Definición: ¿Qué son las emisiones de gases de efecto invernadero o GEI?
Los gases de efecto invernadero
Los gases de efecto invernadero, o GEI, son gases compuestos que atrapan el calor o la radiación de onda larga en la atmósfera. Su presencia en la atmósfera hace que la superficie de la Tierra se caliente. La luz solar o radiación de onda corta atraviesa fácilmente estos gases y la atmósfera. Esta radiación es absorbida por la superficie de la Tierra y liberada como calor o radiación de onda larga. Dicho de otra forma, absorben parte de los rayos solares y los redistribuyen en forma de radiación dentro de la atmósfera terrestre, fenómeno conocido como efecto invernadero.
La estructura molecular de los GEI les permite absorber el calor liberado o atraparlo en la atmósfera y reemitirlo de nuevo a la tierra. Este fenómeno de captura de calor se conoce como efecto invernadero. La acumulación de GEI desde la revolución industrial ha acelerado este efecto invernadero, provocando el calentamiento global y el cambio climático.
Podemos, por lo tanto, definir el gas de efecto invernadero, a cualquier gas que tiene la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y la irradia de nuevo a la superficie terrestre, contribuyendo así al efecto invernadero.
Los gases de efecto invernadero tienen un profundo efecto en el balance energético del sistema terrestre, a pesar de constituir sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente a lo largo de la historia de la Tierra, y estas variaciones han provocado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo.
En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido especialmente altas durante los periodos cálidos y bajas durante los periodos fríos. Los conjuntos de datos a largo plazo revelan un aumento de las concentraciones del gas de efecto invernadero dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra. Los conjuntos de datos a largo plazo revelan un aumento de las concentraciones del gas de efecto invernadero dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra.
Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como las fuentes y sumideros de la vegetación, el suelo, los humedales y los océanos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de varios gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).
Las emisiones de GEI se refieren a la suma de los siete gases de efecto invernadero que influyen directamente en el cambio climático: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), clorofluorocarbonos (CFC), hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC), hexafluoruro de azufre (SF6) y trifluoruro de nitrógeno (NF3).
¿De donde proceden los gases de efecto invernadero?
Las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) se producen cuando se queman hidrocarburos, como el gas natural y el petróleo. Los GEI incluyen el dióxido de carbono (CO2), el metano, el óxido nitroso y el ozono, que contribuyen al cambio climático.
El gas natural y el petróleo se queman para la generación de electricidad, los usos industriales, el transporte y para calentar hogares y edificios comerciales.
De hecho, la mayor parte de las emisiones de GEI se liberan en la fase de usuario final, cuando los consumidores utilizan el gas natural y el petróleo para obtener calefacción, electricidad, combustible y otros productos importantes.
¿Cuáles gases son los GEI?
El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) ha identificado más de cuarenta gases de efecto invernadero, entre ellos los ya mencionados, vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), ozono (O3), óxido nitroso (N2O), hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre (SF6).
¿Cómo se producen?:
- El dióxido de carbono se produce principalmente por la combustión de combustibles fósiles (petróleo, carbón) y biomasa.
- El óxido nitroso (N2O) procede de actividades agrícolas, de la quema de biomasa y de productos químicos como el ácido nítrico.
- El metano (CH4) se genera principalmente en la agricultura (arrozales, ganado). Una parte de las emisiones procede de la producción y distribución de gas y petróleo, la minería del carbón, la combustión y los vertederos.
- Los gases fluorados (HFC, PFC, SF6) se utilizan en sistemas de refrigeración y en aerosoles y espumas aislantes. Los PFC y el SF6 se utilizan en la industria de los semiconductores. Los gases fluorados tienen un poder de calentamiento entre 1.300 y 24.000 veces superior al del dióxido de carbono y una vida útil muy larga. Por eso representan un peligro real, a pesar de la modesta parte que representan en el total de las emisiones de GEI.
El efecto de cada gas de efecto invernadero sobre el clima de la Tierra depende de su naturaleza química y de su concentración relativa en la atmósfera. Algunos gases tienen una gran capacidad de absorción de la radiación infrarroja o están presentes en cantidades significativas, mientras que otros tienen una capacidad de absorción considerablemente menor o sólo están presentes en cantidades mínimas.
El forzamiento radiativo, tal y como lo define el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), es una medida de la influencia que tiene un determinado gas de efecto invernadero u otro factor climático (como la irradiación solar o el albedo) en la cantidad de energía radiante que incide sobre la superficie de la Tierra.
Para comprender la influencia relativa de cada uno de los gases de efecto invernadero, a continuación se indican los llamados valores de forzamiento (expresados en vatios por metro cuadrado) calculados para el periodo comprendido entre 1750 y la actualidad.
FIGURA
El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes. (En menor medida, el ozono superficial, los óxidos nitrosos y los gases fluorados también atrapan la radiación infrarroja). Los principales GEI, también conocidos como gases que atrapan el calor, son:
- El dióxido de carbono
- El metano
- El óxido nitroso
- Los gases fluorados
- El vapor de agua
Dióxido de carbono
El dióxido de carbono compone el 64,3% de los GEI. Entra en la atmósfera a través de la quema de combustibles fósiles, residuos sólidos, árboles y productos de madera, y ciertas reacciones químicas. Las plantas lo eliminan de la atmósfera de forma natural como parte del ciclo biológico del carbono. El dióxido de carbono (CO2) es el gas de efecto invernadero más importante. Las fuentes naturales de CO2 atmosférico incluyen la destilación de los volcanes, la combustión y la descomposición natural de la materia orgánica, y la respiración de los organismos aeróbicos (que utilizan oxígeno).
Estas fuentes se equilibran, por término medio, con un conjunto de procesos físicos, químicos o biológicos, llamados «sumideros», que tienden a eliminar el CO2 de la atmósfera. Entre los sumideros naturales más importantes se encuentra la vegetación terrestre, que absorbe CO2 durante la fotosíntesis.
Metano
El metano se libera a la atmósfera por la producción y el transporte de carbón, gas natural y petróleo, las prácticas ganaderas y agrícolas, y la descomposición de los residuos orgánicos en los vertederos de residuos sólidos municipales. El metano (CH4) es el segundo gas de efecto invernadero más importante.
El CH4 es más potente que el CO2 porque el forzamiento radiativo producido por molécula es mayor. Además, la ventana de infrarrojos está menos saturada en el rango de longitudes de onda de la radiación absorbida por el CH4, por lo que un mayor número de moléculas puede ocupar la región.
Sin embargo, el CH4 existe en concentraciones mucho más bajas que el CO2 en la atmósfera, y sus concentraciones por volumen en la atmósfera se miden generalmente en partes por billón (ppb) en lugar de ppm.
El CH4 también tiene un tiempo de permanencia en la atmósfera considerablemente más corto que el CO2 (el tiempo de permanencia del CH4 es de aproximadamente 10 años, en comparación con los cientos de años del CO2).
Las fuentes naturales de metano incluyen los humedales tropicales y nórdicos, las bacterias oxidantes del metano que se alimentan de la materia orgánica consumida por las termitas, los volcanes, los respiraderos de filtración del fondo marino en regiones ricas en sedimentos orgánicos y los hidratos de metano atrapados a lo largo de las plataformas continentales de los océanos y en el permafrost polar.
El principal sumidero natural de metano es la propia atmósfera, ya que el metano reacciona fácilmente con el radical hidroxilo (OH-) dentro de la troposfera para formar CO2 y vapor de agua (H2O). Cuando el CH4 llega a la estratosfera, se destruye.
Otro sumidero natural es el suelo, donde el metano es oxidado por las bacterias.
Al igual que con el CO2, la actividad humana está aumentando la concentración de CH4 más rápido de lo que pueden compensar los sumideros naturales.
Las fuentes antropogénicas representan en la actualidad aproximadamente el 70% del total de las emisiones anuales, lo que conlleva un aumento sustancial de la concentración a lo largo del tiempo.
Las principales fuentes antropogénicas de CH4 atmosférico son el cultivo de arroz, la ganadería, la quema de carbón y gas natural, la combustión de biomasa y la descomposición de la materia orgánica en los vertederos.
Las tendencias futuras son especialmente difíciles de prever. Esto se debe, en parte, a una comprensión incompleta de las reacciones climáticas asociadas a las emisiones de CH4. Además, a medida que crece la población humana, es difícil predecir cómo influirán los posibles cambios en la ganadería, el cultivo del arroz y el uso de la energía en las emisiones de CH4.
Se cree que un aumento repentino de la concentración de metano en la atmósfera fue el responsable de un evento de calentamiento que elevó la temperatura media mundial entre 4 y 8 °C (7,2-14,4 °F) durante unos pocos miles de años, durante el llamado Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno (PETM).
Este episodio tuvo lugar hace aproximadamente 55 millones de años, y el aumento del CH4 parece haber estado relacionado con una erupción volcánica masiva que interactuó con depósitos de inundación que contenían metano. Como resultado, se inyectaron en la atmósfera grandes cantidades de CH4 gaseoso. Es difícil saber con exactitud cuán altas fueron estas concentraciones o cuánto tiempo persistieron. En concentraciones muy elevadas, los tiempos de residencia del CH4 en la atmósfera pueden llegar a ser mucho mayores que el tiempo de residencia nominal de 10 años que se aplica en la actualidad. No obstante, es probable que estas concentraciones alcanzaran varias ppm durante el PETM.
Las concentraciones de metano también variaron en un rango menor (entre 350 y 800 ppb aproximadamente) en asociación con los ciclos glaciales del Pleistoceno. Los niveles preindustriales de CH4 en la atmósfera eran de aproximadamente 700 ppb, mientras que los niveles superaron las 1.867 ppb a finales de 2018. (Estas concentraciones están muy por encima de los niveles naturales observados durante al menos los últimos 650.000 años).
El forzamiento radiativo neto de las emisiones antropogénicas de CH4 es de aproximadamente 0,5 vatios por metro cuadrado, es decir, aproximadamente un tercio del forzamiento radiativo del CO2.
Óxido nitroso y gases fluorados
El óxido nitroso (N2O) se emite durante las actividades agrícolas e industriales y durante la combustión de combustibles fósiles y residuos sólidos.
Otros gases traza producidos por la actividad industrial que tienen propiedades de efecto invernadero son el óxido nitroso (N2O) y los gases fluorados (halocarbonos), estos últimos incluyen los CFC, el hexafluoruro de azufre, los hidrofluorocarbonos (HFC) y los perfluorocarbonos (PFC). El óxido nitroso es responsable de un forzamiento radiativo de 0,16 vatios por metro cuadrado, mientras que los gases fluorados son responsables en conjunto de 0,34 vatios por metro cuadrado.
Los óxidos nitrosos tienen pequeñas concentraciones de fondo debido a reacciones biológicas naturales en el suelo y el agua, mientras que los gases fluorados deben su existencia casi por completo a fuentes industriales.
Los gases fluorados son gases sintéticos procedentes de procesos industriales. Incluyen:
- los hidrofluorocarbonos
- los perfluorocarbonos
- el hexafluoruro de azufre
- y el trifluoruro de nitrógeno
A veces se les conoce como sustancias que agotan la capa de ozono estratosférica o gases de alto potencial de calentamiento global (GWP) porque pueden ser 1.000 veces más potentes que el dióxido de carbono y pueden estar en la atmósfera durante 1.000 años.
Vapor de agua
El vapor de agua es el gas de efecto invernadero más potente de la atmósfera terrestre, pero su comportamiento es fundamentalmente diferente al de los demás gases de efecto invernadero.
El papel principal del vapor de agua no es un agente directo de forzamiento radiativo, sino más bien una retroalimentación climática, es decir, una respuesta dentro del sistema climático que influye en la actividad continua del sistema.
Esta distinción se debe a que, en general, la cantidad de vapor de agua en la atmósfera no puede ser modificada directamente por el comportamiento humano, sino que viene determinada por la temperatura del aire. Cuanto más caliente es la superficie, mayor es la tasa de evaporación del agua de la superficie.
Como resultado, el aumento de la evaporación conduce a una mayor concentración de vapor de agua en la atmósfera inferior capaz de absorber la radiación infrarroja y emitirla de nuevo a la superficie.
GEI forzantes y GEI retroalimentadores
Los GEI también pueden clasificarse en dos tipos diferentes:
- GEI forzantes
- GEI retroalimentadores
Los GEI forzantes son los cuatro gases mencionados anteriormente: el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso y los gases fluorados. Tardan muchos años en abandonar la atmósfera y no reaccionan a los cambios de temperatura o de presión atmosférica, por lo que no son fáciles de eliminar.
Los GEI retroalimentados son el vapor de agua. Duran en la atmósfera sólo unos días y son componentes muy activos del sistema climático, lo que significa que responden rápidamente a los cambios en las condiciones. Actúan como retroalimentación de los GEI haciendo circular el efecto invernadero o acentuando el efecto de calentamiento de los GEI forzantes.
Los GEI pueden evaluarse de tres maneras: cuánto, cuánto tiempo y qué potencia.
- «Cuánto» o la concentración y abundancia de los GEI es importante porque algunos GEI se producen más que otros. En los debates populares sobre el calentamiento global y los GEI, el dióxido de carbono recibe más atención porque es el GEI más abundante en la atmósfera. Algunos gases permanecen mucho tiempo en la atmósfera
- «Cuanto tiempo» es la duración o residencia en la atmósfera depende de lo bien mezclados que estén en la atmósfera. Cuando un gas está bien mezclado, la cantidad medida en la atmósfera es la misma en todo el mundo.
- «Cómo de potente» se refiere a su Potencial de Calentamiento Global (PCG) o a su impacto en las temperaturas globales. Algunos gases son más eficaces para absorber energía o atrapar el calor que otros. Por ejemplo, una libra de metano atrapa 21 veces más calor que una libra de dióxido de carbono.
Las actividades humanas son la principal fuente de GEI. La quema de combustibles fósiles, la deforestación, la ganadería intensiva, el uso de fertilizantes sintéticos y los procesos industriales contribuyen a ello. Desde la Revolución Industrial del siglo XVIII, se ha producido un fuerte y peligroso aumento de los GEI en la atmósfera. Esto puede atribuirse en gran parte a los procesos industriales, la electricidad, la calefacción de los hogares y la conducción.
La temperatura de la Tierra depende del equilibrio entre la energía que entra y sale de la atmósfera. El desequilibrio puede ser causado por cambios en el efecto invernadero, que a su vez provoca el cambio climático.
Antes de la Revolución Industrial, el clima variaba de forma natural. Sin embargo, los cambios climáticos desde entonces no pueden explicarse por causas naturales. El aumento de las temperaturas, los cambios en los patrones de nieve y precipitaciones y los fenómenos climáticos más extremos se han relacionado con los niveles antinaturales de dióxido de carbono y otros GEI en la atmósfera.
El ciclo de carbono
El carbono se transporta en diversas formas a través de la atmósfera, la hidrosfera y las formaciones geológicas.
Una de las principales vías de intercambio de dióxido de carbono (CO2) tiene lugar entre la atmósfera y los océanos; allí una fracción del CO2 se combina con el agua, formando ácido carbónico (H2CO3) que posteriormente pierde iones de hidrógeno (H+) para formar iones bicarbonato (HCO3-) y carbonato (CO32-).
Las conchas de moluscos o los precipitados minerales que se forman por la reacción del calcio u otros iones metálicos con el carbonato pueden quedar enterrados en los estratos geológicos y liberar eventualmente CO2 a través de la desgasificación volcánica.
El dióxido de carbono también se intercambia a través de la fotosíntesis en las plantas y de la respiración en los animales. La materia orgánica muerta y en descomposición puede fermentar y liberar CO2 o metano (CH4) o puede incorporarse a la roca sedimentaria, donde se convierte en combustibles fósiles.
La quema de combustibles de hidrocarburos devuelve CO2 y agua (H2O) a la atmósfera. Las vías biológica y antropogénica son mucho más rápidas que las vías geoquímicas y, en consecuencia, tienen un mayor impacto en la composición y la temperatura de la atmósfera.
- Sumidero de carbono – Bomba de solubilidad: Una serie de procesos oceánicos también actúan como sumideros de carbono. Uno de ellos, la «bomba de solubilidad«, implica el descenso del agua de mar superficial que contiene CO2 disuelto.
- Sumidero de carbono – Bomba biológica: Otro proceso, la «bomba biológica«, consiste en la absorción de CO2 disuelto por la vegetación marina y el fitoplancton (pequeños organismos fotosintéticos que flotan libremente) que viven en la parte superior del océano o por otros organismos marinos que utilizan el CO2 para construir esqueletos y otras estructuras hechas de carbonato de calcio (CaCO3). A medida que estos organismos expiran y caen al fondo del océano, su carbono es transportado hacia abajo y finalmente enterrado en la profundidad. El equilibrio a largo plazo entre estas fuentes y sumideros naturales conduce al nivel de fondo, o natural, de CO2 en la atmósfera.
En cambio, las actividades humanas aumentan los niveles de CO2 en la atmósfera principalmente a través de la quema de combustibles fósiles (principalmente petróleo y carbón, y en segundo lugar gas natural, para su uso en el transporte, la calefacción y la producción de electricidad) y a través de la producción de cemento. Otras fuentes antropogénicas son la quema de bosques y el desmonte de tierras.
En la actualidad, las emisiones antropogénicas suponen la liberación anual de unas 7 gigatoneladas (7.000 millones de toneladas) de carbono a la atmósfera. Las emisiones antropogénicas equivalen a aproximadamente el 3% del total de las emisiones de CO2 procedentes de fuentes naturales, y esta carga amplificada de carbono procedente de las actividades humanas supera con creces la capacidad de compensación de los sumideros naturales (tal vez hasta 2-3 gigatoneladas al año). En consecuencia, el CO2 se ha acumulado en la atmósfera a un ritmo medio de:
- 1,4 partes por millón (ppm) en volumen por año entre 1959 y 2006
- y aproximadamente 2,0 ppm por año entre 2006 y 2018
En general, este ritmo de acumulación ha sido lineal (es decir, uniforme a lo largo del tiempo). Sin embargo, algunos sumideros actuales, como los océanos, podrían convertirse en fuentes en el futuro. Esto puede llevar a una situación en la que la concentración de CO2 atmosférico aumente a un ritmo exponencial (es decir, a un ritmo de aumento también creciente en el tiempo).
Reducir las emisiones de GEI: Un reto mundial
La reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero es una cuestión importante a nivel mundial, y la industria del gas natural y el petróleo se ha comprometido a reducir la cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero generadas por cada barril de petróleo y metro cúbico de gas natural producido.
Las innovaciones en materia de gas natural y petróleo que se están desarrollando pueden utilizarse -y se están utilizando- a nivel mundial, tanto para producir gas natural y petróleo como para sustituir los hidrocarburos más intensivos en emisiones, como el carbón, por fuentes de energía producidas de forma responsable.
Para limitar la acentuación del efecto invernadero y el aumento de las temperaturas en la superficie del planeta, muchos países, han puesto en marcha políticas de reducción o limitación de las emisiones de determinados GEI, sobre todo en el marco del Protocolo de Kioto.
Última revisión – Diciembre 2021
