pueden suponer un balance neto de emisiones a medio plazo cercano a cero. Pero es un cómputo complejo actualmente en discusión.

Volcanes y emisiones de CO2

Otro de los grandes eventos geológicos que añaden CO2 a la atmósfera son los gases procedentes de los volcanes. ¿Por qué no aparecen los volcanes en la figura del ciclo del carbono? Aunque también pueda generar cierta incredulidad en el lector, las contribución de los volcanes palidecen frente al impacto geológico de las emisiones industriales.

Para ponernos en situación, la erupción del Pinatubo, ocurrida en 1991, emitió unas 50 millones de toneladas de CO2 en unas 9 horas. Las emisiones industriales ponen esa misma cantidad de CO2 en la atmósfera en tan solo 3 horas más. Para igualar a las emisiones industriales necesitaríamos la erupción de dos Pinatubo diarios. Eso equivale aproximadamente a una supererupción anual tipo Toba o Yellowstone, ocurridas hace 74.000 y 2 millones de años respectivamente.

El inventario de emisiones de todos los volcanes terrestres no llega anualmente a 1 Gt CO2, menos de 1/35 de las emisiones industriales y probablemente bastante menos que esa cantidad.

"Niveles

Niveles de CO2 medidos en Mauna Loa, Hawaii (NOAA) comparado con la profundidad óptica de aerosoles en la estratosfera a 50 nm como indicador de erupciones volcánicas (NASA GISS). Puede observarse la ausencia de correlación.

A escala geológica, otro evento volcánico de gran magnitud es lo que se conoce como Provincia Ígnea, provocada por el flujo de grandes cantidades de magma a través de la corteza. Contamos con cierta evidencia de que hace 56 millones de años, durante el Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno (PETM por su siglas en inglés), las emisiones de CO2 provocadas por un evento de este tipo en el Atlántico Norte fueron unas 20 veces mayores que las emisiones volcánicas actuales. En el registro geológico, el PETM aparece como un momento destacado por la rapidez del aumento de las emisiones de CO2, estimadas en unas 11000 Gt CO2 durante unos 50000 años, la mitad de la cantidad de carbono existente en las reservas actuales de combustibles fósiles. El PETM se prolongó durante unos pocos centenares de miles de años, un periodo donde la temperatura media del océano subió unos 5-8 ºC, alcanzando las aguas del Ártico temperaturas tropicales bien por encima de los 20ºC. Resulta sin duda preocupante que, aún un evento casi instantáneo a escala geológica y de esa magnitud, palidezca frente a la cantidad y rapidez de las emisiones industriales.

Una fuerza geológica

La comparación más ilustrativa de la magnitud de nuestra intervención en la química de la atmósfera terrestre es sin duda los niveles actuales de CO2 puestos en un contexto geológico de tiempo profundo. En el gráfico a continuación vemos datos de alta resolución de la variación de CO2 atmosférico en los ciclos glaciares que se vienen produciendo con una periodicidad de 100.000 años durante los últimos 800 milenios.

Imagen creada por @PeterGleick utilizando estas referencias.

Imagen creada por @PeterGleick utilizando estas referencias.

Los picos corresponden a la mitad del interglaciar, un periodo como el actual donde el hielo se limita a cubrir las regiones polares. Los valles se corresponden al máximo glacial, donde una capa de hielo de 1 a 3 km de espesor cubría el hemisferio Norte típicamente hasta la latitud de Londres.

Vemos en el gráfico que, durante esas Edades de Hielo, la concentración de CO2 variaba entre unos 180 y 290 ppmv, siendo ésta última la concentración típica de mediados del siglo XIX. Actualmente ya hemos superado el hito de 400 ppmv —acercándonos rápidamente a 410— , lo que implica que vivimos en una atmósfera extraordinaria que no ha existido al menos en el último millón de años.

Lo cierto es que concentraciones tan altas de CO2 no se han producido en nuestro planeta probablemente desde el Plioceno (entre 2,6 y 5,3 millones de años), cuando se produjo el cambio cíclico dominado por la periodicidad de 23000 años al dominado por el ciclo de 41000 años que vio aparecer al Homo Habilis, por lo que se trata de algo nunca visto por nuestra especie.

Nos hemos convertido sin duda en una fuerza geológica de pleno derecho y los científicos victorianos eran perfectamente conscientes del experimento geológico que había iniciado la revolución industrial. Aunque confundiendo el ciclo del carbono a corto y largo plazo, el químico germano Karl Gustav Bischof escribía en 1854

El carbono asimilado por las plantas perennes no pasa de nuevo a la atmósfera sino después de largos periodos de tiempo, y éste, enterrado en los estratos sedimentarios en forma de carbón, ha sido retirado más allá del rango de esta circulación por periodos de tiempo inconcebibles. Si este carbono no hubiese sido traído a la superficie por la industria humana, y de nuevo restituido en la atmósfera por la combustión, sería cuestionable que hubiese nunca retornado hasta allí, puesto que le carbono es uno de las substancias menos sujeta a cambios.

—Bischof K.G.(1854) Elements of Chemical and Physical Geology, Vol. 1. Cavendish Society.

CO2 y el clima de otros mundos

Por supuesto, nada de lo anterior nos indica la razón de la importancia de la concentración atmosférica de CO2 en la evolución del clima de nuestro planeta.

Si nos vamos a Marte, el CO2 supone el 95% de su atmósfera y cada unidad de volumen de atmósfera marciana contiene unas 70 veces más moléculas de CO2 que la atmósfera terrestre. Sin embargo, el calentamiento provocado por el CO2 es Marte es pequeño y estimado en torno a unos 5ºC, dejando la superficie marciana en temperaturas gélidas típicas de unos -50 ºC.

Esta situación contrasta con la atmósfera de Venus, con una concentración de CO2 similar a la marciana pero mil veces más densa. Descontando el efecto invernadero, las temperatura de la superficie en estos tres planetas deberían estar dentro de un intervalo de 100ºC. Pero lo cierto es que entre el gélido Marte y el Venus infernal hay 500ºC de diferencia. Esa comparación nos está indicando que la concentración de CO2 no es por supuesto el único factor relevante en el comportamiento térmico de la atmósfera.

Atmósferas de Venus, La Tierra y Marte. Fuente.

Atmósferas de Venus, La Tierra y Marte. Fuente.

El ciclo del carbono a más largo plazo

Una pregunta interesante es por qué tres planetas tan similares presentan atmósferas tan distintas. La respuesta tiene mucho que ver con el Ciclo a más largo plazo del Carbono, donde los océanos, la erosión e incluso la tectónica de placas juegan un papel primordial a escala geológica en el plazo de miles, decenas de miles y millones de años respectivamente. Pero su descripción detallada va más allá de las pretensiones de este escrito.

Ciclo a largo plazo del carbono. Fuente.

Ciclo a largo plazo del carbono. Fuente.

La idea básica con la que me gustaría que se quedara el lector es que ese ciclo a largo plazo implica cantidades de carbono inmensas en comparación con la existente en la atmósfera. Sólo en combustibles fósiles podría haber entre 5 y 10 veces la cantidad de CO2 presente ahora mismo. Podemos terminar por poner en nuestra atmósfera esas grandes cantidad de carbono en tan solo unas décadas, mientras que los procesos de los sumideros, capaces de retirar de la atmósfera ese carbono, actúan a mucho más largo plazo.

Cantidades estimadas de de carbono en nuestro planeta. Fuente.

Cantidades estimadas de carbono en nuestro planeta. Fuente.

Nuestra civilización está limitada a poner unas 1000 Gt de carbono en la atmósfera si quiere al menos tener la oportunidad de jugarse a cara o cruz el mantener la temperatura por debajo de 2ºC. Lo cierto es que ya hemos consumido un 60% de dicho “presupuesto” y las previsiones de la IEA no nos proporcionan mucho margen temporal.

"Las

La idea de que pequeñas variaciones de la concentración de CO2 sean capaces de provocar un aumento de la temperatura de la atmósfera terrestre es, sin duda, uno de los grandes descubrimiento de la ciencia moderna. Y es un efecto complicado de calcular en detalle, aunque física muy bien conocida, que implica las propiedades mecano-cuánticas de la molécula de CO2, la propiedades físico-estadísticas de absorción de calor por el aire, las mecánica de fluidos y el transporte de radiación, la mayoría de esa física ya bien establecida en la época victoriana.

Para entender mejor este efecto debemos estudiar la interacción de las moléculas de CO2 con la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre cuando es calentada por el Sol. Pero eso lo dejaremos para otra entrada.

… …

Post completo en: Naukas

Share