¿Por qué el dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero?

El dióxido de carbono es una molécula activa de infrarrojos 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 calentaba mucho más rápido a la luz del sol que uno con aire normal. También se enfrió mucho más lentamente cuando se quitó 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 había mezclado con una proporción mayor que la actual… ”. Esta observación no recibió mucha 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 responsables). Pero, ¿qué lo califica como un gas de efecto invernadero, mientras que los otros componentes principales del aire no lo son? ¡Vamos a saber cómo el gas que hace que su refresco también haga que los glaciares se derrumben!

Una breve historia de los gases de efecto invernadero

Todos los días, nuestro planeta recibe un trillón de julios de energía de nuestro medallón de fuego favorito en el cielo. La luz solar 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 billones de toneladas que flota sobre nuestra cabeza, filtra ~ 99% de los rayos UV, con la ayuda de la capa de ozono (no al 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 lugar cálido y acogedor de vida en el vasto y frío vacío.

Los rayos infrarrojos que golpean la superficie de la tierra son absorbidos por diferentes objetos y se irradian de regreso en forma de calor. El calor reflejado intenta 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 el clorofluorocarbono evitan que el calor se escape completamente al espacio. Si no fuera por ellos, ¡nuestro planeta sería una bola de hielo congelada con una temperatura promedio de 18 grados bajo cero!

¿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 de la Tierra, no a los que entran con la luz solar.

Los componentes principales 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 IR activo, lo que significa que sufre alguna interacción química con la radiación IR que le impide salir del planeta (aunque no todo). Entonces, ¿qué sucede cuando estas moléculas interfieren con la trayectoria 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, imagine 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 se estiran a una frecuencia particular y quedan suspendidos en la atmósfera.

Diferentes modos de vibración del CO2.

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

El mismo fenómeno ocurre una y otra vez para billones de moléculas de CO2. La absorción, excitación y reemisión continuas 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 vibran moléculas heteroatómicas como el dióxido de carbono, el metano o el dióxido de nitrógeno, se produce un cambio en su distribución de carga. A veces se distribuyen de manera uniforme y, a veces, no. La distribución desigual de cargas entre los enlaces crea un campo eléctrico que los hace sensibles a las radiaciones electromagnéticas, como los infrarrojos.

Sin embargo, en el caso de gases heteroatómicos como N2 y O2, incluso cuando los enlaces se estiran, no hay cambios en el campo eléctrico. Por lo tanto, las radiaciones electromagnéticas las pasan sin obstáculos. Además, las moléculas son muy exigentes en cuanto a 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 los rayos 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 poderosos 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 creadas por el hombre. 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 punto focal 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 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!