Evaluaci

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Evaluación de la Contaminación AmbientalTema 3.-
Procesos físicos y químicos en la atmósfera

• Parte III
• El balance de radiación de la Tierra y el efecto
  invernadero

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• La temperatura de la superficie de la Tierra es
  una consecuencia del balance de radiación
• En la atmósfera de la Tierra, el vapor de agua (0
  - 2), el CO2 y otros gases absorben una cierta
  parte de la radiación térmica que emite la
  superficie de la Tierra y a su vez emiten
  radiación hacia la Tierra y el espacio
• Estos gases capaces de absorber la radiación de
  onda larga procedente de la superficie del suelo,
  calentando la atmósfera - efecto de manta
  conocido como efecto invernadero natural -son
  conocidos con el nombre de gases de efecto
  invernadero (GEI)
• Sin los GEI la temperatura media de la tierra
  -20 ºC
• Las emisiones antropogénicas de GEI incrementan
  este efecto natural y necesario y producen un
  calentamiento adicional de la Tierra
• Es el efecto invernadero adicional causado por
  los humanos lo que es peligroso
• Debido a cambios en la composición de la
  atmósfera, la cantidad de radiación que alcanza
  la Tierra varía
• Esta radiación calienta la superficie que, a su
  vez, envía una parte de nuevo al espacio
• Recordemos que la radiación que emite el sol es
  visible y UV principalmente, mientras que la
  Tierra emite radiación infrarroja o radiación de
  onda larga

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Qué ocurre cuando la radiación atraviesa la
atmósfera?Radiación solar (amarillo)
Infrarroja terrestre (rojo)

• Términos del balance de radiación
• La radiación solar es la fuente de energía que
  recibe la Tierra desde el espacio
• Parte de la radiación alcanza la superficie de la
  Tierra y es absorbida por sus distintos
  componentes océanos, bosques, suelos y agua
• La superficie de la Tierra devuelve directamente
  una parte (reflexión) de la radiación solar que
  le llega - Las superficies muy brillantes, como
  el hielo y la nieve, son particularmente
  reflectantes
• La parte superior de las nubes ó los aerosoles
  que hay en la atmósfera reflejan parte de la
  radiación solar incidente
• También el resto de componentes del aire absorben
  radiación
• La parte de radiación que alcanza la superficie
  de la Tierra la calienta y la Tierra la devuelve
  en forma de radiación infrarroja

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• Veamos ahora qué ocurre con esta radiación
  infrarroja (IR)
• La superficie de la Tierra calentada por el Sol
  es, a su vez, una fuente de radiación (IR- onda
  larga)
• Una parte de esta energía se utiliza para la
  evaporación del agua
• Otra parte es devuelta directamente al espacio
• Las nubes absorben y reemiten radiación IR hacia
  la Tierra (un día nublado mantiene la Tierra más
  caliente)
• Finalmente hay partículas y gases en el aire -
  (GEI) - que absorben radiación IR y mantienen la
  capa de la atmósfera cercana al suelo caliente

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• El balance de radiación de la Tierra y el efecto
  invernadero
• De cada 100 unidades de energía que llegan a la
  parte superior de la atmósfera, 51 son absorbidas
  por la tierra, 19 por la atmósfera y 30
  reflejadas nuevamente al espacio
• Las 70 unidades que absorbe el sistema
  Tierra-atmósfera (51 19 unidades) son
  irradiadas nuevamente al espacio como radiación
  de onda larga

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La absorción de los gases de efecto invernadero

• Los GEI no absorben todas las l y una pequeña
  parte de energía se emite directamente como
  radiación de onda larga desde la superficie de la
  Tierra al espacio
• Hay algunos huecos en el espectro de absorción
  superpuesto del agua (absorbe 60), CO2, CH4,
  N2O, O3 y otros GEI
• Los huecos más importantes en la absorción del
  agua y el CO2 son lo que se llama la ventana
  atmosférica

El vapor de agua es el GEI más importante seguido
del CO2 y el CH4 Las concentraciones de CO2 y
CH4 son mucho menores que la del agua, pero
cierran parcialmente la pequeña ventana
atmosférica por donde una parte de la radiación
puede abandonar la atmósfera, absorbiendo esta
radiación
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Concentraciones de CO2, CH4 y N2O en la atmósfera
durante los últimos 10.000 años (gráficas
grandes) y desde 1750 (gráficas interiores) Las
medidas proceden de núcleos de hielo (símbolos de
diferente color para cada estudio) y de muestras
de la atmósfera (líneas en rojo) Referencia
IPCC 2007
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• Cada GEI tiene diferente capacidad para absorber
  el calor en la atmósfera
• Se utiliza el concepto de Potencial de
  Calentamiento Global - GWP (global warming
  potential) - de un GEI para comparar su capacidad
  para atrapar el calor en la atmósfera relativa a
  otro gas de referencia (CO2)
• La definición de GWP para un GEI en particular es
  la relación entre el calor absorbido por la
  unidad de masa del GEI y la de la unidad de masa
  de CO2 en un tiempo determinado que suele ser 100
  años

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Principales GEI
Referencia informe IPCC 2001
Rice paddies arrozales Waste dumps
vertederos Livestock ganaderia Foams
espumas GWP para un horizonte de 100 años
Incluye efectos indirectos de la producción de
ozono troposférico y vapor de agua
estratosférico No se puede definir tiempo de
vida para el CO2 por las diferentes velocidades
de eliminación de diferentes procesos sumideros
Potencial de calentamiento global neto
(incluyendo el efecto indirecto debido a la
destrucción del ozono)
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Forzamiento Radiativo

• Se denomina forzamiento radiativo (FR) a la
  perturbación del balance radiativo de la
  atmósfera terrestre entre la radiación solar
  incidente y la radiación infrarroja saliente, que
  se traduce en un cambio en la irradiancia neta en
  la tropopausa (a unos 12 km sobre el nivel del
  mar) como resultado de cambios internos en la
  composición de la atmósfera (ej., cambios en la
  concentración de un GEI) ó cambios en el aporte
  externo de radiación emitida por el sol y es
  expresado en W m-2
• Un FR positivo contribuye a calentar la
  superficie de la Tierra, mientras que uno
  negativo favorece su enfriamiento

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• FR positivo ? Efecto de calentamiento
• El más importante (el que más contribuye al
  calentamiento del planeta) es el del CO2 (1.66 W
  m-2), seguido por el del CH4 (0.5 W m-2)
  relativo a la era pre-industrial
• Con una contribución menor, pero también
  favorable al calentamiento, están el N2O, los
  halocarbonos, el O3 trop, el vapor de agua
  estrat, el albedo de la superficie ("albedo ?
  de radiación reflejada) y la irradiancia solar
• FR negativo ? Efecto de enfriamiento
• Nubes, aerosoles, O3 estrat., albedo superficie
• IPCC ? estos elementos no compensan el
• calentamiento que producen los otros

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Forzamientos radiativos (FR) en 2005 relativos al
comienzo de la era industrial ( 1750) El único
incremento significativo del FR debido a causas
naturales en (1750- 2005) se debe a la
irradiancia solar
Importante nivel de incertidumbre de las
valoracines (NCCE)
FR ? calentamiento del clima ?
importantes CO2 (1.66 W m-2) y CH4 (0.5 W
m-2) Después el N2O, los halocarbonos, el O3
trop, el vapor de agua estrat, el albedo de la
superficie ("albedo ? de radiación reflejada)
y la irradiancia solar FR - ? Efecto de
enfriamiento - Nubes, aerosoles, O3 estrat.,
albedo superficie (usos del suelo)
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• Efecto del aumento de la concentracion de
  aerosoles
• Los aerosoles pueden influir sobre el clima de
  varias maneras
• - Efecto directo pueden absorber radiación en
  forma directa
• - Efecto indirecto pueden aumentar la
  dispersión de la radiación solar incidente
  (haciendo crecer la proporción de la radiación
  solar que nos llega que se dispersa hacia el
  espacio exterior)
• El impacto de los aerosoles sobre el clima es aún
  bastante incierto, pero en general un aumento de
  su concentración en la atmósfera corresponde a un
  forzamiento radiativo negativo, es decir, tiende
  a disminuir la temperatura del planeta a nivel de
  superficie, como resultado de un aumento de la
  dispersión de la radiación solar
• Hay tanta incertidumbre en las dimensiones de los
  factores de enfriamiento que en el caso más
  extremo podríamos asumir que en el cambio
  global pesan más sus efectos que los de
  calentamiento

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• Uno de los aerosoles cuyo efecto sobre el clima
  ha sido estudiado con cierto detalle son los
  sulfatos, que se forman a partir de emisiones de
  dióxido de azufre (SO2) con un forzamiento
  radiativo negativo del orden de -0.3 W m-2
  comparable al forzamiento radiativo de signo
  opuesto del ozono troposférico
• Existen otros aerosoles que tienen un impacto
  opuesto al de los gases de efecto invernadero,
  aunque de una intensidad menor que los sulfatos
  los que provienen de la quema de biomasa
  (incendio de bosques y quema de leña)
• Aunque existe un bajo nivel de conocimiento
  acerca de los efectos indirectos de los aerosoles
  se estima que el aumento de su concentración en
  la atmósfera representa un forzamiento radiativo
  negativo de una magnitud que puede ser
  comparable, pero de signo opuesto, al producido
  por el aumento del CO2 y del CH4

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• El efecto radiativo de los aerosoles no es fácil
  de medir, especialm sobre los continentes
• Heterogeneidad regional de la concentración de
  aerosoles es muy grande, al igual que su
  variabilidad ? difícil determinar una media
  global
• Estudio reciente con datos de satélite (océano,
  días claros) ? entre 3.8 y 6.0 W m-2 con un
  forzamiento directo atribuible a los aerosoles
  antrópicos 1.4 W m-2 (Kaufman, 2005) con
  valores diferentes según el hemisferio -2.3 y
  -0.8 W m-2 en el HN y HS (Christopher, 2006)
• Debido al efecto de aumento de nubosidad que
  provocan los aerosoles, la radiación solar
  recibida en superficie puede disminuir 5 W m-2
  gtgt el incremento radiativo debido al aumento de
  GEI (2.4 W m-2) (Breon, 2006)
• Otros estudios indican un FR global directo de
  1.6 W m-2 e indirecto (por el aumento de
  nubosidad) de 1.4 W m-2 (Matsui, 2006)
• IPCC 2007 ? Efecto directo -0.5 W m-2
• Efecto indirecto -0.7 W m-2

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• Los efectos enfriadores de los aerosoles vienen
  limitados por el tiempo que pueden permanecer en
  la atmósfera
• La vida media de los compuestos de azufre es de
  aproximadamente una semana, mientras que los
  principales GEI pueden permanecer décadas
• Por lo tanto, las medidas de control para reducir
  las emisiones de los compuestos se azufre se
  plasmarían en una rápida reducción de las
  concentraciones de aerosoles, mientras que la
  reducción, por ejemplo, de emisiones de CO2 sólo
  produciría cambios lentos en sus concentraciones
  atmosféricas
• Los volcanes, son una fuente natural, aunque
  aleatoria, de aerosoles
• La erupción del volcán Pinatubo en Filipinas en
  1991, causó un importante enfriamiento de la
  Tierra, pero este efecto se vio anulado en 1993 y
  1994 a medida que los aerosoles cayeron de la
  atmósfera

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Cambios observados Temperatura, nivel del mar y
cubierta de nieve Hemisferio Norte

• el promedio mundial de la temperatura en
  superficie
• el promedio mundial del nivel del mar según datos
  mareográficos (azul) y de satelites (rojo)
• la cubierta de nieve del HN en el período
  marzo-abril
• Las diferencias han sido obtenidas respecto de
  los promedios correspondientes al período
  1961-1990
• Las curvas contínuas representan promedios
  decenales, mientras que los círculos denotan
  valores anuales
• Las áreas sombreadas representan los intervalos
  de incertidumbre

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Cambio en las precipitaciones medias anuales
periodos 1976 - 2003 menos 1948 - 1975
(mm/día)Azul/verde (rojo/amarillo) ? un descenso
(aumento) de la cantidad anual de lluvia
monzónica Las áreas grises indican falta de
valores (océanos) o áreas sin cambios anuales
significativos
Cambios observados
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Cambios en la Temperatura

• DT (0.6 0.2) C durante el siglo XX como
  promedio global a nivel de superficie aunque el
  aumento no ha sido regular
• Crecimiento entre principios del siglo y 1940
• Leve descenso entre 1940 - 1970 (II guerra
  mundial y postguerra)
• Décadas de 1980 y 1990 la temperatura volvió a
  subir con una tasa similar a la registrada a
  principios de siglo

Referencia informe IPCC
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Cambio Climático Temperatura
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Cambio Climático Subida del nivel del mar

• El actual período interglaciar comenzó hace unos
  14000 años cuando el nivel del agua era de unos
  75 a 100 m menor al nivel actual
• El nivel del mar aumentó rápidamente (más de 1 m
  por siglo) a medida que se derritieron grandes
  cantidades de hielo y nieve
• Actualmente la tasa de aumento del nivel del mar
  se estima en 15-17 cm/siglo y parece aumentar a
  medida que aumenta la tasa de calentamiento
  global (IPCC) aunque hay muchas incertidumbres
• Un incremento acelerado en el nivel del mar
  inundaría a las tierras altas y bajas de la costa
  afectando a sus edificaciones, aumentaría la tasa
  de erosión de la línea costera y aumentaría la
  salinidad de los ríos y acuíferos

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Cambio Climático Subida del nivel del mar

• Frente a un calentamiento global, hay dos
  factores que contribuirán al aumento del nivel
  del mar
• Primero si la T global aumenta, los océanos
  absorberán ese calor y se dilatarán (expans
  térm) ? aumento del nivel del mar
• Segundo el DT hará que se derritan el hielo y
  los campos helados ? aumentará la cantidad de
  agua de los océanos
• Atención ? El derretimiento de hielo flotante no
  produce aumento del nivel del mar, solo el
  derretimiento de hielo y nieve sobre la
  superficie terrestre aumentará el nivel del mar

Geoide terrestre
GRACE estudio del campo gravitatorio terrestre
utilizando medidas de satélites (NASA, 2002) ?
obtención del más detallado modelo gravitatorio
calculado hasta ahora La determinación del geoide
terrestre permitirá la unificación mundial de los
sistemas de altura,de modo que se pueda comparar
los cambios del nivel del mar en el Mediterráneo
y en el mar del Norte
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Cambio Climático Subida del nivel del mar

• Complejidad del análisis existen otros factores
  que hacen complejo el cálculo de una tendencia
  media global (aparte del deshielo y de la
  expansión térmica del agua por calentamiento)
• Ej. la reacción isostática de ajuste que
  comenzó tras la fusión de los últimos grandes
  mantos glaciares determina en muchas partes que
  el mar esté subiendo ó bajando
• Medidas costas del Báltico? en su parte norte el
  mar está bajando más de 5 mm/año
• ?
• La costa sueca del Báltico asciende para
  recuperarse, como por rebote, del hundimiento que
  le producía la masa de hielo glacial que tuvo
  anteriormente encima

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Cambio Climático Subida del nivel del mar

• Noticias ? Cambio climático un enorme iceberg se
  ha desgajado de la plataforma de Wilkins junto a
  la Península de la Antártida

Final del invierno
La plataforma de Wilkins ha sufrido un
calentamiento, por razones de la circulación de
vientos y corrientes
Final del verano
El conjunto de la Antártida no se ha calentado y
el hielo marino ha seguido las pautas
estacionales típicas (Reconocido en el informe
IPCC 2007)
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Cambio Climático precipitaciones Las
precipitaciones han aumentado en latitudes altas
del HN, especialmente durante la estación fría Se
ha producido un descenso de las mismas a partir
de 1960 en las zonas tropicales y subtropicales
desde África a Indonesia El promedio de
precipitación sobre la superficie de la tierra
aumentó desde principios de siglo hasta 1960
aproximadamente y ha disminuido a partir de
1980 Hay una gran falta de datos de precipitación
sobre los océanos
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• Para cuando podamos conocer mas detalladamente
  los riesgos que comporta el calentamiento por
  efecto invernadero, es posible que hayan empezado
  a producirse complejos procesos de retroacción
  (feedback) ante los que estaremos inermes
• El debate sobre todo consiste en evaluar estos
  riesgos y las consecuencias de no emprender
  ninguna acción
• Interrelación de estos fenómenos y conclusiones
• En síntesis, la contaminación atmosférica, ya sea
  natural o inducida por la acción antropogénica,
  presenta sustancias que inciden en la destrucción
  de la capa de ozono, en las variaciones
  climáticas producidas por el efecto invernadero ,
  en la acidificación de las precipitaciones y en
  la generación del smog
• Se pueden establecer las siguientes
  interrelaciones
• Los óxidos de nitrógeno que mediante reacciones
  fotoquímicas generan el smog, también son gases
  causantes del efecto invernadero y contribuyen a
  la destrucción del ozono, además de ser causantes
  de la "lluvia ácida"
• Los óxidos de azufre inciden en la destrucción
  del ozono, son GEI, también son causantes de la
  "lluvia ácida" y aunque no son productores
  directos del smog sí han contribuido a agravar
  sus efectos
• Los compuestos clorofluorocarbonados (CFC)
  destruyen el ozono y son GEI

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• El CO2 no es parte integrante del smog, ni
  destruye la capa de ozono pero el aumento en su
  concentración es determinante en el efecto
  invernadero
• Su ciclo normal y benéfico está asociado con la
  presencia de suficiente vegetación sobre la
  tierra, capaz de lograr su fijación por medio de
  la fotosíntesis
• No obstante, la destrucción del escudo de ozono
  y el smog afectan a la vegetación y pueden traer
  como consecuencia el aumento del CO2 y del efecto
  invernadero
• El ozono en la estratosfera (14 a 50 km de
  altura) protege a la tierra de los rayos UV del
  sol, pero en la troposfera (menos de 14 km) es un
  GEI que forma el smog y contribuye al
  calentamiento global
• La formación del smog, el efecto invernadero, la
  destrucción de la capa de ozono y aún otros
  fenómenos causados por la contaminación
  atmosférica como la lluvia ácida tienen estrechas
  interrelaciones y por tanto la prevención y
  control de sus efectos debe considerar en forma
  integral todo el conjunto de fenómenos, sobre
  cuya magnitud y comportamiento futuro aunque no
  hay unanimidad en el mundo científico, sí se
  reconocen sus consecuencias que pueden llegar a
  ser desastrosas para la humanidad