Índice

Prólogo

Autores

PARTE I. BASES CIENTÍFICAS

1. Atmósfera, Balance de Energía y Efecto Invernadero

1.1. Introducción

1.2. Atmósfera: Estructura vertical

1.3. Radiación solar, balance de radiación y balance de energía

1.4. Efecto Invernadero

1.5. Conclusiones

1.6. Lecturas complementarias

1.7. Referencias

1.8. Anexo: Forzamiento radiativo

2. El Ciclo de los Gases de Efecto Invernadero en el sistema terrestre

2.1. Introducción

2.2. Evolución de los Gases de Efecto Invernadero en la atmósfera

2.3. Dinámica de Gases de Efecto Invernadero en la atmósfera

2.4. Ciclo de carbono y metano

2.5. Efectos no radiativos asociados a cambios en ciclo de carbono

2.6. Conclusiones

2.7. Lecturas complementarias

2.8. Referencias

3. Modelación Climática

3.1. Introducción

3.2. Descripción de un Modelo de Circulación General (GCM)

3.3. Modelación del cambio climático con forzantes antropogénicas

3.4. Escenarios de trayectorias de concentración representativas (RCP)

3.5. Incertidumbres en las proyecciones de cambio climático

3.6. El futuro de la modelación del clima

3.7. Conclusiones

3.8. Lecturas complementarias

3.9. Referencias

4. Clima de Chile y Sudamérica

4.1. Introducción

4.2. Sudamérica: Tierra de contrastes

4.3. Circulación general, Zona de Convergencia Intertropical y Monzón Sudamericano

4.4. El fenómeno del Niño y la Oscilación del Sur

4.5. Anticiclón del Pacífico y vientos del oeste

4.6. Otras fuentes de variabilidad climática

4.7. Principales climas de Chile

4.8. Conclusiones

4.9. Lecturas complementarias

4.10. Referencias

5. Tendencias y Proyecciones de Cambio Climático

5.1. Introducción

5.2. Tendencias de cambio observadas en el sistema climático

5.3. Proyecciones de cambio climático

5.4. Conclusiones

5.5. Lecturas complementarias

5.6. Referencias

PARTE II. MITIGACIÓN DE LA EMISIÓN DE GASES DE EFECTO INVERNADERO

6. Introducción a la Mitigación

6.1. Introducción

6.2. Magnitud y responsables de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero

6.3. Emisiones históricas de Gases de Efecto Invernadero en Chile

6.4. ¿Por qué emitimos Gases de Efecto Invernadero?

6.5. Mitigación: Reducción de emisiones de Gases de Efecto Invernadero

6.6. Geoingeniería: Otras estrategias para evitar que el clima cambie

6.7. Conclusiones

6.8. Lecturas complementarias

6.9. Referencias

7. Emisiones en el Sector Electricidad

7.1. Introducción

7.2. Emisiones de Gases de Efecto Invernadero en el sector electricidad

7.3. Mitigación de emisiones

7.4. Conclusiones

7.5. Referencias

8. Emisiones en el Sector Transporte

8.1. Introducción

8.2. Emisiones históricas del sector transporte

8.3. Mitigación de emisiones en el sector transporte

8.4. Conclusiones

8.5. Referendas

8.6. Anexo: Cálculo de las emisiones del sistema de transporte

9. Emisiones asociadas al Manejo de Residuos

9.1. Introducción

9.2. Emisiones sectoriales

9.3. Mitigación en el sector residuos

9.4. Tendencias de emisiones del sector residuos

9.5. Conclusiones

9.6. Referencias

10. Emisiones de la Agricultura, Ganadería y Silvicultura

10.1. Introducción

10.2. Emisiones, capturas y mitigación de Gases de Efecto Invernadero en el sector forestal y otros usos del suelo

10.3. Emisiones y mitigación de Gases de Efecto Invernadero en el sector agrícola y pecuario

10.4. Conclusiones

10.5. Lecturas complementarias

10.6. Referencias

11. Economia de la Mitigación

11.1. Introducción

11.2. Mercados, bienestar y externalidades ambientales

11.3. Externalidades y el cambio climítico

11.4. La experiencia en politicas públicas

11.5. Conclusiones

11.6. Referencias

11.7. Anexo: Límite a las emisiones

12. Escenarios Futuros y Políticas Internacionales de Mitigación

12.1. Introducción

12.2. Construcción de escenarios de emisión de Gases de Efecto Invernadero

12.3. Escenarios de base y escenarios de estabilización a nivel global

12.4. Escenarios de base y escenarios de mitigación para Chile

12.5. Acuerdos internacionales para lograr los escenarios de estabilización

12.6. Conclusiones

12.7. Referencias

12.8. Anexo: Comparación Protocolo de Kioto y Acuerdo de París

PARTE III. VULNERABILIDAD, IMPACTOS Y ADAPTACIÓN

13. Introducción a Impactosy Adaptación al Cambio Climático

13.1. Introducción

13.2. Una perspectiva histórica de la adaptación al cambio climático

13.3. Relación entre el desarrollo, adaptación y cambio global: Los otros agentes de cambio

13.4. Análisis de impactos asociados al cambio climático

13.5. Relación entre mitigación y adaptación

13.6. Conclusiones

13.7. Lecturas complementarias

13.8. Referencias

14. Impactos y Adaptación en Recursos Hídricos

14.1. Introducción

14.2. Ciclo hidrológico, balance de energía y cambio climático

14.3. Impactos del cambio climático en los recursos hídricos en Chile

14.4. Adaptación a los impactos sobre los recursos hídricos

14.5. Conclusiones

14.6. Referencias

15. Impactos y Adaptación en Sector Agrícola y Forestal

15.1. Introducción

15.2. Principales efectos del cambio climático sobre cultivos agrícolas

15.3. Estimación de Impactos en el sector agropecuario

15.4. Impactos del cambio climático en los bosques

15.5. Evaluación de Impactos

15.6. Estrategias de Adaptación

15.7. Conclusiones

15.8. Referencias

16. Impactos y Adaptación en Ecosistemas y Biodiversidad

16.1. Introducción

16.2. Capital natural y servicios ecosistémicos

16.3. El cambio climático y sus impactos sobre la biodiversidad

16.4. Cambio climático y biodiversidad genética

16.5. Impacto sobre la distribución y abundancia de las especies

16.6. Modelación del impacto del cambio climático sobre la biodiversidad

16.7. Efectos del cambio climático sobre especies y ecosistemas en Chile

16.8. Adaptación al cambio climático y biodiversidad

16.9. Conclusiones

16.10. Lecturas complementarias

16.11. Referencias

17. Impactos y Adaptación en Salud

17.1. Introducción

17.2. Efectos del cambio climático en la salud de la población

17.3. Impactos en la salud a nivel nacional y regional

17.4. Plan Nacional de Adaptación para el sector Salud

17.5. Conclusiones

17.6. Lecturas complementarias

17.7. Referencias

18. Impactos y Adaptación en Infraestructura

18.1. Introducción

18.2. La Infraestructura y el clima

18.3. Adaptación al cambio climático e infraestructura

18.4. Metodología para la planificación de la infraestructura considerando cambio climático

18.5. Plan de adaptación y mitigación de los servicios de infraestructura

18.6. Riesgo y metodología para el diseño hidrológico

18.7. Conclusiones

18.8. Lecturas complementarias

18.9. Referencias

19. Impactos y Adaptación en Ciudades

19.1. Introducción

19.2. Vulnerabilidad y crecimiento urbano

19.3. Impactos del clima en la ciudad y de la ciudad sobre el clima

19.4. Adaptación urbana

19.5. Conclusiones

19.6. Referencias

20. Impactos y Adaptación en Océanos y Zonas Costeras

20.1. Introducción

20.2. Importancia de las zonas costeras

20.3. Tendencias y proyecciones de variables ambientales

20.4. Impactos en zonas costeras

20.5. Adaptación

20.6. Conclusiones

20.7. Lecturas complementarias

20.8. Referencias

PARTE IV. CIERRE

21. Cambios Climáticos y los seres humanos: ayer, hoy, mañana

21.1. Introducción

21.2. Nosotros Ayer: Primeras conexiones entre actividades humanas y el clima

21.3. Nosotros Hoy: Conexiones entre actividades humanas y el clima

21.4. El cambio climático: Una tormenta perfecta

21.5. El cambio climático: Una tragedia de los Comunes

21.6. ¿Qué hago yo -personalmente y colectivamente- frente al cambio climático y cuál es mi conducta?

21.7. Referencias

Prólogo

El clima de nuestro planeta ha cambiado repetidas veces a lo largo de su historia de más de 4.500 millones de años. En una primera etapa estos cambios estuvieron influenciados por fenómenos físicos mayores, por ejemplo, los asociados a la formación de la Luna, lo que generó cambios en la órbita y velocidad de rotación de la Tierra, o cambios en la distancia entre la Tierra y el Sol, entre otros. Una vez que la vida emerge en nuestro planeta, hace unos 4.000 millones de años, se agrega una nueva fuente de cambios a consecuencia de procesos biogeoquímicos. Esto se traduce en cambios en la composición química de la atmósfera y en la modificación de los ciclos de la materia, como el ciclo del Carbono, el Nitrógeno y el Fósforo.

En el Mioceno, hace poco más de 6 millones de años, ocurrió un nuevo cambio con profundas consecuencias sobre el clima de la Tierra, aunque no se sentirá de forma inmediata. Este evento tiene lugar como parte de la evolución de la biósfera del planeta: en el centro norte de África emerge un grupo de organismos denominados homínidos, los que, a su vez, hace unos 2,3 millones de años, dieron origen al género Homo y posteriormente, hace unos 200-250 mil años, a Homo sapiens. Toda esta historia africana cambia cuando nuestra especie coloniza Eurasia hace unos 100 mil años y posteriormente se desplaza hacia América, hace unos 20 mil años y entra a nuestro continente, y a nuestro país, hace unos 14.000 años. Uno de los primeros efectos de la presencia humana sobre la biósfera fue su impacto sobre otras especies y notablemente sobre otros mamíferos silvestres que formaban parte importante de su dieta, lo cual, en asociación con cambios climáticos, llevó a que hacia el final del Pleistoceno (unos 11.000 años atrás) una proporción importante de la megafauna (mamíferos de más de 44 kg) desaparecieran en varios continentes, incluido el nuestro.

La evolución de nuestra especie se caracteriza por la continua generación, y modificación progresiva, de una gran diversidad de innovaciones sociales, científicas y tecnológicas que nos ha permitido colonizar casi todos los ambientes presentes en nuestro planeta, desde las zonas polares a los desiertos, abarcando zonas de montañas y trópicos; domesticar plantas y animales para su uso directo en alimentación e indirecto en la obtención de medicinas; descubrir nuevas fuentes de energía, como los combustibles fósiles y la energía nuclear, que han hecho posible generar grandes asentamientos humanos que pueden llegar a tener más de 24 millones de personas, como es el caso de Shanghai, en China. En efecto, a marzo de 2019, la población humana alcanza ya los 7.700 millones de personas. Todas estas innovaciones, que actualmente sustentan nuestro estilo de vida y sistemas socioeconómicos, han producido impactos de tal magnitud que nos hemos convertido en una potente fuerza de cambio, tanto así que es posible distinguir una nueva era geológica, el Antropoceno, y como consecuencia una modificación fundamental del sistema terrestre que representa un gran desafío a nuestros modos de vida: el cambio en el clima producto de la actividad humana.

Dado que nuestro modo de vida actual atenta contra nuestro modo de vida futuro, se hace evidente que ha llegado el tiempo de cambiar. Pero para cambiar es necesario conocer y entender cuál es el problema y cuáles son las alternativas que tenemos. En este libro, nos focalizamos en caracterizar partes de los problemas asociados al cambio global generado por la actividad humana, a través del estudio de uno de sus componentes o motores de cambio, el cambio climático; para desde allí mostrar cómo este interactúa con otros cambios, como la pérdida, fragmentación y degradación de hábitats; la pérdida de biodiversidad, el sistema económico, la acidificación del océano, la salud humana, la provisión de energía para nuestras actividades, la provisión de agua para la agricultura, entre otros.

El libro, aunque enfocado inicialmente en su uso por estudiantes universitarios, contiene información e ilustraciones de fácil acceso y comprensión para público general y su objetivo último es contribuir a un mejor conocimiento sobre las bases, consecuencias, mitigación y adaptación al cambio climático, con énfasis en Chile.

Este libro surge como maduración de la experiencia de un grupo de profesores de diversas disciplinas que colaboran enseñando un curso sobre cambio climático, que ha sido dictado desde el año 2010 en la Pontificia Universidad Católica de Chile. En este curso participa gran parte de los autores del libro, la mayoría de los cuales son a su vez parte del Centro Interdisciplinario de Cambio Global UC, iniciativa interdisciplinaria que cumple diez años y que reúne profesores de las facultades de Ingeniería, Agronomía e Ingeniería Forestal, Ciencias Económicas y Administrativas, Historia, Geografía y Ciencia Política y de Ciencias Biológicas. Al igual que el curso, este libro representa un esfuerzo multidisciplinario que analiza en la primera sección las bases científicas del cambio climático, destacándose los roles de la atmósfera, el balance de energía y el ciclo de los gases de efecto invernadero (GEI) en el sistema terrestre e incluye análisis de modelaciones climáticas. La segunda sección se relaciona con la mitigación de las emisiones de GEI en sectores como electricidad, transporte, manejo de residuos sólidos, agricultura, bosques, cambios en el uso del suelo y la economía de la mitigación. Además, se analizan los escenarios futuros y las políticas internacionales de mitigación en cambio climático. La tercera sección está dedicada a analizar y discutir problemas de vulnerabilidad, impactos y adaptaciones al cambio climático, enfocándose principalmente en recursos hídricos, agrícolas, forestales, biodiversidad, salud, infraestructura, ciudades y en el océano y zonas costeras. El capítulo de cierre se enfoca en los cambios climáticos pasados y presentes en relación con los roles y responsabilidades de los seres humanos. Se ha puesto especial énfasis en presentar la realidad de Chile, mostrando cifras actuales que indican su participación en el problema global del cambio climático, así como también identificando sus principales brechas y desafíos en mitigación y adaptación.

El cambio climático es, sin duda, una de las mayores amenazas que enfrenta la sociedad moderna y es un mayúsculo desafío social, científico, técnico, político, ético y filosófico. Es una oportunidad para pensar el fenómeno humano, de constatar que somos parte de los ciclos naturales y que los cambios que generamos en ellos nos están ya afectando y que podrían afectar muy severamente los soportes de lo vivo en el planeta. Es tiempo de reflexionar sobre las dificultades y desafíos que tiene la sociedad actual, para entender cabalmente el fenómeno del cambio climático y más aún, sobre la necesidad de tomar conciencia de que la suma de las acciones individuales y colectivas, en un mundo híper consumista, podrían tener consecuencias nefastas para la vida tal como la conocemos.

A través del tiempo hemos podido constatar que este es un problema de múltiples dimensiones que exige una mirada holística para abordarlo correctamente. Este libro, y el curso que lo ha inspirado, da muestra de esta realidad al convocar a veinticuatro autores de distintas disciplinas, quienes han participado del curso en sus numerosas versiones. También hemos tenido el privilegio de contar con muchos otros colaboradores que han aportado a las clases a través de su conocimiento y experiencia, enriqueciendo los contenidos que presentamos y la discusión que sostenemos con los estudiantes. Queremos en estas líneas agradecer especialmente a Andrés Alonso, Jonathan Barton, María Paz Cruz, Guillermo Donoso, Annie Duffey, Arturo Errázuriz, Rodrigo Escobar, Fernando Farías, Claudia Ferreiro, Laura Gallardo, René Garreaud, Sergio González, Wolfram Jahn, Fabrice Lambert, Claudio Latorre, Óscar Melo, Marcelo Mena, Pilar Moraga, Christian Patrickson, Juan de Dios Rivera, Maisa Rojas, Roberto Rondanelli, Andrea Rudnick, Hugh Rudnick, Claudio Seebach, Marcelo Tokman, Juan Eduardo Vásquez, Sergio Vera y Julio Vergara.

Somos parte de la naturaleza y, como cualquier otra especie, nuestro destino está unido al destino de nuestro planeta. Esperamos que este libro contribuya al propósito de comunicar el desafío global que el cambio climático significa para Chile y en especial cómo podemos mitigar sus efectos y adaptarnos a aquello que no podemos mitigar. Eso implica conocer cuáles son los probables escenarios futuros e impactos del cambio climático sobre nuestra economía, la infraestructura, nuestra seguridad alimentaria, el acceso a recursos fundamentales como el agua, los recursos marinos, las contribuciones que los ecosistemas nos proveen y que permiten que podamos seguir prosperando como sociedad. ¡Bienvenidos al desafío del cambio climático!

Autores

1. Eduardo Arellano. Departamento de Ecosistemas y Medio Ambiente, Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC). Center of Applied Ecology and Sustainability (CAPES).

2. Nicolás Bambach. Department of Land, Air and Water Resources, University of California, Davis, Estados Unidos. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC).

3. Camila Cabrera. GreenLabUC, DICTUC S.A. Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile.

4. Juan Carlos Castilla. Departamento de Ecología, Facultad de Ciencias Biológicas, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC).

5. Luis Cifuentes. Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC).

6. Manuel Contreras-López. Facultad de Ingeniería y Centro de Estudios Avanzados, Universidad de Playa Ancha, Valparaíso, Chile.

7. Horacio Gilabert. Departamento de Ecosistemas y Medio ambiente, Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC).

8. Jorge Gironás. Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC). Centro de Desarrollo Urbano Sustentable (CEDEUS). Centro de Investigación para la Gestión Integrada del Riesgo de Desastres (CIGIDEN).

9. Cristián Henríquez. Instituto de Geografía, Facultad de Historia, Geografía y Ciencia Política, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC). Centro de Desarrollo Urbano Sustentable (CEDEUS).

10. Pablo A. Marquet. Departamento de Ecología, Facultad de Ciencias Biológicas, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC). Instituto de Ecología y Biodiversidad (IEB). Laboratorio Internacional de Cambio Climático (LINCGlobal).

11. Francisco Meza. Departamento de Ecosistemas y Medio Ambiente, Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC). AQUASEC Centro de Excelencia en Seguridad Hídrica del Inter American Institute for Global Change.

12. Juan-Pablo Montero. Instituto de Economía, Facultad de Ciencias Económicas y Administrativas, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC). Instituto de Sistemas Complejos de Ingeniería (ISCI).

13. David Morales-Moraga. Departamento de Ecosistemas y Medio Ambiente, Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC).

14. Valentina Opazo Piña. Instituto de Ciencia Política, Facultad de Historia, Geografía y Ciencia Política, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile.

15. Andrés Pica-Téllez. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC), Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile.

16. Patricio Pliscoff. Instituto de Geografía, Facultad de Historia, Geografía y Ciencia Política. Departamento de Ecología, Facultad de Ciencias Biológicas, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC).

17. Daniela Quiroga. Centro de Energía UC, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile.

18. Francisca Reyes-Mendi. Instituto de Ciencia Política, Facultad de Historia, Geografía y Ciencia Política, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC). Center for Applied Ecology and Sustainability (CAPES). Millenium Nucleus Center for the Socioeconomic Impact of Environmental Policies (CESIEP).

19. Enzo Sauma. Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC). Centro de Energía UC.

20. José Miguel Valdés. GreenLabUC, DICTUC S.A. Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile.

21. Juliana Vianna. Departamento de Ecosistemas y Medio Ambiente, Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC).

22. Sebastián Vicuña. Departamento de Ingeniería Hidráulica, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC). Centro de Investigación para la Gestión Integrada del Riesgo de Desastres (CIGIDEN).

23. Patricio Winckler. Escuela de Ingeniería Civil Oceánica, Universidad de Valparaíso, Valparaíso, Chile. Centro de Observación Marino para Estudios de Riesgos del Ambiente Costero (COSTAR). Centro de Investigación para la Gestión Integrada del Riesgo de Desastres (CIGIDEN).

24. Gonzalo Yáñez. Centro Interdisciplinario de Cambio Global (CCG-UC), Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile.

I

Bases científicas

1. Atmósfera, Balance de Energía y Efecto Invernadero

Francisco Meza¹

Cambio Climático en Chile: Ciencia, Mitigación y Adaptación. Castilla, J. C., Meza, F., Vicuña, S., Marquet, P. A., Montero, J.-P. (eds.). Ediciones UC. Santiago, Chile, 2019, p. 480.

1.1 Introducción

Comparada con la esfera terrestre (cuyo radio es de 6.400 km), la atmósfera no es más que una delgada película de gases que envuelve a nuestro planeta. Sin embargo, su dimensión es suficiente para permitir que se desarrollen condiciones ambientales apropiadas para la vida. En efecto, esta capa de unos 100 km de espesor nos brinda el aire que respiramos, el carbono que es fijado por la vía de la fotosíntesis (ver Capítulo 2), el nitrógeno que constituye los aminoácidos y ácidos nucléicos, entre otros recursos básicos. Asimismo, en su interior tienen lugar procesos muy relevantes para el ciclo hidrológico como la condensación y precipitación, se filtra gran parte de la radiación ultravioleta y se modifica el balance de energía, de forma tal que la temperatura de la superficie terrestre resulta ser muy superior a la que se observaría de no existir la atmósfera.

A pesar de que la composición de la atmósfera es variable de un lugar a otro y de que ha evolucionado en el tiempo (ver Recuadro 1.A), en la actualidad dos gases (nitrógeno y oxígeno) son responsables de más de un 99% de la concentración total de los gases de la atmósfera medidos en volumen y en condiciones secas (ver Capítulo 2 para entender la manera en que se miden concentraciones en la atmósfera). Si el vapor de agua y algunos contaminantes menores fuesen removidos de la atmósfera, la distribución de sus principales constituyentes en los primeros 80 kilómetros sería la que indica la Tabla 1.1. La composición química de la atmósfera es importante porque determina la forma en que reacciona con la energía radiante y cuál es el tipo de respuesta termodinámica frente a la adición de energía. El resto de los componentes de la atmósfera son llamados componentes variables, incluyendo entre ellos al vapor de agua, el ozono y los aerosoles (material sólido y líquido que se mantiene en suspensión debido a la circulación de la atmósfera).

RECUADRO 1.A: ATMÓSFERA EN CONSTANTE CAMBIO

La composición de la atmósfera ha cambiado a lo largo de la historia de nuestro planeta y continúa evolucionando.

La atmósfera primitiva se desarrolló hace más de 4.500 millones de años, al momento de la formación de la Tierra. Se estima que en ese entonces la Tierra estuvo constituida por helio, hidrógeno, metano, amonio y vapor de agua, de forma similar a lo que han mostrado planetas cercanos como Venus, Marte y Júpiter. Sin embargo, esa atmósfera primitiva fue transformada por la actividad solar.

Aproximadamente hace unos 4.000 millones de años puede distinguirse un periodo en que se comienza a estructurar la atmósfera secundaria, producto de una fase de intensa actividad volcánica, que dio origen a la aparición de nitrógeno, metano, dióxido de azufre, monóxido y dióxido de carbono y vapor de agua.

A partir de ella emergió, hace más de 3.500 millones de años la atmósfera terciaria, como producto de la aparición de las primeras formas de vida. En un primer momento los organismos fueron anaeróbicos, de modo que no precisaban de oxígeno como aceptor de electrones. El subproducto de su metabolismo correspondía al metano.

Aproximadamente hace 3.000 millones de años emergieron los primeros organismos capaces de realizar fotosíntesis, las algas verde azules, que tuvieron una rápida proliferación. Asociado a ellos la atmósfera terrestre experimentó cambios muy sustanciales, toda vez que el oxígeno fue liberado como subproducto de la fotosíntesis.

El enriquecimiento relativo de oxígeno en la atmósfera terrestre y su capacidad de interactuar con radiación ultravioleta (inferior a 0,4 micrones) permitió la formación de capas estratificadas de ozono, una molécula triatómica de oxígeno que es altamente inestable y que tiene la propiedad de filtrar la radiación ultravioleta, reforzando aún más la acción del oxígeno molecular y permitiendo así que el planeta presentara condiciones más apropiadas para el desarrollo de la vida como la conocemos.

El vapor de agua es un componente atmosférico de gran importancia que presenta una gran variabilidad espacial y temporal. Su concentración puede fluctuar desde solo una pequeña fracción de la mezcla de gases en las zonas desérticas del planeta, hasta valores cercanos al 4% del volumen de la atmósfera, como se observa en lugares tropicales con grandes tasas de evapotranspiración.

El vapor de agua no es solo relevante por su participación en el ciclo hidrológico, sino que además por el rol que le cabe en el balance radiativo y energético del planeta. Se sabe que el vapor de agua es capaz de absorber energía radiante de onda larga² y ser responsable de un 60% del efecto invernadero natural de la Tierra. Además, los cambios de fase que experimenta el agua tienen aparejados consumos (o entregas) muy significativos de energía, de forma tal que los procesos de evaporación y condensación son muy efectivos a la hora de redistribuir el calor entre las capas de la atmósfera y entre las distintas regiones del planeta.

Tabla 1.1: Principales gases presentes en la atmósfera en partes por millón (ppm)

Fuente: Biasing, 2016. El valor de dióxido de carbono corresponde al promedio observado en el año 2015. En marzo del 2019 su concentración se ha estimado en 412 partes por millón (ppm) según National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

1.2 Atmósfera: Estructura vertical

El estado termodinámico de la atmósfera, como el de cualquier gas, puede ser descrito en función de las siguientes variables, denominadas variables de estado:

■ Masa: Cantidad de materia. En el sistema internacional se expresa en kilógramos (kg) o en número de moles (mol).

■ Volumen: Espacio tridimensional que ocupa un gas. En el sistema internacional el volumen se expresa en metros cúbicos (m³).

■ Presión: Fuerza (peso) por unidad de área de una columna de aire. En el sistema internacional se expresa en pascales (Pa).

■ Temperatura: A nivel microscópico, corresponde a una medida de la energía cinética que tienen las moléculas, mientras que a nivel macroscópico la temperatura es una magnitud que indica la energía interna de un sistema. En el sistema internacional se mide en Kelvin (K).

Si la cantidad de materia de un gas o la mezcla de gases no cambia, la relación que existe entre las variables de estado de un gas es conocida como Ley de los gases ideales (Ecuación 1.1). A través de ella es posible encontrar una única relación entre la Presión (P[Pa]), la densidad del gas (p [kgm ³]) y su temperatura (T[K]), y la constante del gas (R[Jkg^-1K^-1]) que, en el caso particular del aire seco adquiere un valor de 287 Jkg^-1K^-1.

P = ρRT (Ecuación 1.1)

El conocimiento sobre la física de la atmósfera y su composición, sumado a las mediciones que se han logrado en campañas de observación en altura nos han permitido entender sus propiedades básicas y elaborar un esquema sobre su estructura vertical. A pesar de que su real extensión no puede ser determinada con exactitud, se estima que aproximadamente un 50% de la masa de gases que conforman la atmósfera se encuentra en los primeros 6 kilómetros de altura, un 90% en los primeros 16 y que más de un 99% se encuentra por debajo de 40 kilómetros. En función de esta distribución vertical de la masa de gases, y puesto que la presión atmosférica corresponde al peso de la columna de aire que se encuentra verticalmente por sobre una cierta superficie, se sabe que la presión atmosférica disminuye exponencialmente con la altura.

Una situación análoga experimenta la densidad del aire. Conforme asciende, en altura, el aire experimenta presiones que son cada vez menores y, por lo tanto, tiende a expandirse, disminuyendo su densidad. Lo contrario ocurre cuando el aire desciende y se aproxima a la superficie terrestre, ya que al ingresar a esta zona se ve enfrentado a presiones crecientes haciendo que este se comprima.

Una situación distinta se observa al considerar la variación de la temperatura con la altura. A primera vista resulta lógico pensar que la temperatura del aire debiese experimentar un descenso al ascender verticalmente. Si se considera que la principal fuente de calor en la atmósfera proviene de la emisión de energía de la superficie terrestre, conforme nos alejamos de la superficie la temperatura debiese disminuir. Esto es cierto en la primera capa de la atmósfera (conocida como Tropósfera), llegándose a estimar que, en condiciones normales, la tasa de variación de la temperatura con la altura (tasa de lapso normal de la atmósfera) se ubica en promedio en torno a los 6,5 K km^-1. En esta zona ocurre gran parte de los fenómenos meteorológicos (formación de nubes, precipitación, circulación global) debido a la relativamente intensa mezcla vertical que se produce por transformaciones de la energía interceptada desde el Sol.

Sin embargo, en torno a los 8 a 12 km (hasta 16 en algunas zonas de mayor temperatura) puede verse una interrupción de esta tendencia (zona denominada como Tropopausa) e incluso un cambio radical por sobre los 20 kilómetros, observándose un ascenso de la temperatura con la altura. A esta región se le denomina Estratósfera. El máximo valor de temperatura se alcanza en torno a los 50 kilómetros de altura, en la zona donde se ubica el máximo de concentración de ozono. Sabemos que el ozono es una molécula que absorbe radiación ultravioleta (que es a su vez altamente energética), y que al hacerlo se ioniza generando oxígeno molecular (O₂) y un ion de oxígeno. Este último tiene la posibilidad de volver a formar una molécula de ozono al asociarse con oxígeno molecular. En este proceso se libera la energía absorbida en forma de calor, entregando una cantidad de energía al aire en esa capa que produce un incremento de su temperatura.

La cuarta capa que se distingue en la atmósfera corresponde a la Mesósfera, la cual es precedida por una zona de transición en que la temperatura no varía y que es conocida como Estratopausa. En esta capa la temperatura vuelve a disminuir con la altura llegando a -90 °C por sobre los 80 km de altitud.

Finalmente, la última capa de la atmósfera, denominada Termósfera, corresponde a una pequeña proporción de la masa atmosférica que se extiende por sobre los 90 km y en la cual se estima que la temperatura vuelve a incrementarse con la altura debido a la intensa absorción de radiación de onda corta que realizan los átomos de nitrógeno e hidrógeno. La Figura 1.1 muestra esquemáticamente la distribución de la temperatura en altura identificando las capas más importantes de la atmósfera.

Figura 1.1: Estructura vertical de la atmósfera (Fuente: Adaptado de Lutgens y Tarbuck, 1998).

1.3 Radiación solar, balance de radiación y balance de energía

El Sol, situado a más de 150 millones de kilómetros de la Tierra, representa la fuente principal de energía para todos los planetas que lo orbitan. La energía que emite el Sol viaja como onda en el espacio y llega a la superficie terrestre. La denominada constante solar, que corresponde al valor que recibiría una superficie en la Tierra sin atmósfera y orientada perpendicularmente a los rayos del Sol, equivale a aproximadamente 1.370 Wm^-2. Sin embargo, no todos los puntos del planeta reciben la misma cantidad, ya sea por su ubicación geográfica o por la época del año y la inclinación del ángulo terrestre. Ciertas regiones reciben a nivel diario y anual más energía que otras a un punto que, de no existir mecanismos de redistribución de la energía, la diferencia entre las regiones con superávit de energía y las de déficit sería muchísimo mayor que la que observamos. Desde una perspectiva termodinámica, la homeostasis planetaria³ depende fundamentalmente del movimiento de masas de aire y de agua, así como también de los flujos de energía que se establecen gracias a los cambios de fase que experimenta el agua.

Tres leyes fundamentales nos ayudan a entender los procesos de emisión de energía radiante desde los cuerpos. La primera de ellas corresponde a la Ley de Planck. Esta ley nos indica que la energía electromagnética absorbida o emitida por un cuerpo se logra por la vía del intercambio de cuantos de energía electromagnética (Ecuación 1.2).

En esta expresión:

■ λ corresponde a la longitud de onda [m]

■ h es la constante de Planck (6,626029 · 10^-34 J s)

■ c corresponde a la velocidad de la luz (299.792.458 ms^-1)

■ T corresponde a la temperatura del cuerpo en Kelvin (K)

■ k corresponde a la constante de Boltzmann (1,38065 · 10^-23 JK^-1).

A partir de la Ley de Planck es posible comprender que todos los cuerpos con temperatura superior al cero absoluto (0 K) son capaces de emitir energía electromagnética en cuantos, cuya distribución está determinada por su temperatura (Figura 1.2). Así, los cuerpos que tienen mayor temperatura no solo emiten una mayor cantidad de energía, sino que tienden a emitir energía electromagnética en longitudes de onda menores. Si bien la Ley de Planck es única en su forma matemática, permite describir la emisión de radiación electromagnética de cuerpos con distintas temperaturas internas. Esta ley se aplica para los cuerpos negros⁴ y nos permite alcanzar dos conclusiones fundamentales, que son precisamente los principales aportes de las leyes complementarias.

La primera conclusión que se puede extraer de la Ley de Planck (ley complementaria) es que los cuerpos emiten una cantidad total de radiación que es directamente proporcional a su temperatura elevada a la cuarta potencia (Ley de Stefan-Boltzmann) (Ecuación 1.3).

Q = σT⁴ (Ecuación 1.3)

Figura 1.2: Distribución de la energía emitida por cuerpos de distinta temperatura según la Ley de Planck (Fuente: Elaboración propia).

Donde:

■ Q corresponde a la densidad de flujo de energía emitida (Wm^-2)

■ σ corresponde a la constante de Stefan-Boltzmann (5,67 · 10^-8 Wm^-2 K^-4)

De esta ley podemos concluir que la cantidad total de energía emitida varía sustancialmente con las fluctuaciones de temperatura. Por ejemplo, los cuerpos que alcanzan un equilibrio radiativo experimentan aumentos de temperatura cuando la absorción de energía supera a la pérdida (emisión) de ella y viceversa (volveremos a esta idea más adelante cuando analicemos el fenómeno del efecto invernadero).

La segunda conclusión es que si bien los cuerpos pueden emitir energía en todas las longitudes de onda (al menos eso es cierto en forma teórica, aunque a ciertas temperaturas hay longitudes de onda para las cuales la emisión de energía es despreciable) existen ciertas longitudes de onda a las cuales se puede emitir la mayor cantidad de energía radiante. Esta ley se conoce como Ley de desplazamiento de Wien (Ecuación 1.4) e indica que la longitud de onda de máxima emisión de energía (banda preferente) es inversamente proporcional a la temperatura.

En esta expresión la longitud de onda preferente (λ_max) está en micrones (μm) y la temperatura en K. En términos generales, se entiende que la radiación que emite el Sol se ubica en longitudes de onda que son muy distintas a las que puede emitir un cuerpo terrestre (cuya temperatura se ubica en un rango de -50 a +50 °C). Mientras el sol emite en términos preferentes en los 0,5 μm, los cuerpos terrestres tienden a emitir en longitudes de onda del orden de 8 a 12 μm. Es tal la diferencia que hay, en términos de longitudes de onda, que se denomina como radiación de onda corta a la radiación que emite el Sol (fundamentalmente entre 0 y 3 μm), mientras que se denomina como radiación de onda larga a la radiación termal o terrestre (ubicada por sobre los 3 μm).

1.4 Efecto Invernadero

Hemos discutido con anterioridad sobre la capacidad que tiene todo cuerpo de emitir energía electromagnética en función de su temperatura, pero detengámonos un momento a pensar cuales son las propiedades de los cuerpos frente a la radiación incidente.

Figura 1.3: Ejemplo de cambios rotacionales y vibracionales, respectivamente, producidos por la absorción de energía electromagnética Infrarroja (IR) para el caso del CO₂ (Fuente: Elaboración propia).

Todo objeto puede interactuar de tres formas frente a la radiación. Por una parte, puede absorber la energía radiante, lo que implica que su interacción genera transformaciones en las moléculas que van desde cambios en su vibración, rotación o traslación (Figura 1.3), hasta cambios mayores como la disociación de moléculas. Una segunda forma de interacción corresponde a la reflexión, que implica que la energía es reflejada por el objeto con o sin cambios direccionales. Finalmente, la tercera forma corresponde a la transmisión de radiación, que implica que la energía pasa a través del cuerpo sin sufrir modificaciones. Esta respuesta diferencial se establece para cada longitud de onda tal que la fracción de la energía que se absorbe, se refleja y se transmite, debe totalizar la unidad.

La atmósfera terrestre muestra un comportamiento muy interesante a este respecto. La Figura 1.4 muestra el porcentaje de radiación absorbido por la atmósfera para cada longitud de onda. Aquí es posible distinguir la radiación emitida por el Sol (absorbida por la atmósfera) y la que es emitida por la superficie terrestre (que es enviada al espacio y que en su trayecto también debe atravesar la atmósfera). La atmósfera es prácticamente trasparente a la energía emitida por el Sol, a excepción de aquella que es emitida en longitudes de onda del espectro ultravioleta y para las cuales tanto el oxígeno como el ozono presentan un máximo de absorción. De hecho, en el espectro visible prácticamente toda la energía es recibida en la superficie de la Tierra, una condición que cambia sustancialmente si es que la atmósfera presenta nubes, ya que la absorción de la energía solar por parte de las gotas de agua y cristales de hielo es bastante alta y por lo tanto la cantidad de energía que se recibe en superficie varía en función del tipo de nube y del grado de cobertura nubosa.

Figura 1.4: Comportamiento de la atmósfera terrestre frente a la radiación electromagnética (Fuente: Adaptado de Wikipedia Commons).

Figura 1.5: Efecto invernadero (Fuente: Adaptado de IPCC, 2007).

Por otra parte, la radiación que es emitida por la superficie de la Tierra es absorbida parcialmente (en las longitudes de onda del rango de 8 a 12 μm), fundamentalmente debido a la presencia de gases tales como vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO₂), metano (CH4) y óxido nitroso (N₂O), los llamados Gases de Efecto Invernadero (GEI).

La energía absorbida por la atmósfera es luego re-irradiada hacia la superficie de la Tierra siguiendo la Ley de Stefan-Boltzmann y en función de la temperatura de la atmósfera (Figura 1.5). Es por ello que la superficie de la Tierra recibe una cierta cantidad de energía desde el Sol y una cierta cantidad de energía desde la atmósfera, frente a lo cual y para alcanzar un equilibrio radiativo su temperatura debe sufrir modificaciones, experimentando un incremento. De hecho, se conoce que la temperatura del planeta es 34 K más alta de la que le correspondería si es que no hubiese atmósfera (bajo una condición de equilibrio radiativo la temperatura media del planeta debiese ser de -18 °C si no existiese atmósfera). A este fenómeno se le denomina "efecto invernadero natural" y es parte de las condiciones normales de funcionamiento del planeta (ver Recuadro 1.B sobre efecto invernadero de Venus, Tierra y Marte; ver Capítulo 21).

RECUADRO 1.B: COMPARACIÓN DE ATMÓSFERAS PLANETARIAS

Venus, Tierra y Marte son planetas que se ubican a una distancia relativamente similar del Sol. Sin embargo, las diferencias de temperatura superficial entre los tres planetas son bastante superiores a las que uno esperaría observar en función de su distancia relativa al Sol. Mientras que actualmente la Tierra mantiene una temperatura promedio de aproximadamente 15 °C, Marte mantiene una temperatura de -50 °C y Venus un impresionante valor de 470 °C. ¿Cómo se explican estas diferencias?

Marte mantiene una atmósfera de baja concentración de dióxido de carbono (la mayoría del carbono se encuentra en la superficie y corteza del planeta como depósitos minerales).

Venus es muy similar a la Tierra en términos de tamaño (95% del volumen que ocupa la Tierra) y masa (82% de la masa terrestre). Sin embargo, Venus posee una atmósfera muy densa y rica en dióxido de carbono (CO₂). Mientras nuestro planeta presenta valores relativamente modestos de 400 ppm (pero incrementándose), la atmósfera venusina muestra concentraciones cercanas al 95 % del volumen de su atmósfera (2.375 veces la concentración terrestre de este gas). Esto implica que el efecto invernadero de Venus es muy importante y eleva las temperaturas en forma notable.

El caso de Venus es aún más interesante porque ejemplifica claramente a lo que se puede llegar en términos de mecanismos de retroalimentación positiva. Por presentar una temperatura superior, la mayor parte del agua de Venus se encuentra en forma de vapor (casi no es posible la condensación), de modo que el efecto invernadero no solo responde al dióxido de carbono presente en la atmósfera, sino que también al efecto que añade el vapor de agua.

No obstante, la capacidad de absorción de radiación se ve modificada en función de la concentración de GEI, incrementándose la capacidad de absorción y, por ende, de emisión de radiación hacia la superficie; toda vez que la concentración de gases aumenta generando incrementos de la temperatura en la superficie terrestre. Además, el planeta tiene mecanismos de retroalimentación positivos que implican que frente a un aumento de GEI, los cambios de temperatura impliquen una intensificación del ciclo hidrológico y una mayor tasa de evaporación, lo cual añade una mayor concentración de estos gases (en este caso el vapor de agua), generando una nueva temperatura de equilibrio. Ese es precisamente el tipo de problema ambiental que enfrentamos hoy: la alteración antrópica de la concentración de GEI asociado a las actividades humanas y, el consiguiente calentamiento global. Una modificación que trae consecuencias muy severas para el funcionamiento del planeta y que puede comprometer la supervivencia de las especies y del ser humano.

Una métrica para la medición del efecto que tienen los GEI (así como otro tipo de agentes que tienen la capacidad de modificar el clima) corresponde al forzamiento radiativo (RF, por sus siglas en inglés). Este se define como el cambio en la radiación (calor) entrante o saliente del sistema climático a consecuencia de la presencia de GEI. Por convención, en los informes del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés)⁵, este cambio se calcula respecto a la situación existente antes de la Revolución Industrial. Mayores antecedentes respecto al forzamiento radiativo se pueden encontrar en el Anexo 1.8.

1.5 Conclusiones

La atmósfera terrestre corresponde a la mezcla de gases que rodean la Tierra, cuya presencia y concentración relativa nos permite explicar su comportamiento en términos del balance de energía y la generación del efecto invernadero al permitir que una fracción de la radiación termal o terrestre sea absorbida y reenviada a la superficie.

A pesar de que la composición química de la atmósfera terrestre ha variado a lo largo de la historia del planeta, la velocidad con la que el ser humano está modificando la concentración de GEI es altamente preocupante, ya que podría generar un desequilibrio importante en el balance de energía favoreciendo un cambio climático, cuyas características y consecuencias, así como las medidas de mitigación y estrategias de adaptación son objeto de discusión de los siguientes capítulos.

1.6 Lecturas complementarias

■ Evolución de la composición de la atmósfera
http://www.bbc.com/earth/story/20150701-the-origin-of-the-air-we-breathe

■ Testeando la Teoría de Gaia y el Mundo de Daisyworld
http://www.indiana.edu/~geol105b/1425chap9.htm

1.7 Referencias

■ Blasing, T. J. (2016). Recent Greenhouse Gas Concentrations. Estados Unidos. doi:10.3334/CDIAC/atg.032.

■ IPCC, 2007: Summary for Policymakers. En: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor and H. L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

■ IPCC, 2013: Myhre, G., Shindell, D., Breón, F. M., Collins, W., Flugestvedt, J., Juang, J., Koch, D., Lamarque, J. F., Lee, D., Mendoza, B., Nakajima, T., Robock, A., Stephens, G., Takemura, T., and Zhang, H. Anthropogenic and Natural Radiative Forcing. En: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

■ Lutgens, F:, y Tarbuck, E. (2013). The Atmosphere: An Introduction to Meteorology. 13th Edition. Pearson, 528p.

1.8 Anexo: Forzamiento radiativo