RealClimate: El problema del CO2 en seis sencillos pasos (Actualización 2022)

10 de julio de 2022 por Gavin

Una de nuestras publicaciones antiguas más leídas es la explicación paso a paso de por qué el aumento de CO2 es un problema importante (El problema del CO2 en 6 sencillos pasos). Sin embargo, eso fue escrito en 2007 – ¡hace 15 años! Si bien los pasos y conceptos básicos no han cambiado, hay 15 años de más datos, actualizaciones en algunos de los detalles y conceptos y (resulta) mejores gráficos para acompañar el texto. Entonces, aquí hay una versión levemente actualizada y referenciada que debería ser un poco más útil.

Paso 1:Hay un efecto invernadero natural.

El hecho de que exista un efecto invernadero natural (que la atmósfera restringe el paso de la radiación infrarroja (IR) desde la superficie de la Tierra al espacio) se puede deducir fácilmente; i) la temperatura media de la superficie (alrededor de 15ºC) y, ii) saber que el planeta normalmente está cerca del equilibrio radiativo. Esto significa que hay un flujo superficial ascendente de IR alrededor (~398 W/m2), mientras que el flujo hacia afuera en la parte superior de la atmósfera (TOA) es aproximadamente equivalente a la radiación solar neta absorbida (~240 W/m2). Por lo tanto, la atmósfera debe absorber una gran cantidad de IR (alrededor de 158 W/m2), una cifra que sería cero en ausencia de sustancias de efecto invernadero. Tenga en cuenta que esta radiación IR a veces se denomina radiación de onda larga (LW) para distinguirla de la radiación de onda corta (SW) procedente del sol.

Paso 2:Los gases traza contribuyen al efecto invernadero natural.

El hecho de que diferentes absorbentes contribuyen a la absorción infrarroja atmosférica se desprende claramente de los espectros observados desde el espacio (derecha), que muestran espacios característicos asociados con el vapor de agua, CO2, O3, nubes, metano, CFC, etc. La única pregunta es cuánta energía total se bloqueado por cada uno. Esto no se puede calcular a mano (el número de líneas de absorción y los efectos del aumento de la presión lo impiden), pero se puede calcular utilizando códigos de transferencia radiativa. Para algunas partes del espectro, el IR puede ser absorbido por CO2 o por vapor de agua o por nubes, pero teniendo en cuenta esas superposiciones encontramos que el 50% del efecto invernadero proviene del vapor de agua, el 25% de las nubes y aproximadamente el 20% proviene del CO2 y el resto es absorbido por el ozono, aerosoles y otros gases traza (Schmidt et al, 2010). Tenga en cuenta que los principales componentes de la atmósfera (N2, O2 y argón) no absorben significativamente en el rango de longitud de onda IR y, por lo tanto, no contribuyen al efecto invernadero.

Paso 3:Los gases traza de efecto invernadero han aumentado notablemente debido a las emisiones humanas

Las concentraciones de CO2 han aumentado más del 50% desde la era preindustrial, el metano (CH4) se ha más que duplicado y se está acelerando una vez más, el N2O ha aumentado un 15% y el O3 troposférico también ha aumentado. En la atmósfera preindustrial no existían nuevos compuestos de gases de efecto invernadero, como los halocarbonos (CFC, HFC). Todos estos aumentos contribuyen a un mayor efecto invernadero.

Las fuentes de estos aumentos están dominadas por la quema de combustibles fósiles, los vertederos, la minería, las operaciones de petróleo y gas, la agricultura (especialmente la ganadería para obtener metano) y la industria.

Etapa 4:El forzamiento radiativo es un diagnóstico útil y se puede calcular fácilmente.

Las lecciones aprendidas de modelos de juguete simples y la experiencia con GCM más sofisticados sugieren que cualquier perturbación en el balance de radiación del TOA proveniente de cualquier fuente es un predictor bastante bueno de un eventual cambio en la temperatura de la superficie. Por lo tanto, si el sol se volviera más fuerte aproximadamente un 2 %, el balance de radiación TOA cambiaría en 0,02*1361*0,7/4 = 4,8 W/m2 (teniendo en cuenta el albedo y la geometría) (entraría más energía de la que saldría). . Esto definiría el forzamiento radiativo (RF). Un aumento en los absorbentes de efecto invernadero, o un cambio en el albedo, tienen impactos análogos en el equilibrio del TOA (entraría más energía de la que saldría). Sin embargo, el cálculo del forzamiento radiativo vuelve a ser tarea de los códigos de transferencia radiativa que tienen en cuenta los perfiles atmosféricos de temperatura, vapor de agua y aerosoles. El informe AR6 del IPCC utilizó las estimaciones más actualizadas de Etminan et al (2016), que son similares pero un poco más complicadas que la fórmula simplificada y de uso frecuente para el CO2: RF = 5,35 ln(CO2/CO2_orig) (visto en Cuadro 6.2 en el TIE del IPCC).

Tenga en cuenta que la forma logarítmica para la RF de CO2 proviene del hecho de que algunas longitudes de onda particulares ya están saturadas y que el aumento del forzamiento depende de las "alas" (consulte esta publicación para obtener más detalles). Los forzamientos para gases de menor concentración (como los CFC) son lineales en concentración. Las diferentes suposiciones sobre las nubes, sus propiedades y la heterogeneidad espacial significan que el forzamiento medio global es incierto en aproximadamente un 10%. Por lo tanto, la RF para una duplicación del CO2 es probablemente de 3,9 ± 0,5 W/m2, el mismo orden de magnitud que un aumento del forzamiento solar del 2 %.

Hay un par de pequeños giros en el concepto de forzamiento radiativo. Hay una serie de procesos que reaccionan muy rápidamente a un cambio en las concentraciones de GEI o aerosoles que no están relacionados con cambios en las temperaturas de la superficie. Resulta que calcular este forzamiento “efectivo”, después de que se hayan producido estos ajustes, hace que el FER prediga mejor el eventual aumento de temperatura. Uno de esos procesos es el ajuste estratosférico que ocurre con el CO2, ya que tiene un papel importante en el equilibrio de la radiación estratosférica, mientras que otro consiste en cambios muy rápidos en las nubes después de un cambio de aerosol. El otro problema es que, dependiendo ligeramente de la distribución espacial de los agentes forzadores, podrían entrar en juego diferentes retroalimentaciones y procesos y, por lo tanto, un forzamiento equivalente procedente de dos fuentes diferentes podría no dar la misma respuesta. El factor que cuantifica este efecto se llama "eficacia" del forzamiento, que en su mayor parte es razonablemente cercano a uno y, por lo tanto, no cambia la imagen de orden cero (Hansen et al, 2005). Esto significa que los forzamientos climáticos pueden simplemente sumarse para aproximarse al efecto neto.

El forzamiento total de los gases traza de efecto invernadero mencionados en el Paso 3 es actualmente (hasta 2019) de aproximadamente 3,3 W/m2, y el forzamiento neto (incluidos los impactos de enfriamiento de los aerosoles y los cambios naturales) es de 2,7 ± 0,8 W/m2 desde la etapa anterior. industrial (IPCC AR6 Capítulo 7). La mayor parte de la incertidumbre todavía está relacionada con los efectos de los aerosoles. El crecimiento actual de los forzamientos está dominado por el aumento del CO2, con un papel cada vez mayor para la disminución de los aerosoles reflectantes (sulfatos, particularmente en los EE. UU. y la UE) y el aumento de los aerosoles absorbentes (como el hollín, particularmente de India y China y de la quema de biomasa).

Paso 5:La sensibilidad climática ronda los 3ºC ante una duplicación del CO2

La sensibilidad climática definida clásicamente es la respuesta de la temperatura media global a un forzamiento una vez que se han producido todas las "realimentaciones rápidas" (temperaturas atmosféricas, nubes, vapor de agua, vientos, nieve, hielo marino, etc.), pero antes de que se produzca cualquiera de las "lentas". ' se han activado las retroalimentaciones (capas de hielo, vegetación, ciclo del carbono, etc.). Dado que no importa mucho qué forzamiento esté cambiando, la sensibilidad se puede evaluar a partir de cualquier período particular del pasado en el que se conozcan los cambios en el forzamiento y se pueda estimar el correspondiente cambio de temperatura de equilibrio. Como hemos comentado anteriormente, el último período glacial es un buen ejemplo de un gran forzamiento (~8 W/m2 de capas de hielo, gases de efecto invernadero, polvo y vegetación) que produce una gran respuesta de temperatura (~5 a 6ºC) e implica una sensibilidad de unos 3ºC (con barras de error sustanciales). Más formalmente, se puede combinar esta estimación con otras tomadas del siglo XX, la respuesta a los volcanes, el último milenio, la teledetección, etc. para obtener limitaciones bastante buenas sobre cuál debería ser el número. Esto lo hicieron recientemente Sherwood et al (2020) y obtuvieron, como habrá adivinado, 3ºC (y también un límite de incertidumbre más estricto de 2,3 a 4,5ºC).

Al convertir la estimación del CO2 duplicado a un factor más útil se obtiene ~0,75 ºC/(W/m2).

Paso 6:El forzamiento radiativo x la sensibilidad climática es un número significativo

Los forzamientos actuales implican que el planeta se calentaría 2ºC (=2,7 W/m2 x 0,75ºC/(W/m2)) para cuando el clima alcance el equilibrio. Debido a que los océanos tardan en calentarse, aún no hemos llegado a ese punto (hasta ahora hemos experimentado 1,2 ºC), por lo que los ~0,8 ºC restantes están "en proceso" si mantenemos las concentraciones constantes (equivalente a un ~70% inmediato). reducción de emisiones). Forzamientos adicionales en escenarios futuros plausibles podrían alcanzar los 5 W/m2 y, por lo tanto, el calentamiento adicional (en equilibrio) podría ser de más de 3 ºC. Curiosamente, si las emisiones de CO2 cesaran por completo, la absorción neta de calor y la disminución del forzamiento radiativo se equilibrarían aproximadamente, y no esperaríamos que las temperaturas aumentaran más. Por lo tanto, nuestra flexibilidad social nos permitirá terminar en algún lugar entre esos dos extremos.

Estos cambios de temperatura pueden parecer números pequeños, pero a escala de un planeta son un gran problema. Ya estamos viendo los impactos del calentamiento hasta ahora en las cambiantes estadísticas de olas de calor, precipitaciones extremas e inundaciones costeras. Recordemos que la última edad de hielo fue sólo entre 5 y 6 ºC más fría que la preindustrial, y eso fue un cambio enorme. Ya nos hemos calentado entre una quinta y una cuarta parte de una "unidad de la edad de hielo", y en el peor de los casos, el calentamiento se alcanzaría en una unidad de la edad de hielo en un par de siglos, en comparación con los 10.000 años que tardaba antes en calentarse.

Esto ya es significativo y lo será aún más hasta que cesen las emisiones.

¿QED?

[Traducción en holandés disponible]

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