Crédito: John Fowler en Unsplash

El vapor de agua es el gas de efecto invernadero más abundante de la Tierra. Es responsable de aproximadamente de la mitad del efecto invernaderode la Tierra (el proceso que ocurre cuando los gases en la atmósfera de la Tierra atrapan el calor del Sol). Los gases de efecto invernadero mantienen nuestro planeta habitable. Sin ellos, la temperatura de la superficie de la Tierra sería unos 59 grados Fahrenheit (33 grados Celsius) más fría. El vapor de agua también es una parte clave del ciclo del agua de la Tierra: el camino que sigue toda el agua a medida que se mueve alrededor de la atmósfera, la tierra y los océanos terrestres como agua líquida, hielo sólido y vapor de agua gaseoso.

Animación simplificada del efecto invernadero.

Desde finales de 1800, las temperaturas superficiales promedio globales han aumentado en aproximadamente 2 grados Fahrenheit (1,1 grados Celsius). Los datos de satélites, globos meteorológicos y mediciones terrestres confirman que la cantidad de vapor de agua atmosférico aumenta a medida que el clima se calienta (el Sexto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas establece que el vapor de agua atmosférico total aumenta entre uno y dos por ciento por década). Por cada grado Celsius que aumenta la temperatura atmosférica de la Tierra, la cantidad de vapor de agua en la atmósfera puede aumentar en un 7%, según las leyes de la termodinámica.

Algunas personas creen erróneamente que el vapor de agua es el principal impulsor del calentamiento actual de la Tierra. Pero el aumento del vapor de agua no causa el calentamiento global producido por el hombre. En cambio, es una consecuencia de ello. El aumento de vapor de agua en la atmósfera sobrecarga el calentamiento causado por otros gases de efecto invernadero.

El ciclo del agua de la Tierra. Crédito: NASA

A medida que aumentan los gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono y el metano, la temperatura de la Tierra se incrementa como respuesta. Esto aumenta la evaporación tanto del agua como de las áreas terrestres. Debido a que el aire más cálido contiene más humedad, aumenta su concentración de vapor de agua. En concreto, esto sucede porque el vapor de agua no se condensa y precipita fuera de la atmósfera tan fácilmente a temperaturas más altas. El vapor de agua absorbe el calor irradiado desde la Tierra y evita que se escape al espacio. Esto calienta aún más la atmósfera, lo que genera aún más vapor de agua en la atmósfera. Es lo que los científicos llaman un "bucle de retroalimentación positiva". Los científicos estiman que este efecto duplica con creces el calentamiento que ocurriría debido solamente al aumento del dióxido de carbono.

Este diagrama muestra los mecanismos detrás de un bucle de retroalimentación de vapor de agua positivo. Los aumentos de dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, provocan un aumento de la temperatura global del aire. Debido al aumento de la evaporación y dado que el aire más cálido contiene más agua, los niveles de vapor de agua en la atmósfera aumentan, lo que aumenta aún más el efecto invernadero. El ciclo se refuerza. El fondo es una puesta de sol a través de altocúmulos. Crédito: Colección histórica del NWSde la NASAy la NOAA.

Una variedad diferente de gases de efecto invernadero

Los gases de efecto invernadero en el aire seco de la atmósfera terrestre incluyen dióxido de carbono, metano, óxido nitroso, ozono y clorofluorocarbonos. Si bien constituyen alrededor del 0,05 por ciento de la atmósfera total de la Tierra, desempeñan un papel importante en la captura del calor radiante de la Tierra y evitan que se escape al espacio. Cada uno de ellos es generado directamente por las actividades humanas.

Estos cinco gases de efecto invernadero no son condensables. Los gases no condensables no se pueden convertir en líquidos a las temperaturas muy frías presentes en la parte superior de la troposfera de la Tierra, donde se encuentra con la estratosfera. A medida que cambian las temperaturas atmosféricas, la concentración de gases no condensables se mantiene estable.

Pero el vapor de agua es un caso distinto. Es condensable: puede cambiar de gas a líquido. Su concentración depende de la temperatura de la atmósfera. Esto hace que el vapor de agua sea el único gas de efecto invernadero cuya concentración aumenta porque la atmósfera se está calentando y hace que se caliente aún más.

Si los gases no condensables no aumentaran, la cantidad de vapor de agua atmosférico no cambiaría con respecto a los niveles anteriores a la revolución industrial.

Composición de la atmósfera terrestre por recuento molecular, excluyendo el vapor de agua. El gráfico inferior representa los gases traza que juntos componen alrededor del 0,0434 % de la atmósfera (0,0442 % en concentraciones de agosto de 2021). Las cifras son principalmente de 2000, con CO2 y metano de 2019, y no representan ninguna fuente única. Crédito: Dominio público.

El dióxido de carbono sigue siendo el rey

El dióxido de carbono es responsable de un tercio del calentamiento total del clima de la Tierra debido a los gases de efecto invernadero producidos por el hombre. Pequeños aumentos en su concentración tienen efectos importantes. Una razón clave es la cantidad de tiempo que el dióxido de carbono permanece en la atmósfera.

El metano, el dióxido de carbono y los clorofluorocarbonos no se condensan y no son particularmente reactivos químicamente ni se descomponen fácilmente por la luz en la troposfera. Por estas razones, permanecen en la atmósfera durante años, siglos o incluso más, según el gas.

Esta tabla muestra los potenciales de calentamiento global de 100 años, que describen los efectos que ocurren durante un período de 100 años después de que se emite una masa particular de gas. Los potenciales de calentamiento global y la vida útil provienen de la Tabla 8.A.1 del Quinto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático, contribución del Grupo de Trabajo I.

* La vida útil del dióxido de carbono no se puede representar con un solo valor porque el gas no se destruye con el tiempo, sino que se mueve entre diferentes partes del sistema océano-atmósfera-tierra. Parte del exceso de dióxido de carbono se absorbe rápidamente (por ejemplo, en la superficie del océano), pero parte permanecerá en la atmósfera durante miles de años, debido en parte al proceso muy lento por el cual el carbono se transfiere a los sedimentos oceánicos.

** Los tiempos de vida que se muestran para el metano y el óxido nitroso son tiempos de vida de perturbación, que se han utilizado para calcular los potenciales de calentamiento global que se muestran aquí. Crédito: EPA

Por el contrario, una molécula de vapor de agua permanece en la atmósfera solo nueve días, en promedio. Luego se recicla como lluvia o nieve. Sus concentraciones no se acumulan, a pesar de sus cantidades relativas mucho mayores.

“El dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero no condensables actúan como botones de control para el clima”, comenta Andrew Dessler, profesor de Ciencias Atmosféricas en la Universidad Texas A&M en College Station. “A medida que los humanos agregan dióxido de carbono a la atmósfera, los pequeños cambios en el clima se ven amplificados por los cambios en el vapor de agua. Esto hace que el dióxido de carbono sea un gas de efecto invernadero mucho más potente de lo que sería en un planeta sin vapor de agua”.

Científicos del Servicio Geológico de EE. UU. (USGS, por sus siglas en inglés) demostraron que ha habido un aumento en el flujo entre las diversas etapas del ciclo del agua en la mayor parte de los EE. UU. en las últimas siete décadas. Las tasas de evaporación oceánica, evapotranspiración terrestre y precipitación han ido en aumento. En otras palabras, el agua se ha estado moviendo más rápido e intensamente a través de las distintas etapas.

Este mapa muestra dónde se ha intensificado o debilitado el ciclo del agua en los EE. UU. continentales desde 1945-1974 hasta 1985-2014. Las áreas en azul muestran dónde se ha estado acelerando el ciclo del agua, moviéndose a través de las diversas etapas más rápido o con más volumen. Las áreas rojas han visto disminuciones en la precipitación y la evapotranspiración y han experimentado ciclos menos intensos o más lentos. Los valores de intensidad más grandes indican que había más agua ciclando en esa región, principalmente debido al aumento de las precipitaciones. Crédito: Imagen del Observatorio de la Tierra de la NASA por Lauren Dauphin, utilizando datos de Huntington, Thomas, et al. (2018).

Destruyendo el ciclo global del agua

Los aumentos en el vapor de agua atmosférico también amplifican el ciclo global del agua. Contribuyen a hacer que las regiones húmedas sean más húmedas y las regiones secas más secas. Cuanto más vapor de agua contiene el aire, más energía contiene. Esta energía alimenta tormentas intensas, particularmente sobre la tierra. Esto da lugar a eventos climáticos más extremos.

Pero más evaporación de la tierra también seca los suelos. Cuando el agua de tormentas intensas cae sobre suelo duro y seco, se escurre hacia ríos y arroyos en lugar de humedecer los suelos. Esto aumenta el riesgo de sequía.

En resumen, cuando el vapor de agua atmosférico se encuentra con mayores niveles de otros gases de efecto invernadero, sus impactos sobre el clima de la Tierra son sustanciales.

Inundaciones en Roman Forest, Texas, el 19 de septiembre de 2019, a causa de la tormenta tropical Imelda. Crédito: Foto de Jill Carlson, usada bajo licencia Creative Commons.

Publicado el 8 de febrero de 2022 en  por Alan Buis (NASA's Jet Propulsion Laboratory). Enlace al original: https://go.nasa.gov/34D9ug3

Central de carbón en Rotterdam (Países Bajos). Catstyecam / Shutterstock

El dióxido de carbono (CO₂) no es un gas perverso. Es incoloro e inodoro y se encuentra de forma natural en nuestra atmósfera. No es tóxico ni nocivo en las concentraciones actuales.

El problema es que su acumulación está provocando el calentamiento global de nuestro planeta. Por eso este gas protagoniza muchos debates sobre cambio climático y sostenibilidad.

Estamos inmersos en una transición energética en la que las renovables tendrán cada vez más protagonismo, pero las energías fósiles seguirán siendo necesarias durante décadas para producir multitud de bienes de uso cotidiano en sectores como la construcción, el sanitario y el agrícola, entre otros. ¿Qué haremos entonces con el indeseable CO₂ derivado de su combustión?

El efecto invernadero

La causa del calentamiento ocasionado por el dióxido de carbono no es otra que el efecto invernadero, un fenómeno natural sin el cual no existiría vida en la Tierra.

El efecto invernadero es la capacidad de algunos gases de nuestra atmósfera, como el dióxido de carbono, el vapor de agua, el metano y los óxidos de nitrógeno, entre otros, de atrapar y mantener el calor del Sol. Sin estos gases, la radiación térmica se reflejaría en la superficie terrestre y escaparía, haciendo que la temperatura de la Tierra descendiera hasta unos -18 ℃ .

El problema surge cuando la proporción de estos gases no es la adecuada. Su acumulación provoca que la atmósfera retenga más calor, lo que aumenta progresivamente la temperatura terrestre y produce cambios en el clima. No se trata por tanto de hacer desaparecer el CO₂, sino más bien de controlar su emisión, ajustando la proporción de este gas en la atmósfera a los niveles preindustriales.

Una nueva vida para el CO₂

La captura y el almacenamiento de dióxido de carbono son quizá las alternativas que primero aparecen en la lista para dejar de emitir a la atmósfera ese CO₂ que, por ahora, resulta inevitable. El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático advierte que será necesario acoplar estas tecnologías a las industrias intensivas en carbono porque, de lo contrario, desaparecerán prematuramente, lo que aumentaría el coste de la transición y reduciría su aceptación pública.

En todo el mundo se utilizan unos 230 millones de toneladas (Mt) de CO₂ al año. El mayor consumidor es la industria de los fertilizantes, donde se emplean 130 Mt de CO₂ en la fabricación de urea. La industria del petróleo y gas consume unas 70-80 Mt en técnicas de recuperación mejorada de petróleo.

También se utiliza para estimular el crecimiento de las plantas en los invernaderos. Asimismo, se usa en la industria de las bebidas carbonatadas y en extintores para apagar algunos tipos de fuego. Otros usos menos conocidos, quizá, son la fabricación de hormigones y metales.

Sin embargo, es necesario buscar nuevos usos para el CO₂. Usos en productos que se utilizan de forma masiva y que permiten crear un mercado circular y usos donde este gas quede fijado en productos que no emiten.

Entre estos nuevos usos destacan por su escala sobre otras opciones la transformación del CO₂ en combustibles sintéticos, seguido de la producción de materiales para la construcción y sustancias químicas como el metanol y otros.

 

Combustibles sintéticos

Los combustibles sintéticos son moléculas de hidrocarburos indistinguibles de aquellas que provienen del petróleo, pero que se fabrican a partir de hidrógeno renovable y CO₂. Se utilizan de la misma manera que utilizamos hoy el gas natural, la gasolina, el gasóleo, el queroseno de aviación o el combustible para barcos, con la diferencia que su uso no incrementa la proporción de CO₂ en la atmósfera. En su combustión se emite la misma cantidad utilizada en su fabricación, con lo que el balance de emisiones es neutro.

Si se comenzaran a producir de forma masiva supondrían una solución a toda la movilidad actual. Existen algunos proyectos para poner en marcha estas instalaciones, como la planta piloto de Sunfire en Alemania, un consorcio europeo liderado por EDL-Anlagenbau para instalar una planta de producción de combustible de aviación en el aeropuerto de Rotterdam-La Haya.

Otro proyecto es el de la asociación de los aeropuertos de Copenhague, Maersk, DSV Panalpina, DFDS, SAS y Ørsted para desarrollar una instalación de producción a escala industrial de combustibles sintéticos para el transporte por carretera, marítimo y aéreo en el área de Copenhague.

En España, Repsol construirá una planta en el puerto de Bilbao.

Sin embargo, evaluar el mercado futuro de estos productos es difícil. Teóricamente, el uso de combustibles podría crecer a escalas de varios miles de millones de toneladas de uso de CO₂ al año, pero existen dificultades de implantación, más de carácter comercial y normativo que tecnológico.

Productos químicos y materiales de construcción

El carbono y el oxígeno del CO₂ también se pueden utilizar en productos químicos como, por ejemplo, plásticos y caucho sintético. La vía de conversión más habitual es a través del metanol, una molécula muy versátil a partir de la cual se fabrican productos para sectores como la salud e higiene, la cosmética, la agricultura y la alimentación, entre otros.

Este dióxido de carbono queda fijado en los materiales, formando parte de su estructura, es decir, se almacena permanentemente en el producto. Por ejemplo, las empresas Asahi Kasei Chemicals y Chi Mei Corp. fabrican un policarbonato utilizando CO₂ como materia prima y pudiendo alcanzar hasta un 20 % del peso del producto.

En cuando a los materiales de construcción, el CO₂ se utiliza para sustituir al agua en hormigones. Se trata de hacer reaccionar el CO₂ con el calcio y el magnesio para formar los carbonatos del hormigón.

Mención aparte merecen las aplicaciones que usan como recursos de partida residuos de otras industrias y CO₂, una doble circularidad. Entre esos residuos se encuentran las escorias de acero y las cenizas que quedan tras la combustión del carbón. Para introducir el CO₂ se utiliza el proceso de la mineralización. Algunas empresas ya están apostando por esta solución, como la británica Carbon8, que utiliza unas 5 000 toneladas anuales de dióxido de carbono junto con 60 000 toneladas de residuos para fabricar agregados ligeros para construcción.

 

Estos son sólo algunos ejemplos del uso que podemos dar al CO₂, pero su potencial en la reducción de emisiones es enorme. Un informe del Foro Internacional de la Energía concluye que, para cumplir con los objetivos del Acuerdo de París, debemos impulsar las tecnologías de captura, uso y almacenamiento de dióxido de carbono hasta la friolera de 5,6 gigatoneladas de CO₂ en 2050, desde los apenas 40 millones de toneladas actuales.

También será necesario desarrollar tecnologías de uso de CO₂ y una sólida metodología de análisis del ciclo de vida basado en directrices claras y conjuntos de datos transparentes, así como marcos regulatorios e incentivos para los productos con menos emisiones de carbono.

Publicado el 10 agosto 2022 a las 19:31 CEST en The Conversation.