Un gas de efecto invernadero (GEI) es un gas atmosférico que absorbe y emite radiación dentro del rango infrarrojo. Este proceso es la fundamental causa del efecto invernadero. Los principales GEI en la atmósfera terrestre son el vapor de agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), el óxido nitroso (N2O) y el ozono (O3). Sin los gases de efecto invernadero la temperatura promedio de la superficie terrestre sería de −18 °C, en lugar de la media actual de 15 °C. En el sistema solar, las atmósferas de Venus, Marte y Titán también albergan gases que causan un efecto invernadero.
La actividad humana desde el inicio de la Revolución Industrial (considerado en 1750) ha producido un incremento del 45 % en la concentración atmosférica del dióxido de carbono, de fórmula CO2, desde 280 ppm en 1750 a 400 ppm en 2015. Este incremento ha ocurrido a pesar de la absorción de una gran porción de las emisiones por varios depósitos naturales que participan del ciclo del carbono. Las emisiones de CO2 antropogénicas (producidas por actividades humanas) provienen de la combustión de combustibles fósiles, principalmente carbón, petróleo y gas natural, además de la deforestación, la erosión del suelo y la crianza animal.
Se ha estimado que si las emisiones de GEI continúan al ritmo actual, la temperatura de la superficie terrestre podría exceder los valores históricos tan pronto como 2047, con efectos potencialmente dañinos en los ecosistemas, la biodiversidad y peligraría la subsistencia de las personas en el planeta. Estimaciones de agosto de 2016 sugieren que de seguir la actual trayectoria de emisiones la Tierra podría superar el límite de 2 °C de calentamiento global, (el límite señalado por el IPCC como un calentamiento global "peligroso") en 2036.
Los principales constituyentes atmosféricos, nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y argón (Ar), no son gases de efecto invernadero porque las moléculas que contienen dos átomos del mismo elemento, como N2 y O2, no tienen un cambio neto en la distribución de sus cargas eléctricas cuando vibran, y los gases monoatómicos como Ar no tienen modos vibratorios. Por lo tanto, no se ven afectados casi en su totalidad por la radiación infrarroja. Algunas moléculas heterodiatómicas que contienen átomos de diferentes elementos como el monóxido de carbono (CO) o el cloruro de hidrógeno (HCl) absorben la radiación infrarroja, aunque estas moléculas tienen una vida corta en la atmósfera debido a su reactividad y solubilidad. Por lo tanto, no contribuyen significativamente al efecto invernadero y a menudo se omiten cuando se habla de los gases de efecto invernadero.
La atmósfera, por el hecho de ser muy transparente para la luz visible pero mucho menos para la radiación infrarroja, produce para la superficie terrestre el mismo efecto que el techo de cristal produce en un invernadero; la luz solar, que llega sin grandes obstáculos hasta el suelo, lo calienta, dando lugar a que emita rayos infrarrojos (ondas caloríficas), los cuales, a diferencia de los rayos de luz, son absorbidos en gran parte por el vidrio o la atmósfera. Al final la cantidad de energía emitida al espacio tiene que ser la misma que la absorbida, pero la superficie terrestre tiene que alcanzar la temperatura en que ambos flujos se equilibran, la cual es más alta en presencia de una atmósfera (en un planeta) o de techos de cristal (en un invernadero; aunque en realidad el cristal de un invernadero protege de la pérdida de calor más porque interrumpe la circulación del aire, que porque sea opaco a los rayos infrarrojos).
Es importante señalar que el efecto invernadero afecta a todos los cuerpos planetarios del sistema solar dotados de atmósfera, porque aunque no todos los gases absorben radiación infrarroja, en ninguna de esas atmósferas faltan los que sí lo hacen. En la Tierra el efecto invernadero es responsable de un exceso de 33 °C de la temperatura superficial (15 °C de valor medio) sobre la temperatura de emisión (−18 °C), pero en Marte la diferencia es de tan solo 3 °C y en Venus la diferencia alcanza los 466 °C.
El efecto invernadero es un fenómeno natural, pero la alusión frecuente a él en relación con el calentamiento global hace creer a algunos que es en sí indeseable, y una consecuencia reciente de la contaminación atmosférica. Hay que aclarar que el calentamiento no es atribuido a la simple existencia, sino al aumento del efecto invernadero por encima de sus valores naturales por acción del hombre.
No todos los componentes de la atmósfera contribuyen al efecto invernadero. Los gases de invernadero absorben los fotones infrarrojos emitidos por el suelo calentado por el sol. La energía de esos fotones no basta para causar reacciones químicas —para romper enlaces covalentes— sino que simplemente aumenta la energía de rotación y de vibración de las moléculas implicadas. El exceso de energía es a continuación transferido a otras moléculas, por las colisiones moleculares, en forma de energía cinética, es decir, de calor; aumentando la temperatura del aire. De la misma forma, la atmósfera se enfría emitiendo energía infrarroja cuando se producen las correspondientes transiciones de estado vibracional y rotacional en las moléculas hacia niveles menores de energía. Todas esas transiciones requieren cambios en el momento dipolar de las moléculas (es decir, modificaciones de la separación de cargas eléctricas en sus enlaces polares) lo que deja fuera de este papel a los dos gases principales en la composición del aire, nitrógeno (N2) y oxígeno (O2), cuyas moléculas, por estar formadas por dos átomos iguales, carecen de cualquier momento dipolar.
Si bien todos ellos —salvo los compuestos del flúor— son naturales, en tanto que existen en la atmósfera desde antes de la aparición de los seres humanos, a partir de la Revolución industrial de mediados del siglo XIX, y debido principalmente al uso intensivo de combustibles fósiles en las actividades industriales, la ganadería y el transporte, se han producido sensibles incrementos en las cantidades de óxidos de nitrógeno y dióxido de carbono emitidas a la atmósfera. Se estima que también el metano y el óxido nitroso están aumentando su presencia por razones antropogénicas (debidas a la actividad humana, en mayor parte la ganadería y la agricultura ganadera). Además, a este incremento de emisiones se suman otros problemas, como la deforestación, que han reducido la cantidad de dióxido de carbono retenida en materia orgánica, contribuyendo así indirectamente al aumento antropogénico del efecto invernadero. Asimismo, el excesivo dióxido de carbono está acidificando los océanos y reduciendo el fitoplancton.
La contribución de cada gas al efecto invernadero está determinada por las características de ese gas, su abundancia y los efectos indirectos que pueda causar. Por ejemplo, el efecto radiativo directo de una masa de metano es aproximadamente 84 veces más fuerte que la misma masa de dióxido de carbono en un período de 20 años, pero está presente en concentraciones mucho más pequeñas, de modo que su efecto radiativo directo total es menor, en parte debido a su menor vida atmosférica. Por otro lado, además de su impacto radiativo directo, el metano tiene un gran efecto radiativo indirecto porque contribuye a la formación de ozono. Shindell et al (2005) sostienen que la contribución del metano al cambio climático es al menos el doble de las estimaciones anteriores como resultado de este efecto. Cuando se clasifican por su contribución directa al efecto invernadero, las más importantes son:
(%)
(B) La concentración en la estratosfera. Alrededor del 90% del ozono de la atmósfera terrestre está contenido en la estratosfera.
Además de los principales gases de efecto invernadero enumerados anteriormente, otros gases de efecto invernadero incluyen el hexafluoruro de azufre, los hidrofluorocarbonos y los perfluorocarbonos (véase la lista de gases de efecto invernadero del IPCC). Algunos gases de efecto invernadero no suelen figurar en la lista. Por ejemplo, el trifluoruro de nitrógeno tiene un alto potencial de calentamiento global (GWP) pero solo está presente en cantidades muy pequeñas.
No es posible afirmar que un determinado gas cause un porcentaje exacto del efecto invernadero. Esto se debe a que algunos de los gases absorben y emiten radiación a las mismas frecuencias que otros, de modo que el efecto invernadero total no es simplemente la suma de la influencia de cada gas. Los extremos más altos de los rangos citados son sólo para cada gas; los extremos más bajos representan solapamientos con los otros gases. Además, se sabe que algunos gases, como el metano, tienen grandes efectos indirectos que todavía se están cuantificando.
La Tierra absorbe parte de la energía radiante recibida del sol, refleja parte de ella en forma de luz y refleja o irradia el resto al espacio en forma de calor. La temperatura de la superficie de la Tierra depende de este equilibrio entre la energía entrante y saliente. Si se cambia este equilibrio energético, la superficie de la Tierra se vuelve más cálida o más fría, lo que conduce a una variedad de cambios en el clima global.
Una serie de mecanismos naturales y artificiales pueden afectar el equilibrio energético mundial y forzar cambios en el clima de la Tierra. Los gases de efecto invernadero son uno de esos mecanismos. Los gases de efecto invernadero absorben y emiten parte de la energía saliente que irradia la superficie de la Tierra, lo que hace que ese calor se retenga en la atmósfera inferior. Como se ha explicado anteriormente, algunos gases de efecto invernadero permanecen en la atmósfera durante décadas o incluso siglos y, por lo tanto, pueden afectar al equilibrio energético de la Tierra durante un largo período. El forzamiento radiativo cuantifica el efecto de los factores que influyen en el balance energético de la Tierra, incluyendo los cambios en las concentraciones de gases de efecto invernadero. El forzamiento radiativo positivo conduce al calentamiento al aumentar la energía neta entrante, mientras que el forzamiento radiativo negativo conduce al enfriamiento.
El potencial de calentamiento global (GWP) depende tanto de la eficiencia de la molécula como del gas de efecto invernadero como de su vida atmosférica. El GWP se mide en relación con la misma masa de CO2 y se evalúa en una escala de tiempo específica. Por lo tanto, si un gas tiene una fuerza radiativa alta (positiva) pero también una vida corta, tendrá un GWP grande en una escala de 20 años pero uno pequeño en una escala de 100 años. Por el contrario, si una molécula tiene una vida atmosférica más larga que el CO2, su GWP aumentará cuando se considere la escala de tiempo. El dióxido de carbono se define como un GWP de 1 en todos los períodos de tiempo.
El metano tiene una vida útil de 12 ± 3 años. El informe de 2007 del IPCC enumera el GWP como 72 en una escala de tiempo de 20 años, 25 en 100 años y 7.6 en 500 años. Un análisis de 2014, sin embargo, establece que aunque el impacto inicial del metano es aproximadamente 100 veces mayor que el del CO2, debido a la menor vida atmosférica, después de seis o siete décadas, el impacto de los dos gases es casi igual, y a partir de entonces el papel relativo del metano continúa disminuyendo. La disminución del GWP en tiempos más largos se debe a que el metano se degrada a agua y CO2 a través de reacciones químicas en la atmósfera.
En la siguiente tabla se dan ejemplos de la vida atmosférica y del GWP en relación con el CO2 de varios gases de efecto invernadero:
Entre 1970 y 2004, las emisiones de gases de efecto invernadero (medidas en equivalente de CO2) aumentaron a un ritmo medio del 1.6% anual, mientras que las emisiones de CO2 procedentes del uso de combustibles fósiles aumentaron a un ritmo del 1.9% anual. Las emisiones antropogénicas totales a finales de 2009 se estimaron en 49,5 gigatoneladas equivalentes de CO2. Estas emisiones incluyen el CO2 procedente del uso de combustibles fósiles y del uso de la tierra, así como las emisiones de metano, óxido nitroso y otros gases de efecto invernadero cubiertos por el Protocolo de Kioto.
En la actualidad, la principal fuente de emisiones de CO2 es la quema de carbón, gas natural y petróleo para producir electricidad y calor son las mayor fuente de emisiones de gases de efecto invernadero a nivel mundial..
Otra medida es la de las emisiones per cápita. Esto divide las emisiones anuales totales de un país entre su población de mediados de año. Las emisiones per cápita pueden basarse en emisiones históricas o anuales (Banuri et al., 1996, pp. 106-07).
Aunque a veces se considera que las ciudades contribuyen de manera desproporcionada a las emisiones, las emisiones per cápita tienden a ser más bajas para las ciudades que los promedios de sus países.
Según la Agencia de Protección Ambiental (EPA), las emisiones de gases de efecto invernadero en Estados Unidos pueden rastrearse desde diferentes sectores. Algunas de las variables que se han reportado incluyen:
Estas diferentes medidas son utilizadas a veces por diferentes países para afirmar diversas posiciones políticas/éticas sobre el cambio climático (Banuri et al., 1996, p. 94) El uso de diferentes medidas conduce a una falta de comparabilidad, lo que resulta problemático a la hora de monitorear el progreso hacia las metas. Existen argumentos para la adopción de una herramienta de medición común, o al menos para el desarrollo de la comunicación entre las diferentes herramientas.
Las emisiones pueden medirse a lo largo de largos períodos de tiempo. Este tipo de medición se denomina emisiones históricas o acumulativas. Las emisiones acumuladas dan alguna indicación de quién es responsable de la acumulación de la concentración atmosférica de gases de efecto invernadero (IEA, 2007, p. 199).
El balance de las cuentas nacionales estaría positivamente relacionado con las emisiones de carbono. El saldo de las cuentas nacionales muestra la diferencia entre las exportaciones y las importaciones. Para muchas naciones más ricas, como Estados Unidos, el saldo de las cuentas es negativo porque se importan más bienes de los que se exportan. Esto se debe principalmente al hecho de que es más barato producir bienes fuera de los países desarrollados, lo que lleva a las economías de los países desarrollados a depender cada vez más de los servicios y no de los bienes. Creíamos que un balance positivo de las cuentas significaría que se estaba produciendo más producción en un país, por lo que más fábricas trabajando aumentarían los niveles de emisión de carbono.
Las emisiones también pueden medirse en períodos de tiempo más cortos. Los cambios en las emisiones pueden, por ejemplo, medirse con respecto a un año base de 1990. En 1990 se utilizó en la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC) como año de referencia para las emisiones, y también se utiliza en el Protocolo de Kioto (algunos gases también se miden a partir del año 1995). Las emisiones de un país también pueden reportarse como una proporción de las emisiones globales para un año en particular.
El cambio en el uso de la tierra, por ejemplo, la tala de bosques para uso agrícola, puede afectar la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera al alterar la cantidad de carbono que fluye fuera de la atmósfera hacia los sumideros de carbono.
La consideración del cambio en el uso de la tierra puede entenderse como un intento de medir las emisiones "netas", es decir, las emisiones brutas de todas las fuentes menos la remoción de emisiones de la atmósfera por parte de los sumideros de carbono (Banuri et al., 1996, págs. 92-93).
Existen grandes incertidumbres en la medición de las emisiones netas de carbono. Además, existe controversia sobre cómo se deben distribuir los sumideros de carbono entre las diferentes regiones y a lo largo del tiempo (Banuri et al., 1996, p. 93). Por ejemplo, es probable que concentrarse en los cambios más recientes en los sumideros de carbono favorezca a las regiones que han deforestado antes, por ejemplo, Europa.
La intensidad de los gases de efecto invernadero es una relación entre las emisiones de gases de efecto invernadero y otra medida, por ejemplo, el producto interno bruto (PIB) o el uso de energía. Los términos "intensidad de carbono" e "intensidad de las emisiones" también se utilizan a veces. Las intensidades de emisión pueden calcularse utilizando los tipos de cambio de mercado (TCM) o la paridad de poder adquisitivo (PPA) (Banuri et al., 1996, p. 96). Los cálculos basados en el TCM muestran grandes diferencias en las intensidades entre los países desarrollados y en desarrollo, mientras que los cálculos basados en la PPA muestran diferencias menores.
Las emisiones antropogénicas acumuladas (es decir, emitidas por el hombre) de CO2 procedentes del uso de combustibles fósiles son una de las principales causas del calentamiento global, y dan alguna indicación de qué países han contribuido más al cambio climático inducido por el hombre.
En general, los países desarrollados representaron el 83,8% de las emisiones industriales de CO2 durante este período y el 67,8% de las emisiones totales de CO2. Los países en desarrollo representaron el 16,2% de las emisiones industriales de CO2 durante este período y el 32,2% de las emisiones totales de CO2. La estimación de las emisiones totales de CO2 incluye las emisiones de carbono biótico, principalmente de la deforestación. Banuri et al (1996, p. 94) calculó las emisiones per cápita acumuladas sobre la base de la población de entonces. La relación entre las emisiones per cápita de los países industrializados y los países en desarrollo se estimó en más de 10 a 1.
La inclusión de las emisiones bióticas provoca la misma controversia mencionada anteriormente en relación con los sumideros de carbono y el cambio de uso de la tierra (Banuri et al., 1996, págs. 93-94). El cálculo real de las emisiones netas es muy complejo y se ve afectado por la forma en que se distribuyen los sumideros de carbono entre las regiones y la dinámica del sistema climático.
Los países no miembros de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos representaron el 42% de las emisiones acumuladas de CO2 relacionadas con la energía entre 1890 y 2007. Durante este período, EE. UU. representó el 28% de las emisiones; la UE, el 23%; Rusia, el 11%; China, el 9%; otros países de la OCDE, el 5%; Japón, el 4%; India, el 3%; y el resto del mundo, el 18%.
Debido al rápido desarrollo económico de China, sus emisiones anuales per cápita se están acercando rápidamente a los niveles del grupo del Anexo I del Protocolo de Kioto (es decir, los países desarrollados excluyendo a EE. UU.). Otros países con emisiones de rápido crecimiento son Corea del Sur, Irán y Australia (que aparte de los estados ricos en petróleo del Golfo Pérsico, ahora tiene la tasa de emisión per cápita más alta del mundo). Por otra parte, las emisiones anuales per cápita de la UE-15 y de los EE. UU. disminuyen gradualmente con el tiempo. Las emisiones en Rusia y Ucrania han disminuido más rápidamente desde 1990 debido a la reestructuración económica de estos países.
Las estadísticas energéticas de las economías de rápido crecimiento son menos precisas que las de los países industrializados. Para las emisiones anuales de China en 2008, la Agencia de Evaluación Ambiental de los Países Bajos estimó un rango de incertidumbre de alrededor del 10%.
La huella de gases de efecto invernadero se refiere a las emisiones resultantes de la creación de productos o servicios. Es más completa que la huella de carbono comúnmente utilizada, que mide sólo el dióxido de carbono, uno de los muchos gases de efecto invernadero.
2015 fue el primer año en el que se observó tanto un crecimiento económico mundial total como una reducción de las emisiones de carbono.
En 2009, los diez principales países emisores anuales representaron alrededor de dos tercios de las emisiones anuales de CO2 relacionadas con la energía.
Un litro de gasolina, cuando se usa como combustible, produce 2.32 kg (unos 1300 litros o 1.3 metros cúbicos) de dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero. Un galón estadounidense produce 19.4 lb (1291.5 galones o 172.65 pies cúbicos).
Los gases de efecto invernadero pueden ser eliminados de la atmósfera por diversos procesos, como consecuencia de:
Varias tecnologías eliminan las emisiones de gases de efecto invernadero de la atmósfera. Los más analizados son los que eliminan el dióxido de carbono de la atmósfera, ya sea hacia formaciones geológicas como la bioenergía con captura y almacenamiento de carbono y la captura de dióxido de carbono en el aire, o hacia el suelo como en el caso del biocarbón. El IPCC ha señalado que muchos modelos de escenarios climáticos a largo plazo requieren emisiones negativas a gran escala producidas por el hombre para evitar un cambio climático grave.
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