El sistema climático de la Tierra incluye intercambios de masa y energía entre la atmósfera, hidrosfera, criosfera, biosfera y litosfera, siendo afectado por la física del plasma, la termodinámica, la dinámica de fluidos, los procesos electromagnéticos, químicos y reológicos.
La temperatura atmosférica es uno de los principales parámetros determinantes del sistema climático global. En la última Edad del Hielo, la variación en la cantidad y distribución de la energía solar recibida por la Tierra provocó una reducción de 6 ºC en la temperatura media planetaria.
La consecuencia de esta reducción fue que gran parte del hemisferio norte (Alaska, Canadá y Siberia) quedó cubierta por una capa de hielo del orden de 1,5 km de espesor.
Al igual que la fiebre en los humanos, un pequeño aumento en la temperatura media global puede significar un cambio climático drástico, como salir de un período glacial y pasar a un clima de invernadero, con cocodrilos y palmeras sobre el círculo polar ártico (lo que ya ocurrió en el pasado). ).
En la década de 1990, los científicos demostraron que el aumento global de las temperaturas medias en el siglo XX no podía explicarse sin tener en cuenta la contribución antropogénica de las emisiones de gases de efecto invernadero.
Los efectos de calentamiento global provocar la interrupción de las cadenas de producción de las naciones y una pérdida considerable de vidas humanas. En tierra, aumentan las inundaciones, los incendios, las sequías, las olas de calor y los huracanes, el calentamiento de las aguas de los ríos y lagos, la reducción de los glaciares y el derretimiento del permafrost (suelo permanentemente congelado).
En los ecosistemas biológicos, las floraciones se adelantan, las aves han alterado sus ciclos migratorios y los animales y plantas migran a latitudes y elevaciones más altas.
En el océano, el calentamiento y la acidificación de las aguas provocan el blanqueamiento y la muerte de los arrecifes de coral, afectan la base de las cadenas alimentarias de los peces y, por extensión, las comunidades de peces y plancton, que pasarán de especies adaptadas a aguas más frías a otras adaptadas a ellas. aguas más cálidas.
El aumento del nivel del mar, del orden de metros, amenaza a las naciones insulares bajas y a todas las ciudades costeras del planeta [Fingerprints Everywere, 2018].
El comienzo del proceso.
A partir de mediados del siglo XIX, la tala de bosques para liberar tierras para plantaciones y pastos, para la ocupación urbana, para la producción de madera para la construcción y para la producción de energía mediante quemas, dio lugar a una lenta concentración de dióxido de carbono. proceso desde 280 ppm.
A mediados del siglo XX, la tasa de crecimiento de esta concentración, ya en el nivel de 310 ppm, dejó de tener un crecimiento lineal y adquirió una tendencia exponencial, alcanzando 415 ppm en marzo de 2019, la tasa más alta en los 61 años de continuidad. monitoreo en el Observatorio Mauna Loa, Hawaii [NOAA, Trends in Atmospheric Carbon Dióxido, 2019].
La última vez que el dióxido de carbono alcanzó este nivel en la atmósfera terrestre fue en el Plioceno, hace entre 2,6 y 5,3 millones de años. La Tierra entonces era bastante diferente, con niveles del mar 15 metros más altos, temperaturas del verano ártico 14 ºC más altas, una fauna dominada por mamíferos gigantes, mientras humanos y chimpancés aún vivían con su último ancestro común.
En este proceso, la materia orgánica que tardó tiempos geológicos, del orden de millones de años, en depositarse en las profundidades de la superficie del planeta, se está liberando a la atmósfera durante un período del orden de dos o tres generaciones humanas.
El océano está absorbiendo parte de este exceso de carbono de la atmósfera y, como resultado, se está acidificando, lo que está provocando daños catastróficos en ecosistemas extremadamente sensibles, como el blanqueamiento y la muerte de los corales.
Efecto de los gases de efecto invernadero
Los cinco principales gases de efecto invernadero son el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), el óxido nitroso (N2O), el monóxido de carbono (CO) y el ozono (O3), de los cuales el dióxido de carbono es el más importante por su volumen total y su tamaño. tasa de aumento de su concentración en la atmósfera.
Estos cinco gases son responsables del 96% del aumento de la capacidad de la atmósfera para retener calor. El CO2 y el CH4 han mostrado aumentos significativos de su concentración en la atmósfera durante los últimos 100 años, alrededor del 34% para el CO2 y casi el 100% para el CH4.
Los gases de efecto invernadero absorben la radiación infrarroja reflejada por la superficie del planeta y reirradian esta radiación, que está fuera del espectro visible para el ojo humano.
Si no fuera por la contribución de los gases de efecto invernadero, la temperatura media de la superficie terrestre rondaría los 15 grados bajo cero, en lugar de los 15 °C actuales.
Además de los procesos naturales, con énfasis en las emisiones de origen volcánico, el carbono se libera a la atmósfera mediante diversos procesos antropogénicos: quema de biomasa, gases de escape de vehículos, chimeneas de fábricas, quema de combustibles fósiles, descomposición de materia orgánica, etc.
El CO se expulsa en el escape de los vehículos con motor de combustión y también es un indicador importante de la contaminación atmosférica. El CO2 se produce mediante la quema de combustibles fósiles y en innumerables procesos industriales queman toneladas de carbón y fueloil para generar energía eléctrica.
La ganadería para la producción de carne y leche tiene como subproducto el gas CH4, producido por la digestión de la celulosa. Los depósitos de basura y desechos son los principales productores de CH4, CO2 y otros contaminantes (además de ozono y olores), siendo responsables del 17% de la producción antropogénica de CH4.
El CH4 es un potente gas de efecto invernadero, responsable de alrededor del 30% del calentamiento climático desde la revolución industrial. A pesar de durar menos tiempo en la atmósfera (termina descomponiéndose en CO2 y agua), es mucho más eficiente que el CO como gas de efecto invernadero: más de 80 veces en los primeros 20 años después de su liberación.
En todo el mundo, los científicos están encontrando depósitos congelados de CO2 y CH4, en la tundra ártica y bajo el mar. A medida que la superficie de la Tierra y las aguas de los océanos se calientan, estos depósitos helados se están derritiendo y liberando los gases atrapados en ellos durante miles o millones de años.
El crecimiento de las ciudades exige volúmenes absurdos de hormigón: se espera que en los próximos 30 años la urbanización y la migración del campo a las ciudades dupliquen el número de edificios.
El ingrediente tradicional del hormigón, el cemento Portland, se forma descomponiendo la piedra caliza en óxido de calcio, un proceso que consume mucho carbono. La harina de cemento es una mezcla de roca caliza (carbonato de calcio), con menores proporciones de arcilla, arena y mineral de hierro.
La quema de harina de cemento en hornos, a temperaturas superiores a 1450 ºC, implica un proceso llamado descarbonatación. De los hornos salen pellets conocidos como clinker, que tras ser molidos dan lugar al cemento.
El calor promueve el fraccionamiento del carbonato de calcio (CaCO3 a CaO + CO2), que tiene como subproducto la liberación de dióxido de carbono (CO2), además de gases de azufre. Además de la producción de CO2 mediante el proceso, también se quema combustibles, fósiles o no, que alimentan el horno y emiten su parte de contaminantes y gases de efecto invernadero.
Por lo tanto, parece que el cemento no es un material respetuoso con el clima: cada tonelada de cemento producida libera alrededor de una tonelada de CO2. La producción de cemento es responsable del 8% de las emisiones globales de CO2 (más que todas las emisiones de CO2 de la India).
Las estimaciones indican que la actividad humana expulsa anualmente alrededor de 10 Gigatoneladas de CO2 a la atmósfera, de 40 a 100 veces más CO2 que toda la actividad volcánica del planeta en el mismo período [Cartier, 2019]. El efecto invernadero resultante del exceso de carbono en la atmósfera está elevando gradualmente la temperatura media del planeta y alterando los patrones climáticos en todas las regiones.
La respuesta del clima a la duplicación de la concentración de CO2 se conoce como sensibilidad climática de equilibrio, prediciendo un aumento de la temperatura a lo largo de este siglo, que va desde significativo (2 ºC) hasta catastrófico (4,5 ºC).
Los científicos estiman que la Tierra puede absorber alrededor de 2 mil millones de toneladas por año de CO2, además de lo que se emite y absorbe naturalmente; sin embargo, actualmente descargamos alrededor de 10 mil millones de toneladas por año de CO2 a la atmósfera.
Nubes x calentamiento global
Los gases de efecto invernadero, las nubes y los aerosoles se distribuyen de manera desigual en todo el planeta, lo que significa que sus efectos se manifiestan regionalmente. Las interacciones entre distintos tipos de aerosoles con las nubes interfieren en la formación de la lluvia y, en consecuencia, en el ciclo hidrológico.
Las nubes suelen cubrir alrededor de dos tercios del planeta. Las nubes estratocúmulos cubren el 25% de los océanos de latitudes bajas y son especialmente frecuentes en las zonas subtropicales e importantes en el efecto de enfriamiento del planeta.
Estas nubes dan sombra a grandes porciones de la superficie del océano y reflejan entre el 30% y el 70% de la radiación solar entrante que, de otro modo, sería absorbida por las oscuras aguas del mar. Los estratocúmulos son nubes complejas, con circulación de aire intensa y turbulenta.
Las interacciones de las nubes con los innumerables factores que interfieren en su formación son extremadamente complejas e involucran varios procesos a microescala, pero con efectos directos e indirectos a macroescala.
Debido a que las escalas dinámicas de los procesos internos de las nubes son demasiado pequeñas para ser resueltas en modelos climáticos globales, las predicciones de su respuesta al calentamiento global siguen siendo inciertas.
Las simulaciones por computadora sugieren que a medida que la Tierra se calienta, las nubes se vuelven más escasas. Recopilaciones de datos satelitales de NASA Ya hemos establecido una correlación entre años más cálidos y una menor nubosidad global.
La atmósfera más cálida favorece un enfriamiento menos eficiente del aire húmedo que asciende, perjudica la condensación del vapor de agua contenido en el aire y altera los procesos de circulación interna del aire de las nubes, provocando su fragmentación y disipación.
Vale señalar que con menos nubes y una atmósfera más cálida, aumenta el volumen de vapor de agua retenido en la atmósfera, gas que también tiene efecto invernadero, contribuyendo positivamente al aumento de la temperatura global.
Con menos superficies blancas que reflejan la luz solar hacia el espacio, la Tierra se calienta aún más, lo que provoca una mayor pérdida de nubes. Esta retroalimentación positiva exacerba el efecto de calentamiento provocado por el efecto invernadero en la atmósfera.
Para agravar el problema, las simulaciones revelan que el retorno de las nubes sólo se produce cuando las concentraciones de CO2 caen sustancialmente por debajo del nivel que dio lugar a la formación de nubes inestables.
Los cambios climáticos abruptos en el pasado geológico de la Tierra pueden haber sido empeorados por la retroalimentación positiva de la disminución de las nubes asociadas con eventos de calentamiento global resultantes del aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Este fenómeno podría repetirse actualmente en nuestro planeta, si los niveles de CO2 siguen aumentando.
La contribución de las nubes al calentamiento global es difícil de evaluar, no sólo por los procesos analizados anteriormente, sino también por las diferencias entre los distintos tipos de nubes existentes.
Las nubes altas, en capas frías de la troposfera y repletas de cristales de hielo, tienden a retener el calor que asciende de la tierra, irradiándolo de regreso y contribuyendo a aumentar la temperatura del planeta.
Las nubes bajas, espesas y saturadas de agua, son más opacas y tienden a irradiar el calor del Sol de regreso al espacio, ayudando a enfriar el planeta.
Se cree que el efecto de enfriamiento de las nubes bajas es mayor que el efecto invernadero de las nubes altas, sin embargo, la complejidad de los procesos involucrados en la formación de nubes dificulta la construcción de modelos globales e identificar su contribución neta al proceso de calentamiento global.
Los modelos climáticos identifican la participación de las nubes en los procesos de retroalimentación del calentamiento global, que pueden ser positivos o negativos:
- demasiado calor aumenta la evaporación, lo que produce más nubes: las nubes bajas bloquean la luz solar y enfrían la Tierra, las nubes altas atrapan el calor hacia arriba, calentando el planeta: retroalimentación negativa;
- límite más alto entre la troposfera y la estratosfera, lo que da lugar a nubes altas, que tienen una capacidad reducida para enfriar el planeta – retroalimentación positiva;
- las nubes más altas se trasladarán a latitudes más altas, donde bloquearán menos luz solar que cuando estaban más cerca del ecuador: retroalimentación positiva;
- las nubes altas tienden a calentarse, lo que hace que parte del hielo que contienen se derrita, volviéndolas más opacas y reflectantes de la energía del Sol: retroalimentación negativa;
- reducción de la cantidad de nubes bajas, que contribuyen de manera importante a reducir la temperatura del planeta: retroalimentación positiva;
- La expansión de la banda tropical reduce la diferencia de temperatura entre los trópicos y los polos, empujando las nubes a latitudes más altas, donde la incidencia de los rayos solares es menor y, por lo tanto, el efecto de enfriamiento del planeta es menor: retroalimentación positiva.
Calentamiento global y eficiencia energética
Nuestra sociedad depende de la exploración minera, que además de combustibles fósiles, demanda cantidades gigantescas de hierro, aluminio y cobre. La infraestructura energética de alta tecnología requiere metales y minerales de toda la tabla periódica.
Las baterías de iones de litio utilizadas en los vehículos eléctricos y en el almacenamiento de energía no solo requieren litio, sino también cobalto, manganeso y níquel. Los motores y generadores eléctricos dependen de tierras raras.
Los paneles solares constituyen una parte importante del suministro mundial de telurio y galio, junto con una fracción considerable de plata e indio extraídos.
El apetito por estos metales no hace más que crecer a medida que proliferan estas tecnologías. Si bien este hecho básico se conoce desde hace años, el nuevo informe va un paso más allá y detalla la demanda proyectada de 14 metales críticos si la humanidad limita el calentamiento global al objetivo del Acuerdo de París de 1,5 grados Celsius, pasando al 100%. energía renovable para mediados de siglo.
En un escenario que los autores describen como “muy ambicioso”, la combinación energética de 2050 se basará principalmente en energía solar y eólica, y fracciones más pequeñas de energía provendrán de la energía geotérmica, la energía hidroeléctrica y otras tecnologías.
El sector del transporte también es 100% renovable: más de la mitad de todos los automóviles, autobuses y vehículos comerciales son eléctricos o híbridos enchufables que funcionan con baterías.
Se habla mucho de las energías renovables como si fueran más apropiadas medioambientalmente. La energía hidroeléctrica, la más tradicional de las energías renovables y denostada por los ecologistas por ser la responsable de inundar terrenos, depende básicamente del cemento, el hierro y el cobre, materiales básicos de construcción.
Se considera que las tecnologías de generación de energía renovable eólica y solar tienen una huella ambiental más amigable que la energía hidroeléctrica; sin embargo, estas evaluaciones no consideran la cadena productiva completa de este tipo de plantas de generación de energía.
Estas tecnologías, al igual que los coches eléctricos, dependen de la llamada electrónica de potencia, cuyos equipos (inversores, rectificadores, baterías, etc.) utilizan metales nobles y tierras raras, cuya minería implica el movimiento y procesamiento de inmensos volúmenes de tierra, como son minerales que tienen una baja concentración en los depósitos.
Separar estos minerales del inmenso volumen de tierra requiere de procesos químicos que dan lugar a inmensas cuencas de residuos contaminantes. También hay que considerar que estos equipos tienen una vida útil de unas decenas de años, tras los cuales se desechan y se convierten en residuos electrónicos, cuya eliminación ya es un problema actual.
La generación de energía mediante fusión nuclear, el mismo proceso que produce energía en el núcleo de la Tierra, podría ser la fuente de energía del futuro, produciendo energía limpia y barata. Para ello, es necesario confinar el combustible nuclear, en forma de plasma, a altas presiones y temperaturas, mediante intensos campos magnéticos.
Sin embargo, todavía son necesarios muchos avances tecnológicos para producir un reactor de fusión nuclear económicamente viable.
Los modelos climáticos pueden estar subestimando la gravedad de los acontecimientos en el futuro, debido al envejecimiento de la infraestructura antropogénica, que fue diseñada para condiciones menos críticas.
Un ejemplo son las miles de represas (tanto hidroeléctricas como de relaves mineros), que se encuentran en mal estado y fueron diseñadas en base a estimaciones de precipitaciones extremas que ahora han sido superadas por el cambio climático.
IPCC (Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático)
Los cinco escenarios esbozados por el IPCC indican que, en el mejor de los casos, el aumento medio de la temperatura global será de 1,5 ºC en 2040. Muchos científicos ya dicen que debido a la falta de compromiso de los países para controlar las emisiones de CO², el aumento ser más alto.
La gente piensa que 1,5 ºC es una cantidad pequeña, que no es tan crítica. Pero en realidad tienen que imaginar la energía necesaria para calentar toda la atmósfera del planeta en 1,5°C.
El calor es una forma de energía: es mucha energía agregada a la atmósfera. Para complicar las cosas, está distribuida de manera desigual, con una mayor concentración en el hemisferio norte (donde la cobertura continental es mayor), lo que hace que haya lugares con un aumento de temperatura promedio de 6 ºC.
Según el informe anual del IPCC (2019), el 23% de todas las emisiones de gases de efecto invernadero son causadas por la deforestación, la agricultura y la producción de alimentos (como la ganadería).
Existe consenso entre los científicos en que es necesario reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 50% de aquí a 2030 para limitar el calentamiento global a 2 oC. El próximo objetivo debe ser cero emisiones de gases de efecto invernadero para 2050.
El calentamiento global antropogénico se detendrá si las emisiones de combustibles fósiles se pueden reducir a 2 mil millones de toneladas anuales mediante la expansión de la generación de fuentes de energía renovables (eólica, solar y geotérmica), acompañada de cambios en el sector agrícola y el uso de tecnologías de captura de carbono.
La generación mediante energía hidroeléctrica, que también es renovable, está limitada por el hecho de que las principales centrales hidroeléctricas en los grandes ríos ya están implementadas, quedando sólo las pequeñas, que pueden ser importantes a nivel local, pero que no tienen peso en la ecuación de generación de energía global. energía.
Teniendo en cuenta que un aumento de la temperatura media mundial de al menos 1,5 ºC de aquí a 2040 es inevitable, es necesario estar preparados para fenómenos meteorológicos extremos. Los estudios que comparan la historia de los eventos con las proyecciones de los modelos climáticos predicen un aumento de alrededor del 50% en la frecuencia de eventos extremos.
En el sector eléctrico, es necesario revisar los criterios de diseño, operación y mantenimiento de los activos (plantas de generación, líneas de transmisión y distribución), ya que las prácticas tradicionales ya no soportan los rigores del clima.
Artículo publicado en 24ª edición de la Revista Canal Solar.
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