El efecto invernadero es un proceso natural resultante de la influencia de la atmósfera en los distintos flujos de calor que contribuyen a las temperaturas del suelo de un planeta . Es necesario tener en cuenta este mecanismo para explicar las temperaturas observadas en la superficie de la Tierra y Venus . En el sistema solar, la mayor parte de la energía térmica que recibe un planeta proviene de la radiación solar y, en ausencia de atmósfera, un planeta idealmente irradia como un cuerpo negro , la atmósfera de un planeta absorbe y refleja parte de esta radiación modificando así el equilibrio térmico. Así, la atmósfera aísla a la Tierra del vacío espacial como un invernadero aísla las plantas del aire exterior.
El uso de la expresión efecto invernadero se ha extendido como parte de la popularización del calentamiento global provocado por gases de efecto invernadero que bloquean y reflejan parte de la radiación térmica . Sin embargo, el balance de calor de un invernadero se explica principalmente por un análisis de convección y no de radiación: el calor se acumula dentro del invernadero porque las paredes bloquean los intercambios convectivos entre el interior y el exterior. Además, el término científico, utilizado por la comunidad de climatólogos para describir la influencia de los gases de efecto invernadero, componentes de la atmósfera que bloquean la radiación infrarroja, en el equilibrio térmico de la Tierra, es forzamiento radiativo .
Las temperaturas terrestres son el resultado de interacciones complejas entre las contribuciones solares perturbadas por los ciclos de la órbita de la Tierra, el efecto albedo de la atmósfera, las corrientes de convección en la atmósfera y los océanos , el ciclo del agua y el forzamiento radiativo de la atmósfera en particular.
En la década de 1780 , Horace-Bénédict de Saussure midió los efectos térmicos de la radiación solar utilizando cajas transparentes que colocó en el valle y en la cima de una montaña.
En 1824 , Joseph Fourier publicó Observaciones generales sobre las temperaturas del globo terrestre y de los espacios planetarios en los que refinó el análisis de los experimentos de Horace-Bénédict de Saussure al concluir que “la temperatura del suelo aumenta por la interposición de los atmósfera, porque el calor solar encuentra menos obstáculos para penetrar el aire , estando en estado de luz , de los que encuentra para atravesar el aire cuando se convierte en calor oscuro ” .
En 1857 , Eunice Newton Foote publicó Circunstancias que afectan el calor de los rayos del sol en The American Journal of Science and Arts . Ella describe un experimento en el que mide la temperatura interna de cilindros de vidrio, expuestos al sol y llenos de diferentes mezclas de gases. Ella descubre que el dióxido de carbono retiene el calor particularmente bien y concluye que "una atmósfera formada por este gas daría a nuestra Tierra una temperatura alta". Olvidado, su contribución científica fue redescubierta en 2011 .
En 1861 , John Tyndall a su vez identificó al principal responsable de este mecanismo: el vapor de agua y el dióxido de carbono . Luego sugiere que un cambio en la composición de la atmósfera puede influir en la evolución del clima .
En 1896 , Svante August Arrhenius propuso la primera estimación del impacto del nivel de dióxido de carbono en las temperaturas de la Tierra. Él estima que duplicar la cantidad de dióxido de carbono debería aumentar la temperatura promedio en 4 ° C. Por tanto, espera que la explotación del carbón permita superar la próxima edad de hielo debido a la órbita de la Tierra. El geólogo estadounidense Thomas Chrowder Chamberlin llegó de forma independiente a las mismas conclusiones.
En 1909, Robert Williams Wood demostró que, contrariamente a la creencia popular, el bloqueo de la radiación infrarroja por el vidrio no es el mecanismo principal que explica el funcionamiento de un invernadero. Por lo tanto, el término científico, adoptado por el IPCC , que se utiliza para describir la influencia de los componentes de la atmósfera que bloquean la radiación infrarroja en el equilibrio térmico de la Tierra es forzamiento radiativo y no efecto invernadero.
La expresión sintética efecto invernadero proviene de la popularización a principios de la década de 1980 de los alarmantes resultados de la investigación climatológica. Mientras que los climatólogos analizan el impacto de dióxido de carbono sobre el clima sin hablar del efecto invernadero, las primeras advertencias para influir en las decisiones políticas se emiten en la década de 1980 el uso de esta expresión, que se utiliza posteriormente en los informes. Cada vez más publicitado, como el informe Brundtland ( 1987 ). En Francia , Jean-Marc Jancovici y Hervé Le Treut han popularizado los riesgos asociados con el efecto invernadero desde la década de 1980 .
Contrariamente a la creencia popular, y como su nombre indica, el efecto invernadero, que implica el mecanismo ligado a la absorción y emisión de radiación térmica por el vidrio, no es imprescindible en el funcionamiento de 'un invernadero'. En 1909, Robert Williams Wood refutó experimentalmente esta explicación. Al reemplazar el vidrio que cubre un invernadero con halita , un material que es completamente transparente al infrarrojo, Robert Wood mide un aumento de temperatura similar en ambos casos. Además, el aumento de temperatura en un invernadero no puede explicarse por el hecho de que el vidrio refleja infrarrojos. No obstante, la expresión "efecto invernadero" se ha mantenido en el uso actual. Pero el término científico, utilizado por la comunidad científica para describir la influencia de los componentes de la atmósfera que bloquean la radiación infrarroja en el equilibrio térmico de la Tierra, es forzamiento radiativo .
El funcionamiento de un invernadero se explica principalmente por un análisis de convección y no de radiación : el calor se acumula en el interior del invernadero porque las paredes bloquean los intercambios convectivos entre el interior y el exterior.
Cuando la radiación solar llega a la atmósfera de la Tierra , una parte (alrededor del 30%) se refleja directamente , es decir, se envía de regreso al espacio, por el aire , las nubes blancas y la superficie clara de la Tierra ( obviamente pensamos en regiones blancas y heladas como el Ártico y Antártico , pero su papel no debe sobrestimarse: su posición en los polos significa que reciben poca energía solar ); el albedo es la medida de este efecto espejo. Los rayos incidentes que no se han reflejado de regreso al espacio son absorbidos por la atmósfera (20,7%) y la superficie terrestre (51%).
Esta última parte de la radiación absorbida por la superficie del suelo le aporta calor , que a su vez libera, día y noche, hacia la atmósfera. La transferencia de calor entre la Tierra y la atmósfera tiene lugar, de acuerdo con el segundo principio de la termodinámica , de caliente (la tierra) a frío (la atmósfera); se produce por convección (calentamiento y humidificación del aire en contacto con el suelo luego ascenso de este aire y liberación del calor latente del vapor de agua cuando se condensa en nubes ) y en forma de radiación infrarroja lejana ( principalmente en el rango 8 - 13 μm , correspondiente a la " radiación de cuerpo negro " para la temperatura del suelo). El efecto invernadero solo se ocupa de esta radiación, que será parcialmente absorbida por los gases de efecto invernadero , lo que contribuye a calentar la atmósfera. Luego, en un tercer paso, este calor contenido por la atmósfera se vuelve a emitir en todas direcciones; una parte escapa hacia el espacio, pero otra parte regresa hacia la Tierra y viene en deducción del aporte de calor de la superficie hacia la atmósfera, oponiéndose así al enfriamiento de la superficie. Cabe señalar que el exceso de calor generado por las actividades humanas, a través del efecto invernadero, es absorbido en un 93% por el océano, lo que atenúa así el aumento de temperatura en la atmósfera. Por tanto, el océano global juega un papel de termostato planetario y de control de los grandes equilibrios naturales planetarios.
Sin el efecto invernadero (lo que implica, en particular: sin vapor de agua y libre de nubes), y albedo constante, la temperatura media en la Tierra caería a -18 ° C . Pero a esta temperatura, el hielo se esparciría por todo el globo, el albedo terrestre aumentaría y la temperatura probablemente se estabilizaría por debajo de -50 ° C (ver Glaciación de Varanger ).
Los gases de efecto invernadero son componentes gaseosos de la atmósfera que contribuyen al efecto invernadero (teniendo en cuenta que la atmósfera contiene otros componentes no gaseosos que contribuyen al efecto invernadero, como gotas de agua sobre la Tierra). Estos gases tienen la característica común de absorber parte de los rayos infrarrojos emitidos por la superficie terrestre.
Los principales gases de efecto invernadero son el vapor de agua , el dióxido de carbono (CO 2), metano (CH 4), óxido nitroso (u óxido nitroso, de fórmula N 2 O) y ozono (O 3). Los gases de efecto invernadero industriales incluyen halocarbonos pesados ( fluorocarbonos clorados que incluyen CFC , moléculas de HCFC-22 como freón y perfluorometano ) y hexafluoruro de azufre (SF 6).
Contribuciones aproximadas al efecto invernadero de los principales gases, según el IPCC:
La mayoría de los gases de efecto invernadero (GEI) son de origen natural. Pero algunos de ellos solo se deben a la actividad humana o su concentración en la atmósfera aumenta debido a esta actividad. Este es el caso en particular del ozono (O 3), dióxido de carbono (CO 2) y metano (CH 4). Prueba de que el aumento de CO 2atmosférico es de origen humano se realiza mediante análisis de isótopos . Por otro lado, este último gas liberado a la atmósfera solo contribuye en un 40% al efecto invernadero adicional resultante de la actividad humana.
Distribución de gases de efecto invernadero antropogénicos (debido a actividades humanas):
| apellido | Fórmula | Contribución al efecto invernadero (excluyendo H2O) | Equivalente de CO 2 | Esperanza de vida |
| Dióxido de carbono | CO 2 | 76,7% | 1 × | 100 años |
| Metano | VSH 4 | 14,3% | 20 × | 12 años |
| Óxido nitroso | N 2 O | 7,9% | 200 × | 5,000 años |
| Hexafloruro de azufre | SF 6 | 1,1% | 2000 × | 50.000 años |
El ozono es suministrado en grandes cantidades por la actividad industrial humana, mientras que los CFC, que todavía se utilizan ampliamente, destruyen el ozono , lo que significa que se puede observar un doble fenómeno :
La combustión de carbonos fósiles como carbón , lignito , petróleo o gas natural ( metano ) libera CO 2en grandes cantidades en la atmósfera : la concentración atmosférica de dióxido de carbono ha aumentado así en 120 ppm , desde el valor preindustrial de 280 a 400 ppm en la actualidad. Uno de los sectores de actividad que más gases de efecto invernadero emite es el energético : sobre este tema ver el artículo sobre energía y efecto invernadero . Estos combustibles también aumentan la concentración de gases de efecto invernadero, porque habían estado enterrados en el suelo durante miles de años, lo que trastornó el equilibrio. Esta es una adición adicional de dióxido de carbono a la atmósfera que tampoco se compensa completamente con una absorción suficientemente grande: solo la mitad sería reciclada por la naturaleza ; la otra mitad permanecería en la atmósfera y aumentaría el efecto invernadero.
La segunda causa de las emisiones de gases de efecto invernadero es la deforestación , que por sí sola es responsable del 20% de las emisiones globales . La deforestación más significativa se refiere a los tres grandes bosques tropicales: la selva amazónica , la selva de la cuenca del Congo y la selva de Indonesia . Esta es una de las principales causas, porque todo el carbono absorbido por estos árboles se libera al aire. Si hubiera replantación, esta cantidad de dióxido de carbono sería reabsorbida por otro árbol, pero sin replantar, entonces solo hay una adición de la cantidad de este gas en el aire.
Por tanto, las actividades humanas liberan una gran cantidad de GEI: los científicos del IPCC que estudian el clima creen que el aumento de los niveles de gases de origen antropogénico es la causa del calentamiento global .
En Francia, según el grupo Factor 4 , el 26% de las emisiones de gases de efecto invernadero provienen del transporte , seguido de la industria (22%), la agricultura (19%), los edificios y hogares (19%).), La producción y transformación de energía (13 %) y tratamiento de residuos (3%). Desde 1990 , las emisiones se han incrementado en más de un 20% para el transporte y los edificios. Por otro lado, disminuyeron un 22% en la industria , un 10% en el sector agrícola, un 9% en el sector energético y un 8% para el tratamiento de residuos .
Como parte de la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero generadas por el tráfico de automóviles, un estudio realizado para el PREDIT ha demostrado la influencia de las políticas de estacionamiento en las posibilidades de limitar la generación de gases de efecto invernadero. El planteamiento se refiere a las emisiones vinculadas a la construcción de plazas de aparcamiento, al funcionamiento de los aparcamientos y, sobre todo, a la movilidad inducida por la oferta de aparcamiento.
En el peor, tenemos miedo a la activación de un efecto de "bola de nieve" ( positiva retroalimentación ), donde el calentamiento conduciría a un mayor calentamiento, a través de la desaparición del hielo (reducción del albedo ) y sobre todo la liberación de las reservas naturales de. GEI actualmente fijados por el permafrost , hidratos de metano marino, o incluso biomasa .
Si esto sucede y las reacciones terminan como producto después de un gran aumento de temperatura, se denomina efecto invernadero desbocado ( efecto invernadero desbocado en inglés).
Según la hipótesis de la pistola de clatratos ( hipótesis de la pistola de clatratos en inglés), un efecto invernadero desbocado podría ser causado por la liberación de metano de los clatratos (hidratos de metano que recubren el fondo del océano) como consecuencia del calentamiento global . Se supone que la extinción masiva de especies durante el Pérmico-Triásico fue causada por tal fuga. También se estima que podrían liberarse grandes cantidades de metano de la tundra siberiana que está comenzando a descongelarse , ya que el metano es 21 veces más potente como gas de efecto invernadero que el dióxido de carbono.
Sin embargo, tal hipótesis sigue siendo muy improbable: estudios recientes han demostrado que el hidrato de metano del fondo del océano era estable y que el contenido en el permafrost tenía pocas posibilidades de escapar .
El efecto invernadero no es en sí mismo perjudicial para los ecosistemas ; sin ella, la Tierra sería una bola de hielo donde la vida no sería posible, porque no habría agua líquida. El peligro para los ecosistemas radica más bien en la variación demasiado rápida y demasiado grande de las condiciones climáticas para que la mayoría de las especies llamadas evolucionadas puedan adaptarse a los cambios de temperatura y precipitaciones. Los ecosistemas marinos y costeros también podrían verse afectados por un aumento del nivel del mar , por la modificación de las corrientes marinas y por las características fisicoquímicas del agua de mar (acidez, tasa de gas disuelto, etc.).
Obviamente, las poblaciones humanas se verían afectadas por el calentamiento global, el aumento del nivel del mar que provocaría la desaparición de grandes metrópolis y vastas porciones de países. Además, el aumento de las temperaturas favorece la proliferación de insectos que transmiten enfermedades infecciosas, que sobreviven mejor en ambientes cálidos y húmedos.
El IPCC prevé, según los escenarios, incrementos de 1,5 ° C a 6 ° C para el próximo siglo, asumiendo que el aumento de las emisiones de GEI continúe al ritmo de los últimos 20 años. En lugar de una desaceleración generalizada de las emisiones desde la firma del Protocolo de Kioto , continuaron aumentando a un ritmo creciente en 2018. Sin embargo, un cese total e inmediato de las emisiones de carbono no evitaría que la temperatura media del planeta siguiera aumentando. durante varios cientos de años, porque algunos gases de efecto invernadero desaparecen de la atmósfera muy lentamente.
En Venus, el efecto invernadero se elevó la temperatura a más de 460 ° C . Un estudio afirma que este efecto no se debe al dióxido de carbono, que constituye el 96% de la atmósfera, sino a componentes en cantidades relativas muy pequeñas como SO 2y H 2 O. De hecho, en el rango infrarrojo correspondiente a la máxima emisión térmica para un cuerpo a la temperatura de la superficie y la atmósfera inferior de Venus, CO 2tiene ventanas de transmisión muy amplias que no pueden atrapar eficazmente la radiación infrarroja. Por otro lado, SO 2y H 2 Oabsorben radiación en este rango de longitud de onda, al igual que las partículas finas de ácido sulfúrico que forman las nubes. Venus, más cercano (72,3%) al Sol que la Tierra, recibe así casi el doble (191%) de la energía solar que recibe.
Sin embargo, otros estudios contradicen este punto y destacan el papel fundamental del CO 2 en el efecto invernadero venusino.
La atmósfera de Marte contiene una gran proporción de CO 2, sin embargo, la atmósfera del planeta es demasiado delgada para tener un impacto significativo en la temperatura (estimada en menos de + 5,5 ° C). CO 2constituyendo aproximadamente el 96% en volumen (y casi la misma cantidad en masa) de la atmósfera marciana, su presión parcial es aproximadamente igual a la presión atmosférica total de 600 Pa , mientras que esta presión parcial en la Tierra es de aproximadamente 40 Pa . En la Tierra, la fracción molar de CO 2 en el aire es solo del 0,04% en volumen (0,06% en masa).
El efecto invernadero y el calentamiento global que induce se confunden muy a menudo con la alteración de la capa de ozono . Sin embargo, se trata de dos fenómenos muy distintos, el primero relativo a la retención en la atmósfera de los rayos infrarrojos (es decir, calor); el segundo se refiere al aumento de la transparencia de la atmósfera a los rayos ultravioleta . Además, si las principales causas del deterioro de la capa de ozono, a saber, los CFC (clorofluorocarbonos, prohibidos en los países industrializados desde 1989) son también gases de efecto invernadero, no ocurre lo contrario: los gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono y el metano no tienen efecto sobre la capa de ozono.