¿Qué son los gases de efecto invernadero?

Gases de efecto invernadero. Es difícil no haber oído hablar de ellos, especialmente en relación con el calentamiento global y el cambio climático. Sin embargo, pocas personas saben cómo se comportan exactamente estos gases, cuáles son o de dónde proceden.

En este artículo abordaremos estas y otras cuestiones que te ayudarán a entender mejor la complejidad del cambio climático.

Los gases y la atmósfera

Toda la materia esta formada por átomos, los cuales están unidos entre si por enlaces más o menos fuertes, lo que les permite una mayor o menor movilidad.

Cuando los átomos están tan juntos que apenas pueden moverse, sus enlaces son muy fuertes y decimos que la materia se encuentra en estado sólido, como el hielo. Cuando los enlaces de los átomos se vuelven más débiles, obtienen mayor movilidad y la materia pasa a estado líquido, como el agua.

Finalmente, cuando los enlaces de los átomos son tan débiles que apenas los mantienen unidos, la materia ha alcanzado el estado gaseoso y su movilidad es enorme, como el vapor de agua. Es por eso que los gases ocupan todo el espacio disponible, creando el aire que nos rodea, así como nuestra atmósfera.

Debido a la gravedad, la mayoría de gases se concentran en la troposfera, que es la capa de la atmósfera que se extiende desde el suelo hasta una altura de entre 7 y 15 km.

Los gases que componen la atmósfera y el porcentaje que cada gas ocupa en ella han ido cambiando a largo de los miles de millones de años de existencia de nuestro planeta. Actualmente, la atmósfera terrestre se compone mayoritariamente de Nitrógeno (78.084%), Oxígeno (20.946%) y Argón (0.934%).

En el pequeño porcentaje restante se encuentran, entre otros, los gases de efecto invernadero.

¿Qué es el efecto invernadero?

Cuando los rayos del Sol llegan a la Tierra, una parte de la radiación que poseen es absorbida por la superficie terrestre, calentándola. Al estar caliente, la superficie terrestre comienza a emitir radiación térmica hacia la atmósfera, principalmente en forma de luz infrarroja. La mayor parte consigue llegar al espacio exterior debido a que los gases mayoritarios en la atmósfera (Nitrógeno y Oxigeno) no se ven afectados por ella.

Los gases de efecto invernadero, sin embargo, absorben la luz infrarroja al ser alcanzados por ella, lo que hace que aumenten su temperatura y emitan radiación térmica en todas las direcciones, incluyendo de vuelta a la superficie terrestre.

Este fenómeno permite a la superficie terrestre retener parte del calor que recibe del Sol y recibe el nombre de efecto invernadero. Gracias a él la superficie terrestre mantiene una temperatura media de 15ºC, mientras que en ausencia de este efecto la temperatura media seria de unos -18ºC.

Por tanto, es importante entender que el efecto invernadero no es algo provocado por el ser humano, sino un fenómeno natural gracias al cual se mantiene la vida en la Tierra tal y como la conocemos.

Sin embargo, como veremos a continuación, la actividad humana ha aumentado las proporciones naturales de gases de efecto invernadero en la atmósfera, aumentando su capacidad para retener la radiación térmica.

Gases de efecto invernadero de origen humano

Durante la mayor parte de nuestra historia, las actividades humanas no tuvieron ningún impacto en la atmósfera, hasta que en el siglo XVIII se inventó la máquina de vapor. Esto condujo a la Revolución Industrial y a la quema masiva de carbón como combustible. Es por ello que cuando se analiza el calentamiento global se hace comparando los niveles actuales de gases y temperatura con los niveles pre-industriales, si bien el año exacto en el que situar ese punto «pre-industrial» todavía es objeto de debate [1].

Durante muchos años, la existencia del efecto invernadero y la influencia humana en él fue desconocida. Conforme el conocimiento del clima y el avance de las tecnologías capaces de medirlo avanzaron surgieron las primeras preocupaciones entre la comunidad científica, que finalmente llevaron a la creación, en 1988, del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático (IPCC).

Esta entidad científica, creada por la Organización Meteorológica Mundial y el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente, tiene por objeto proporcionar información fiable sobre el estado actual del cambio climático a los responsables políticos y otros sectores interesados.

A continuación, utilizando la información proporcionada por el IPCC, vamos a ver cuales son los principales gases invernadero de origen humano, de donde proceden y que papel juega cada uno en el calentamiento global.

Principales gases invernadero

Gas	Concentración pre-industrial	Concentración actual (2011)	Persistencia en la atmósfera (Años)	Potencial de Calentamiento Mundial (100 años)
Dióxido de Carbono (CO2)	278ppm*	391 ppm	**	1
Metano (CH4)	722ppb	1803 ppb	12	28
Oxido Nitroso (N2O)	270ppb	324 ppb	121	265
CFC-11	0	238 ppt	45	4.660
CFC-12	0	528 ppt	100	10.200
CFC-13	0	2,7 ppt	640	13.900
CFC-113	0	74,3 ppt	85	5.820
CFC-115	0	8,37 ppt	1020	7.670
HCFC-22	0	213 ppt	12	1.760
HCFC-141b	0	21,4 ppt	9	782
HCFC-142b	0	21,2 ppt	17	1.980
HFC-23	0	24 ppt	222	12.400
HFC-32	0	4,92 ppt	5	677
HFC-125	0	9,58 ppt	28	3.170
HFC-134a	0	62,7 ppt	13	1.300
HFC-143a	0	12 ppt	47	4.800
HFC-152a	0	6,4 ppt	1	138
SF6	0	7,28 ppt	3.200	23.500
SO2F2	0	1,71 ppt	36	4.090
NF3	0	0,9 ppt	500	16.100
CF4	35ppt	79 ppt	50.000	6.630
C2F6	0	4,16 ppt	10.000	11.100
CH3CCl3	0	6,32 ppt	5	160
CCl4	0	85,8 ppt	26	1.730
Referencias	[2] Tabla 8.2	[2] Tabla 8.2	[2] Tabla 8.A.1	[2] Tabla 8.A.1

* Las concentraciones se miden en partes por millón (ppm), partes por billón (ppb), o partes por trillón (ppt); 1 ppm para un gas significa que hay una molécula de ese gas en cada millón de moléculas de aire.

** La persistencia del CO₂ en la atmósfera no se puede cuantificar con una única cifra, ya que varia desde cientos hasta miles de años. Esto se debe a que los fenómenos naturales que absorben el CO₂ son muy diversos y requieren periodos de tiempo diferentes. [3]

Explicación de cada columna:

Origen de las emisiones

Dióxido de Carbono (CO₂)

Hay dos formas en que la acción humana incrementa los niveles de este gas: las emisiones directas y la destrucción de los sumideros naturales de CO₂.

Estos sumideros son los océanos, las plantas y el suelo. La tala de bosques y la transformación de suelos para la agricultura y la ganadería reducen la capacidad total del planeta para absorber el CO₂ de forma natural.

Las emisiones directas de CO₂ provienen en su mayoría de la quema de combustibles fósiles y la producción industrial. Dentro de las emisiones de origen industrial la producción de cemento supone la mayor parte [5].

El gráfico anterior muestra como las emisiones de CO₂ se han repartido por sector en las últimas décadas (toca la imagen para ampliar).

Explicación de cada sector:

Así es como las emisiones de CO₂ se repartieron en 2017 por continentes y países (toca la imagen para ampliar):

Las emisiones que se muestran aquí se refieren al país donde se produce el CO₂, no al lugar donde finalmente se consumen los bienes y servicios que generan las emisiones.

Tanto la aviación como la navegación no están incluidas en este gráfico. Esto se debe a que no existe un acuerdo sobre cómo deben asignarse las emisiones que cruzan las fronteras de los países.

China es el mayor emisor de Asia y del mundo: emite casi 10.000 millones de toneladas cada año, más de una cuarta parte de las emisiones globales.

América del Norte, encabezada por Estados Unidos, es el segundo mayor emisor regional con un 18% de las emisiones mundiales. Le sigue de cerca Europa con un 17%. Los países de la Unión Europea se muestran agrupados (EU-28), ya que normalmente negocian y establecen objetivos como un organismo colectivo.

Tanto África como América del Sur son emisores bastante pequeños: representan cada uno entre el 3 y el 4% de las emisiones mundiales.

Metano (CH₄)

Las principales emisiones de metano de origen humano provienen de los vertederos, la ganadería (especialmente la fermentación en animales de granja), el cultivo de arroz, la quema de biomasa, así como la producción, el transporte y el uso de combustibles fósiles.

Emisiones de metano por sector (toca la imagen para ampliar):

Explicación de sectores que aparecen por primera vez:

Oxido Nitroso (N₂O) 

Las emisiones de N₂O de origen humano provienen de la agricultura (fertilizantes de óxido nitroso, cultivo del suelo), el estiércol del ganado, la combustión de biomasa y combustibles fósiles, y los procesos industriales.

Emisiones de N₂O por sector (toca la imagen para ampliar):

Gases sintéticos

Los gases sintéticos de efecto invernadero incluyen los halocarbonos, como los CFC (clorofluorocarbonos), HCFC (hidroclorofluorocarbonos) y HFC (hidrofluorocarbonos). Otros gases invernadero sintéticos son los perfluorocarbonos (PFC) y el hexafluoruro de azufre (SF₆).

Los halocarbonos se utilizan, por ejemplo, en propulsores, dispositivos de refrigeración, aire acondicionado, ciertos tipos de bombas de calor y para espuma plástica.

Los PFC se utilizan en la fabricación de aluminio y magnesio y en el enriquecimiento de uranio, también se utilizan en la cirugía ocular. El SF₆ se utiliza en las centrales eléctricas como gas aislante, en equipos de conmutación e interruptores automáticos aislados con gas y en aplicaciones científicas.

Contribución al calentamiento global

La contribución al calentamiento global de cada gas es una información clave a la hora de entender como nos afectan. Una forma de poder medir esto es el «forzamiento radiativo», que es la diferencia entre la radiación solar absorbida por la Tierra y la radiación que emite de vuelta al espacio. Así, un forzamiento radiativo positivo provoca un aumento de temperatura, mientras que uno negativo provoca un descenso. El forzamiento radiativo se mide en vatios por metro cuadrado.

Para calcular la responsabilidad de los gases invernadero en el forzamiento radiativo primero hay que eliminar todas las causas de origen no humano que contribuyen a él, como diferencias en la cantidad de radiación recibida del Sol, erupciones volcánicas, etc.

A partir de aquí los científicos calculan el forzamiento radiativo para cada gas, teniendo en cuenta su concentración atmosférica actual y pre-industrial (usándose el año 1750 como referencia), su capacidad de transferencia de radiación, así como otros parámetros [6].

Estos son los principales gases invernadero según su contribución:

Gas	Forzamiento radiativo (W/m2)	Contribución %
Dióxido de Carbono (CO2)	1,82	64,3
Metano (CH4)	0,48	17
Oxido Nitroso (N2O)	0,17	6
CFC-11	0,062	2,2
CFC-12	0,17	6
Resto de gases	0,128	4,5
Total	2,83	100
Referencias	[2] Tabla 8.2

Las cifras son las utilizadas por el IPCC en su Quinto Informe, utilizando datos del 2011. Sin embargo, hay que destacar que estudios posteriores arrojan cifras todavía más altas, especialmente respecto al metano [7].

Gases invernadero de origen no humano

Hay dos importantes gases de efecto invernadero que, aunque no son emitidos directamente por acción humana, aumentan a consecuencia de ella: El vapor de agua y el ozono.

Vapor de agua (H₂O) 

El vapor de agua es el gas de efecto invernadero más abundante en la atmósfera.

Debido a que los gases invernadero de origen humano aumentan la temperatura de la atmósfera, se evapora más agua de la superficie terrestre (ríos, océanos, embalses, suelo). Debido a que el aire es más cálido, la humedad absoluta puede ser mayor (en esencia, el aire es capaz de «retener» más agua cuando está más caliente), lo que aumenta el vapor de agua en la atmósfera.

Sin embargo, a medida que el vapor de agua aumenta en la atmósfera, una mayor cantidad de este también se condensa en nubes, que pueden reflejar la radiación solar entrante (permitiendo así que menos energía llegue a la superficie de la Tierra y la caliente). Es por este y otros factores que todavía existen dudas sobre como una mayor presencia de vapor de agua afecta al cambio climático [8].

Ozono troposférico (O₃)

La mayor parte del ozono total existente en la atmósfera, el 90%, se encuentra y se forma en la estratosfera y es el que protege a la Tierra de las radiaciones ultravioletas del Sol. El resto del ozono se encuentra y se forma en la troposfera.

Este ozono troposférico se forma por reacciones químicas entre la luz solar y otros gases, llamados precursores. Los principales precursores del ozono son los óxidos de nitrógeno, los compuestos orgánicos volátiles (COVs), el metano (CH₄) y el monóxido de carbono (CO).

El ozono troposférico no solo es un gas invernadero sino que también supone un peligro para la salud, acumulándose sobre ciudades con aire contaminado y causando miles de muertes al año por enfermedades respiratorias, además de afectar negativamente al crecimiento de las plantas [9].

Conclusiones

Los gases de efecto invernadero son una pieza clave para comprender el calentamiento global y el cambio climático. Conocer los fundamentos de su origen y la forma en que afectan al planeta nos da herramientas para ser críticos ante un tema que esta cada vez más politizado.

Te animamos a que utilices este artículo como punto de partida e investigues más si te has quedado con dudas.

Referencias

1. Estimating Changes in Global Temperature since the Preindustrial Period; Ed Hawkins, Pablo Ortega, and Emma Suckling; NCAS-Climate, and Department of Meteorology, University of Reading, Reading, United Kingdom
2. Myhre, G., D. Shindell, F.-M. Bréon, W. Collins, J. Fuglestvedt, J. Huang, D. Koch, J.-F. Lamarque, D. Lee, B. Mendoza, T. Nakajima, A. Robock, G. Stephens, T. Takemura and H. Zhang, 2013: Anthropogenic and Natural Radiative Forcing. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
3. Atmospheric Lifetime of Fossil Fuel Carbon Dioxide; David Archer, Michael Eby, Victor Brovkin, Andy Ridgwell, Long Cao, Uwe Mikolajewicz, Ken Caldeira, Katsumi Matsumoto, Guy Munhoven, Alvaro Montenegro, and Kathy Tokos; Annual Review of Earth and Planetary Sciences Vol. 37:117-134
4. Hartmann, D.L., A.M.G. Klein Tank, M. Rusticucci, L.V. Alexander, S. Brönnimann, Y. Charabi, F.J. Dentener, E.J. Dlugokencky, D.R. Easterling, A. Kaplan, B.J. Soden, P.W. Thorne, M. Wild and P.M. Zhai, 2013: Observations: Atmosphere and Surface. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
5. Benhelal, E., Zahedi, G., Shamsaei, E., & Bahadori, A. (2013). Global strategies and potentials to curb CO2 emissions in cement industry. Journal of cleaner production, 51, 142-161.
6. Radiative Forcing of Climate Change; V. Ramaswamy, O. Boucher, J. Haigh, D. Hauglustaine, J. Haywood, G. Myhre, T. Nakajima, G.Y. Shi, S. Solomon
7. Etminan, M., Myhre, G., Highwood, E. J., & Shine, K. P. (2016). Radiative forcing of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide: A significant revision of the methane radiative forcing. Geophysical Research Letters, 43(24), 12-614.
8. Sherwood, S. C., Roca, R., Weckwerth, T. M., & Andronova, N. G. (2010). Tropospheric water vapor, convection, and climate. Reviews of Geophysics, 48(2).
9. Ainsworth, E. A., Yendrek, C. R., Sitch, S., Collins, W. J., & Emberson, L. D. (2012). The effects of tropospheric ozone on net primary productivity and implications for climate change. Annual review of plant biology, 63, 637-661.