¿Por qué el dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero? » ABC de la ciencia

El dióxido de carbono es una molécula activa en el IR que absorbe las radiaciones infrarrojas largas emitidas por la superficie de la Tierra.

Era el verano de 1856 y Eunice Foot intentaba identificar los factores que influían en el calor de los rayos solares. Sus experimentos llevaron a la conclusión de que un ambiente cerrado rico en gas ácido carbónico (ahora conocido como dióxido de carbono) se calienta mucho más rápido con la luz solar que uno con aire normal. También se enfrió mucho más lentamente cuando se retiró de la luz solar directa.

En su artículo, que ni siquiera se le permitió presentar porque era mujer, escribió: “Una atmósfera de ese gas le daría a nuestra Tierra una temperatura alta, y si algunos suponen, en un período de su historia el aire tenía mezclada con una proporción mayor que la presente…”. Esta observación no llamó mucho la atención en ese entonces, pero nos devuelve la mirada todos los días. Eso es porque aparentemente estamos viviendo en el futuro no tan agradable que Eunice había imaginado.

A menos que haya vivido bajo una roca durante más de una década, sabe que el dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero responsable del calentamiento global (aunque técnicamente, “nosotros” somos los responsables). Pero, ¿qué lo califica para ser un gas de efecto invernadero, mientras que los otros componentes principales del aire no lo son? ¡Veamos cómo el gas que hace que tu gaseosa explote también hace que los glaciares se desprendan!

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Breve historia de los gases de efecto invernadero

Todos los días, nuestro planeta recibe un quintillón de julios de energía de nuestro medallón de fuego favorito en el cielo. La luz del sol que da vida es un cóctel de rayos ultravioleta, visible e infrarrojo.

Antes de que todos los rayos lleguen a la superficie de la Tierra, nuestra atmósfera, una capa de gas de 55 cuatrillones de toneladas que flota sobre nuestra cabeza, filtra ~99 % de los rayos UV con la ayuda de la capa de ozono (no el 100 %, así que no olvide protector solar). Luego deja entrar los rayos visibles que iluminan nuestro mundo. Por último, pero no menos importante, los rayos infrarrojos hacen de la tierra un cálido y acogedor bolsillo de vida en el vasto vacío frío.

Los rayos infrarrojos que golpean la superficie de la tierra son absorbidos por diferentes objetos y se irradian de vuelta en forma de calor. El calor reflejado trata de alejarse de la superficie calentada hacia las regiones más frías del cielo, que es cuando se enfrentan a los guardianes del calor: los gases de efecto invernadero.

Ciertos gases como el dióxido de carbono, el vapor de agua, los óxidos de nitrógeno, el metano y los clorofluorocarbonos evitan que el calor se escape por completo al espacio. ¡Si no fuera por ellos, nuestro planeta sería una bola de hielo congelada con una temperatura promedio de 18 grados bajo cero!

El efecto invernadero fue descubierto por John Tyndall en 1859 meme

¿Qué hace que el dióxido de carbono sea un gas de efecto invernadero?

En este contexto, cuando decimos radiaciones infrarrojas o IR, nos referimos a los rayos IR reflejados por la superficie terrestre, no a los que entran con la luz del sol.

Los principales componentes del aire, como el nitrógeno y el oxígeno, son transparentes a la radiación IR, lo que significa que no interactúan con esos rayos. Sin embargo, el dióxido de carbono o el gas CO2 es activo en el IR, lo que significa que sufre alguna interacción química con la radiación IR que evita que abandone el planeta (aunque no todo). Entonces, ¿qué sucede cuando estas moléculas interfieren con el camino de los rayos IR? Para eso, necesitamos acercarnos a las moléculas de gas individuales.

Las moléculas de gas se encuentran en un estado constante de vibración, incluso en condiciones normales de temperatura y presión. Estos movimientos se vuelven más intensos cuando son golpeados por una fuente de energía externa. Ahora, imagina una molécula de CO2 donde los átomos de carbono y oxígeno son pelotas de ping-pong y los enlaces que los conectan son resortes. En circunstancias normales, estos enlaces se doblan y estiran a una frecuencia particular y permanecen en la atmósfera.

Vibración_de_una_molécula_de_CO2

Diferentes modos de vibración del CO2

Entonces…. ¡BAM! Un fotón de radiación IR golpea la molécula de gas, que absorbe el fotón, se excita y comienza a vibrar a mayor velocidad. Sin embargo, la molécula de gas no puede mantener este movimiento más rápido por mucho tiempo y debe relajarse para regresar a su estado original. Se relaja devolviendo la energía al aire o transfiriéndola a una molécula de CO2 cercana.

El mismo fenómeno tiene lugar una y otra vez para billones de moléculas de CO2. La continua absorción, excitación y reemisión de energía es lo que atrapa el calor en el interior.

¿Por qué el nitrógeno y el oxígeno no son gases de efecto invernadero?

En cada molécula hay cargas positivas y negativas debido al núcleo y las nubes de electrones. Cuando las moléculas heteroatómicas como el dióxido de carbono, el metano o el dióxido de nitrógeno vibran, hay un cambio en su distribución de carga. A veces se distribuyen uniformemente y otras veces no. La distribución desigual de cargas entre enlaces crea un campo eléctrico que los hace sensibles a las radiaciones electromagnéticas, como el IR.

Sin embargo, en el caso de gases heteroatómicos como N2 y O2, incluso cuando los enlaces se estiran, no hay cambio en el campo eléctrico. Por lo tanto, las radiaciones electromagnéticas los pasan sin obstáculos. Además, las moléculas son muy exigentes cuando se trata de la frecuencia de radiación con la que interactúan. El CO2 absorbe fácilmente la radiación IR de onda larga de menor energía, pero el N2 y el O2 solo absorben radiaciones de mayor energía como los rayos gamma o X.

¿Es el CO2 el gas de efecto invernadero más peligroso?

Una sola molécula de clorofluorocarbono puede crear una huella equivalente a 10 000 moléculas de CO2, el metano puede absorber 30 veces más calor y el vapor de agua es el más fuerte entre todos los gases de efecto invernadero presentes en el aire.

Aunque estos gases son mucho más potentes como gases de efecto invernadero que el CO2, sus concentraciones no se ven afectadas drásticamente por la actividad humana. No se puede decir lo mismo del CO2, ya que es un subproducto importante de muchas actividades humanas. Ha habido un aumento del 90 % en las emisiones de CO2 desde 1970, por lo que, si bien no es inherentemente el gas de efecto invernadero más peligroso, se ha convertido en el foco de preocupación debido a su liberación excesiva y en gran parte no regulada a la atmósfera.

Conclusión

El dióxido de carbono es un factor muy importante para mantener nuestro estatus como el planeta Ricitos de Oro. Ha mantenido nuestras aguas líquidas y nuestro hogar habitable, pero los veranos se vuelven más calurosos con cada año que pasa debido al desequilibrio que hemos introducido a través de las emisiones excesivas. Afortunadamente para nosotros, la naturaleza nos ha proporcionado colosales sumideros de carbono en forma de suelo, bosques y océanos. ¡Lo mínimo que podemos hacer es preservarlos y restaurarlos y dejar que hagan su trabajo!