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Montaje experimental de John Tyndall para medir la absorción infrarroja de diferentes gases atmosféricos. Tyndall, John, 186145
En 1859 John Tyndall descubrió que moléculas de gases como CO2, el metano y el vapor de agua bloquean la radiación infrarroja, lo que no sucede con el oxígeno y el nitrógeno. Se considera habitualmente a Tyndall como el descubridor del mecanismo de absorción de los gases de efecto invernadero en la atmósfera que no llegaron a dilucidad ni Fourier ni Poulliet y que los experimentos de Foote, que no separaban la componente infrarroja, no llegaron a demostrar. 45 4636 47
Tyndall mejoró los experimentos de Foote utilizando una fuente de rayos oscuros (denominación de la época de la radiación térmica infrarroja) y aisló el gas a estudiar en un tubo de latón tapados por ambos extremos con cristales de sal con objeto de dejar pasar solo el infrarrojo y demostrar así, más allá de toda duda razonable, que el CO2 absorbía en este rango del espectro calentando el gas del recipiente. Tyndall también estuvo motivado por la causas de los climas del pasado, en este caso el mecanismo de los cambios de temperatura en las eras glaciales. 4648
En 1896, el químico sueco Svante August Arrhenius completó un modelo numérico calculado manualmente cuyo resultado indicaba que la reducción de un 40% de CO2 en la atmósfera podría reducir la temperatura en Europa unos 4-5°C, unos valores bastante representativos de lo ocurrido durante las eras glaciales. 354849 El trabajo de Arrhenius se considera el primer modelo climático de la historia que incluía los elementos básicos50, como la retroalimentación por vapor de agua, y que arrojaba una primera estimación de la sensibilidad climática, es decir, la variación de temperatura para una duplicación de la concentración de CO2 en la atmósfera, que Arrhenius estimó en 5-6°C un valor algo elevado comparado con los 1,5-4,5°C estimados actualmente51, debido probablemente al espectro de absorción utilizado en su modelo. 52
La inspiración de Arrhenius para su modelo procedió de una conferencia del geólogo Arvid Gustaf Högbom en la Sociedad Sueca de Quimíca a finales de 1894 sobre los mecanismos geo-químicos que podrían cambiar la concentración de CO2 en la atmósfera, lo que hoy denominamos el ciclo del carbono. Utilizando los números de Högbom, Arrhenius estimó que las emisiones industriales de CO2 serían un factor relevante en los próximos miles de años49 50
Arrhenius publicó en 1903 Lehrbuch der Kosmischen Physik (Tratado de física del cosmos),53. En 1906 saldría a la venta en sueco y en alemán una versión reducida y actualizada que fue traducida al inglés en 1908 con el título Worlds in the making54, la misma obra donde popularizaba la hipótesis de la panspermia. Arrhenius estimaba en Worlds in the making que el consumo anual de carbón de la época se elevaba a unos 900 millones de toneladas, lo que significaban tan solo una contribución de 1/700 del CO2 ya presente en la atmósfera. Estimó además que una fracción tan alta como ⅚ de las emisiones eran absorbidas por los océanos, por lo que pasarían siglos antes de que fuesen relevantes. Atualmente se sabe que los océanos han absorbido un 48 % del CO2 antropogénico desde 1800.55
En 1901, el meteorólogo sueco Nils Gustaf Ekholm publicó una revisión de sesenta páginas del estado del conocimiento sobre las causas de las variaciones de la temperatura de la Tierra a escalas temporales históricas y geológicas56 En esta revisión ayuda a propagar la analogía del invernadero de jardinería pero, simultáneamente, introduce la primera explicación sencilla pero correcta del mecanismo de calentamiento de la atmósfera por gases de efecto invernadero:
"La atmósfera desempeña una parte muy importante de un doble carácter en cuanto a la temperatura de la superficie terrestre, de las cuales la primera fue apuntada por Fourier, mientras que la otra fue señalada por Tyndall. En primer lugar, la atmósfera puede actuar como el cristal de un invernadero, dejando pasar los rayos de luz del sol con relativa facilidad, y absorbiendo una gran parte de los rayos oscuros [infrarrojo] emitidos desde el suelo, y por tanto, aumentando la temperatura media de la superficie terrestre. En segundo lugar, la atmósfera actúa como acumulador de calor colocado entre el suelo relativamente caliente y el espacio frío, y por tanto disminuyendo en un grado elevado las variaciones anuales, diurnas, y locales de la temperatura.
Hay dos cualidades de la atmósfera que producen estos efectos. Una es que la temperatura de la atmósfera en general, disminuye con la altura sobre el suelo o el nivel del mar, debido en parte al calentamiento dinámico del descenso de las corrientes de aire y la refrigeración dinámica de las ascendentes, como se explica en la teoría mecánica del calor. La otra es que la atmósfera, absorbiendo sólo un poco de la insolación y la mayoría de la radiación del suelo, recibe una parte considerable de su almacén de calor de la tierra por medio de radiación, contacto, convección y conducción, mientras que la superficie de la tierra se calienta principalmente por la radiación directa del sol a la que el aire es transparente.
Se sigue de esto que la radiación de la tierra al espacio no se emite directamente desde el suelo, sino, en promedio, desde una capa de la atmósfera que tiene una altura considerable sobre el nivel del mar. La altura de esta capa depende de las propiedades térmicas de la atmósfera, y variará con esas propiedades. Cuanto mayor es el poder de absorción del aire para los rayos de calor emitidos desde el suelo, mayor será la altitud de dicha capa, pero cuanto más elevada esté la capa, menor será su temperatura relativa a la de la superficie; y como la radiación desde dicha capa hacia el espacio es menor cuanto más baja es su temperatura, se deduce que la superficie será más caliente cuanto más elevada esté la capa radiante."
En las décadas siguientes, las teoría de Arrhenius fue descargada por las siguientes razones:
La observación publicada en 1898 de la superposición de las bandas de absorción del vapor de agua, más abundante en la atmósfera, sobre las de CO25758
El experimento crucial de Knut Ångström en 190059 que convenció a la comunidad de que el efecto del dióxido de carbono tenia consecuencias limitadas6061. Dicho efecto se conoció como saturación del CO2 a la absorción del infrarrojo. Sin embargo, el resultado fue incorrecto62.
En 1931, el físico norteamericano Edward Olson Hulburt rehizo los cálculos de Arrhenius63 y rescató la teoría del papel jugado por el CO2 en las eras glaciares. Pero su publicación pasó desapercibida en la comunidad de meteorólogos. 61
En 1938, el ingeniero británico, especialista en vapor, Guy Stewart Callendar rescataba y mejoraba la teoría de Arrhenius del CO2 como disparador de las eras glaciales, en las que estaba interesado como miembro aficionado de la Royal Meteorological Society y la British Glaciological Society. Demostró así que la absorción del CO2 en la atmósfera era más importante de los que se creía hasta entonces, de tal manera que, a partir de los cincuenta, el aumento de temperatura debido al CO2 antropogénico fue conocido como efecto Callendar. Además, atribuyó un calentamiento de 0,3°C al CO2 industrial emitido desde 1880 hasta finales de la década de los treinta, en bastante acuerdo con estimaciones recientes. 526465 66
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Montaje experimental de John Tyndall para medir la absorción infrarroja de diferentes gases atmosféricos. Tyndall, John, 186145
En 1859 John Tyndall descubrió que moléculas de gases como CO2, el metano y el vapor de agua bloquean la radiación infrarroja, lo que no sucede con el oxígeno y el nitrógeno. Se considera habitualmente a Tyndall como el descubridor del mecanismo de absorción de los gases de efecto invernadero en la atmósfera que no llegaron a dilucidad ni Fourier ni Poulliet y que los experimentos de Foote, que no separaban la componente infrarroja, no llegaron a demostrar. 45 4636 47
Tyndall mejoró los experimentos de Foote utilizando una fuente de rayos oscuros (denominación de la época de la radiación térmica infrarroja) y aisló el gas a estudiar en un tubo de latón tapados por ambos extremos con cristales de sal con objeto de dejar pasar solo el infrarrojo y demostrar así, más allá de toda duda razonable, que el CO2 absorbía en este rango del espectro calentando el gas del recipiente. Tyndall también estuvo motivado por la causas de los climas del pasado, en este caso el mecanismo de los cambios de temperatura en las eras glaciales. 4648
En 1896, el químico sueco Svante August Arrhenius completó un modelo numérico calculado manualmente cuyo resultado indicaba que la reducción de un 40% de CO2 en la atmósfera podría reducir la temperatura en Europa unos 4-5°C, unos valores bastante representativos de lo ocurrido durante las eras glaciales. 354849 El trabajo de Arrhenius se considera el primer modelo climático de la historia que incluía los elementos básicos50, como la retroalimentación por vapor de agua, y que arrojaba una primera estimación de la sensibilidad climática, es decir, la variación de temperatura para una duplicación de la concentración de CO2 en la atmósfera, que Arrhenius estimó en 5-6°C un valor algo elevado comparado con los 1,5-4,5°C estimados actualmente51, debido probablemente al espectro de absorción utilizado en su modelo. 52
La inspiración de Arrhenius para su modelo procedió de una conferencia del geólogo Arvid Gustaf Högbom en la Sociedad Sueca de Quimíca a finales de 1894 sobre los mecanismos geo-químicos que podrían cambiar la concentración de CO2 en la atmósfera, lo que hoy denominamos el ciclo del carbono. Utilizando los números de Högbom, Arrhenius estimó que las emisiones industriales de CO2 serían un factor relevante en los próximos miles de años49 50
Arrhenius publicó en 1903 Lehrbuch der Kosmischen Physik (Tratado de física del cosmos),53. En 1906 saldría a la venta en sueco y en alemán una versión reducida y actualizada que fue traducida al inglés en 1908 con el título Worlds in the making54, la misma obra donde popularizaba la hipótesis de la panspermia. Arrhenius estimaba en Worlds in the making que el consumo anual de carbón de la época se elevaba a unos 900 millones de toneladas, lo que significaban tan solo una contribución de 1/700 del CO2 ya presente en la atmósfera. Estimó además que una fracción tan alta como ⅚ de las emisiones eran absorbidas por los océanos, por lo que pasarían siglos antes de que fuesen relevantes. Atualmente se sabe que los océanos han absorbido un 48 % del CO2 antropogénico desde 1800.55
En 1901, el meteorólogo sueco Nils Gustaf Ekholm publicó una revisión de sesenta páginas del estado del conocimiento sobre las causas de las variaciones de la temperatura de la Tierra a escalas temporales históricas y geológicas56 En esta revisión ayuda a propagar la analogía del invernadero de jardinería pero, simultáneamente, introduce la primera explicación sencilla pero correcta del mecanismo de calentamiento de la atmósfera por gases de efecto invernadero:
"La atmósfera desempeña una parte muy importante de un doble carácter en cuanto a la temperatura de la superficie terrestre, de las cuales la primera fue apuntada por Fourier, mientras que la otra fue señalada por Tyndall. En primer lugar, la atmósfera puede actuar como el cristal de un invernadero, dejando pasar los rayos de luz del sol con relativa facilidad, y absorbiendo una gran parte de los rayos oscuros [infrarrojo] emitidos desde el suelo, y por tanto, aumentando la temperatura media de la superficie terrestre. En segundo lugar, la atmósfera actúa como acumulador de calor colocado entre el suelo relativamente caliente y el espacio frío, y por tanto disminuyendo en un grado elevado las variaciones anuales, diurnas, y locales de la temperatura.
Hay dos cualidades de la atmósfera que producen estos efectos. Una es que la temperatura de la atmósfera en general, disminuye con la altura sobre el suelo o el nivel del mar, debido en parte al calentamiento dinámico del descenso de las corrientes de aire y la refrigeración dinámica de las ascendentes, como se explica en la teoría mecánica del calor. La otra es que la atmósfera, absorbiendo sólo un poco de la insolación y la mayoría de la radiación del suelo, recibe una parte considerable de su almacén de calor de la tierra por medio de radiación, contacto, convección y conducción, mientras que la superficie de la tierra se calienta principalmente por la radiación directa del sol a la que el aire es transparente.
Se sigue de esto que la radiación de la tierra al espacio no se emite directamente desde el suelo, sino, en promedio, desde una capa de la atmósfera que tiene una altura considerable sobre el nivel del mar. La altura de esta capa depende de las propiedades térmicas de la atmósfera, y variará con esas propiedades. Cuanto mayor es el poder de absorción del aire para los rayos de calor emitidos desde el suelo, mayor será la altitud de dicha capa, pero cuanto más elevada esté la capa, menor será su temperatura relativa a la de la superficie; y como la radiación desde dicha capa hacia el espacio es menor cuanto más baja es su temperatura, se deduce que la superficie será más caliente cuanto más elevada esté la capa radiante."
En las décadas siguientes, las teoría de Arrhenius fue descargada por las siguientes razones:
La observación publicada en 1898 de la superposición de las bandas de absorción del vapor de agua, más abundante en la atmósfera, sobre las de CO25758
El experimento crucial de Knut Ångström en 190059 que convenció a la comunidad de que el efecto del dióxido de carbono tenia consecuencias limitadas6061. Dicho efecto se conoció como saturación del CO2 a la absorción del infrarrojo. Sin embargo, el resultado fue incorrecto62.
En 1931, el físico norteamericano Edward Olson Hulburt rehizo los cálculos de Arrhenius63 y rescató la teoría del papel jugado por el CO2 en las eras glaciares. Pero su publicación pasó desapercibida en la comunidad de meteorólogos. 61
En 1938, el ingeniero británico, especialista en vapor, Guy Stewart Callendar rescataba y mejoraba la teoría de Arrhenius del CO2 como disparador de las eras glaciales, en las que estaba interesado como miembro aficionado de la Royal Meteorological Society y la British Glaciological Society. Demostró así que la absorción del CO2 en la atmósfera era más importante de los que se creía hasta entonces, de tal manera que, a partir de los cincuenta, el aumento de temperatura debido al CO2 antropogénico fue conocido como efecto Callendar. Además, atribuyó un calentamiento de 0,3°C al CO2 industrial emitido desde 1880 hasta finales de la década de los treinta, en bastante acuerdo con estimaciones recientes. 526465 66
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