thumb|350px|Esquema del efecto invernadero mostrando los flujos de energía entre el espacio, la atmósfera y superficie de la Tierra. En esta gráfica la radiación absorbida es igual a la emitida, por lo que la Tierra no se calienta ni se enfría. La habilidad de la atmósfera para capturar y reciclar la energía emitida desde la superficie terrestre es el fenómeno que caracteriza al efecto invernadero.
El efecto invernadero es un proceso en el que la radiación térmica emitida por la superficie planetaria es absorbida por los gases de efecto invernadero (GEI) atmosféricos y es irradiada en todas las direcciones. Dado que parte de esta radiación es devuelta hacia la superficie terrestre y la atmósfera inferior, ello resulta en un incremento de la temperatura superficial media respecto a lo que habría en ausencia de los GEI.
Una parte de la radiación solar que llega a la Tierra atraviesa la atmósfera, es reflejada y vuelve al espacio; otra llega al suelo y lo calienta. Este emite calor (radiación infrarroja) y calienta la atmósfera, ya que el calor es retenido por los gases de efecto invernadero. https://greengardenliving.com/what-is-net-zero/
La radiación solar en frecuencias de la luz visible pasa en su mayor parte a través de la atmósfera para calentar la superficie planetaria, emitiendo posteriormente esta energía en frecuencias menores de radiación térmica infrarroja. Esta última es absorbida por los GEI, los que a su vez irradian mucha de esta energía a la superficie y atmósfera inferior. Este mecanismo recibe su nombre debido a su analogía al efecto de la radiación solar que pasa a través de un vidrio y calienta un invernadero, pero la manera en que atrapa calor la atmósfera es fundamentalmente diferente a como funciona un invernadero de jardinería, que reduce las corrientes de aire, aislando el aire caliente dentro del recinto, evitando la pérdida de calor por convección, aunque el efecto detallado sea algo más complicado.
Sin este efecto invernadero natural, la temperatura de equilibrio de la Tierra sería de unos -18 °C. Sin embargo, la temperatura media de la superficie terrestre es de unos 14 °C, una diferencia cercana a 33 °C que nos da una idea de la magnitud del efecto.
El efecto invernadero natural de la Tierra hace posible la vida como la conocemos. Sin embargo, las actividades humanas, principalmente la quema de combustibles fósiles y la deforestación, han intensificado el fenómeno natural, causando un calentamiento global.
El efecto invernadero fue propuesto por Joseph Fourier en 1824, descubierto en 1860 por John Tyndall, investigado cuantitativamente por primera vez por Svante Arrhenius en 1896 y desarrollado en la década de 1930 hasta acabada la década de 1960 por Guy Stewart Callendar.The Callendar Effect: the life and work of Guy Stewart Callendar (1898–1964). (en inglés). Amer Meteor Soc., Boston. ISBN 978-1-878220-76-9
Balance energético de la Tierra
thumb|380px|Esquema del balance anual de energía del planeta Tierra desarrollado por Trenberth, Fasullo y Kiehl de la NCAR en 2008. Se basa en datos del periodo de marzo de 2000 a mayo de 2004 y es una actualización de su trabajo publicado en 1997. La superficie de la Tierra recibe 161W/m² de radiación solar y 333W/m² de radiación infrarroja emitida por los gases de efecto invernadero de la atmósfera, haciendo un total de 494W/m². La superficie de la Tierra emite un total de 493W/m² entre radiación térmica, calor latente y calor sensible (396+80+17), supone una absorción neta de calor de 0,9W/m², que en el presente está provocando el calentamiento de la Tierra. Diferentes mediciones de las últimas dos décadas indican que la Tierra está absorbiendo entre 0,5 y 1 W/m² más que lo que emite al espacio (ver texto)|alt=
En la atmósfera, el mantenimiento del equilibrio entre la recepción de la radiación solar y la emisión de radiación solar infrarroja devuelve al espacio, aproximadamente, la misma energía que recibe del Sol. Esta acción de equilibrio se llama balance energético de la Tierra y define la temperatura media del planeta.
En un período suficientemente largo el sistema climático tiende a un equilibrio donde la radiación solar entrante en la atmósfera está compensada por la radiación térmica saliente. A toda alteración de este balance de radiación, ya sea por causas naturales u originado por el hombre (antropogénico), se denomina un forzamiento radiativo y supone un cambio de la temperatura de equilibrio.
Mediciones de las últimas dos décadas indican que la Tierra está absorbiendo entre 0,5 y 1 W/m² más que lo que emite al espacio. Este desequilibrio ha sido causado muy probablemente por el aumento de la concentración de los gases de efecto invernadero. Como resultado, el sistema climático se ajusta provocando los síntomas que asociamos al cambio climático: aumento de temperaturas superficiales, reducción de la cubierta de hielo y subida del nivel del mar, principalmente.
Mecanismo del efecto invernadero Una comprensión adecuada del mecanismo de efecto invernadero requiere conocer en profundidad las propiedades de la radiación térmica, las propiedades de absorción y emisión de los gases de efecto invernadero, la estructura de la atmósfera y la teoría del transporte radiativo aplicada a la atmósfera. Sin embargo, se puede obtener una imagen simplificada del efecto que contiene todos los ingredientes para entender cómo el aumento de la concentración de CO2 afecta a la estructura de la atmósfera.
miniaturadeimagen|394x394px|Desequilibrio radiativo provocado por el efecto invernadero amplificado consecuencia de las emisiones industriales|alt=
El punto de partida es la observación de la casi transparencia de la atmósfera al paso la luz solar, de tal forma que la superficie terrestre y la parte baja de la atmósfera absorben unos 240 W/m² en promedio. miniaturadeimagen|416x416px|Ilustración del modelo simplificado de calentamiento global por el aumento de la concentración de CO2 de 280 a 400 ppm. El cuadro de la izquierda muestra la radiación no absorbida de la luz solar que incide sobre la superficie, que luego vuelve a irradiar en el infrarrojo (IR). Se produce una fuerte absorción de IR debido a los gases de efecto invernadero que la atmósfera calentada irradia de capa a capa (representada por líneas horizontales). Cuando la atmósfera se vuelve tan delgada que hay menos de un recorrido libre medio al espacio exterior para el IR, la absorción cesa (capa etiquetada 255 K, 280 ppm). En este nivel, la temperatura es de 255 K (-18ºC) y hay un equilibrio entre la energía irradiada desde la Tierra y la recibida del Sol. Al agregar CO2 a la atmósfera, se reduce el valor del recorrido libre medio hasta el espacio exterior y la emisión de radiación tiene lugar a una mayor altitud (línea discontinua etiquetada 255 K 400 ppm). El cuadro de la derecha muestra la temperatura (eje x) en función de la altitud. La temperatura en la estratosfera es casi constante, pero varía linealmente a una altitud más baja con una pendiente fija (gradiente térmico). El aumento de la altitud a la que se emite la radiación al espacio desplaza el gradiente térmico a la línea discontinua a la derecha, lo que aumenta la temperatura de la superficie de la Tierra.|alt=Para mantener el balance energético del planeta, la misma cantidad aproximadamente de energía tiene que ser devuelta al espacio. La superficie terrestre emite radiación infrarroja que no puede escapar directamente al espacio debido a la absorción de los gases de efecto invernadero. Estos gases re-emiten de nuevo la radiación en todas direcciones, con lo que la parte de la radiación sigue ascendiendo y la otra parte es devuelta en la dirección de la superficie. La radiación continúa ascendiendo por una atmósfera cada vez menos densa (por tanto menos absorbente) y más seca y fría. Aunque la radiación escapa al espacio desde distintas altitudes en la troposfera, el efecto es equivalente a que el grueso de la radiación se emita desde una zona en mitad de la troposfera a unos 5 km de altitud con una temperatura efectiva de -18 °C, que es la temperatura de equilibrio que provoca una emisión térmica de unos 240 W/m², compensando la absorción de radiación solar. El gradiente térmico de la atmósfera (-6,5 °C/km), fijado por la expansión adiabática del aire en equilibrio hidrostático, establece una temperatura media superficial a unos 14 °C, unos 33 °C mayor que la temperatura de la zona efectiva de emisión, lo que nos proporciona una medida de la magnitud del efecto invernadero. Podemos entender así el efecto invernadero como la traslación de la zona de emisión efectiva desde la superficie hasta una altitud elevada de la atmósfera.
Si se aumentan la cantidad de gases de efecto invernadero en la atmósfera se produce una amplificación del efecto invernadero descrita de la siguiente manera:
Los gases de larga permanencia como el CO2 se distribuyen por toda la atmósfera, invadiendo la parte alta de la troposfera. El grueso de la radiación infrarroja sólo puede escapar al espacio desde mayor altitud, donde la atmósfera es más seca y fría. La zona de emisión efectiva asciende, de esta manera, hasta una zona de la atmósfera donde la temperatura es menor que -18 °C, emitiendo menos energía al espacio y creando un desequilibrio radiativo. El excedente de radiación solar calienta así la atmósfera hasta alcanzar un nuevo equilibrio donde la zona de emisión efectiva vuelva a alcanzar una temperatura de -18 °C. Como el gradiente térmico permanece constante a -6,5 °C/km, la consecuencia final de todo el proceso es un aumento de la temperatura de la superficie; Se ha producido un calentamiento global.
Gases de efecto invernadero
250px|thumb|Incrementos en la atmósfera de los cinco gases responsables del 97% del efecto invernadero antropogénico en el periodo 1976-2003. thumb|250px|Forzamiento radiativo entre 1750 y 2005 según estimaciones del IPCC.
Los denominados gases de efecto invernadero o gases invernadero, responsables del efecto descrito, son los siguientes:
Vapor de agua (H2O) Dióxido de carbono (CO2) Metano (CH4) Óxido de nitrógeno (N2O) Ozono (O3) Clorofluorocarburos (CFC)
Si bien todos ellos (salvo los CFC) son naturales, en tanto que ya existían en la atmósfera antes de la aparición del ser humano, desde la Revolución industrial y debido principalmente al uso intensivo de los combustibles fósiles en las actividades industriales y el transporte, se han producido sensibles incrementos en las cantidades de óxido de nitrógeno y dióxido de carbono emitidas a la atmósfera, con el agravante de que otras actividades humanas, como la deforestación, han limitado la capacidad regenerativa de la atmósfera para eliminar el dióxido de carbono, principal responsable del efecto invernadero.
Gases de Efecto invernadero afectados por actividades humanas DescripciónCO2CH4N2OCFC-11HFC-23CF4Concentración preindustrial 280 ppm 700 ppb 270 ppb 0 0 40 pptConcentración en 1998 365 ppm 1.745 ppb 314 ppb 268 ppt 14 ppt 80 pptPermanencia en la atmósferade 5 a 200 años 12 años114 años 45 años 260 años +50 000 años Fuente: ICCP, Clima 2001, La base científica, Resumen técnico del Informe del Grupo de Trabajo I, p. 38
Emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero (GEI) de larga permanencia
Las actividades humanas generan emisiones de cuatro GEI de larga permanencia: CO2, metano (CH4), óxido nitroso (N2O) y halocarbonos (gases que contienen flúor, cloro o bromo).
thumb|La denominada curva Keeling muestra el continuo crecimiento de CO2 en la atmósfera desde 1958. Recoge las mediciones de Keeling en el observatorio del volcán Mauna Loa. Estas mediciones fueron la primera evidencia significativa del rápido aumento de CO2 en la atmósfera y atrajo la atención mundial sobre el impacto de las emisiones de los gases invernaderos.