Un nuevo estudio explica cómo el dióxido de carbono enfría la atmósfera superior y calienta la parte inferior de ella

Este patrón paradójico es una señal bien conocida del impacto de la humanidad en el clima, pero hasta ahora, la física subyacente ha permanecido un misterio.

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Columbia describen la mecánica del fenómeno, explicando cómo está determinado en gran medida por la forma en que el dióxido de carbono (CO₂) interactúa con diferentes longitudes de onda de luz.

“Explica un fenómeno que es una huella dactilar del cambio climático, que se sabe que ocurre desde hace décadas y que no se había comprendido”, dice Robert Pincus, profesor de investigación de física oceánica y climática en el Observatorio Terrestre Lamont-Doherty, que forma parte de la Escuela Climática de Columbia, y coautor del estudio publicado en Nature Geoscience.

En la atmósfera inferior, las moléculas de CO₂ atrapan el calor que, de otro modo, escaparía al espacio. Sin embargo, a mayor altitud, la dinámica cambia. En la estratosfera —la capa atmosférica que se extiende desde aproximadamente 11 km hasta 50 km sobre la superficie terrestre— las moléculas de CO₂ funcionan casi como un radiador, absorbiendo la energía infrarroja de abajo y emitiendo parte de ella al espacio. Al aumentar la concentración de CO₂ , la estratosfera irradia calor con mayor eficiencia y se enfría.

Esto fue predicho en la década de 1960 por los modelos del clima terrestre y el calentamiento global inducido por el CO₂ del climatólogo Syukuro Manabe, galardonados con el Premio Nobel. La estratosfera se ha enfriado aproximadamente 2 grados Celsius desde mediados de la década de 1980. Se estima que esto representa más de 10 veces el enfriamiento que se habría producido en ausencia de las emisiones de CO₂ de origen humano.

Sin embargo, aunque se comprenden los principios básicos del enfriamiento estratosférico, los detalles siguen sin estar claros. «La teoría existente era increíblemente esclarecedora, pero por el momento carecemos de una teoría cuantitativa para el enfriamiento estratosférico inducido por el CO₂ », afirma Sean Cohen , investigador postdoctoral del Observatorio Terrestre Lamont-Doherty y autor principal del estudio.

Cohen, Pincus y Lorenzo Polvani, geofísico de Lamont y profesor del Departamento de Física Aplicada y Matemáticas Aplicadas de la Facultad de Ingeniería de Columbia, desarrollaron su teoría mediante un método iterativo que consistía en identificar los procesos clave involucrados en el enfriamiento estratosférico, asignarles valores matemáticos, comparar los resultados de sus modelos teóricos con simulaciones exhaustivas y datos reales, ajustar sus ecuaciones y repetir el proceso. A lo largo de varios meses, dedujeron las ecuaciones que mejor se ajustaban a sus datos.

Los investigadores llegaron a un factor clave: cómo interactúan las moléculas de CO₂ con la luz, y en particular con la luz infrarroja (también conocida como luz de onda larga). No todas las longitudes de onda infrarrojas las atraviesan de la misma manera. Algunas contribuyen al enfriamiento más que otras, y el equipo determinó que las longitudes de onda dentro de una determinada "zona óptima" son especialmente eficientes. A medida que el CO₂ se acumula en la atmósfera, esa zona se expande.

“Son esos cambios en la eficiencia los que, en última instancia, impulsarán el enfriamiento de la estratosfera”, afirma Cohen.

Los investigadores también cuantificaron el papel que desempeñan el ozono y el vapor de agua. Estos gases están implicados en procesos similares a los del CO₂ —también pueden atrapar el calor en la atmósfera inferior, pero contribuyen al enfriamiento de la estratosfera mediante la radiación de calor—, aunque resultan tener poca influencia en comparación con el CO₂ .

Las ecuaciones de los investigadores concuerdan con tres fenómenos bien descritos: cómo varía el enfriamiento estratosférico con la altitud, siendo menor en su nivel más bajo y mayor en el más alto; cómo cada duplicación del CO₂ se traduce en un enfriamiento de 8 grados Celsius en la estratopausa, o las capas superiores de la estratosfera; y cómo una estratosfera más fría permite que escape menos energía infrarroja al espacio, aumentando el efecto de retención de calor del CO₂ . En otras palabras: el CO₂ mejora la capacidad de la estratosfera para irradiar, lo que la enfría; pero, debido a que se enfría, el sistema terrestre termina perdiendo menos calor al espacio en general, intensificando el calentamiento en las capas inferiores.

“Este es un proceso que conocemos desde hace más de 50 años, y teníamos una comprensión cualitativa bastante buena de cómo funcionaba. Sin embargo, no entendíamos los detalles de lo que realmente impulsaba ese proceso mecánicamente”, dice Cohen.

Cohen y Pincus afirman que las implicaciones de este trabajo no radican tanto en aportar una prueba más al calentamiento global —una realidad que ya es evidente—, sino en comprender mejor los mecanismos implicados en el enfriamiento estratosférico. «Esto nos revela lo esencial», dice Pincus, y puede servir de base para futuras investigaciones sobre el proceso. Los hallazgos también podrían ser útiles para los científicos que estudian las condiciones fuera de la Tierra.

“Tal vez podamos comprender mejor lo que sucede en las estratosferas de otros planetas de nuestro sistema solar o exoplanetas”, dice Cohen.

Elementos clave del estudio

• Los investigadores explican por qué el aumento del dióxido de carbono enfría la estratosfera a la vez que calienta la superficie terrestre y la atmósfera inferior.
• El estudio muestra que este enfriamiento está controlado en gran medida por la interacción del CO₂ con diferentes longitudes de onda de la luz infrarroja.
• A medida que aumentan los niveles de CO₂ , se amplía el rango de longitudes de onda infrarrojas implicadas en el enfriamiento estratosférico.
• Los hallazgos ayudan a explicar cómo el enfriamiento estratosférico refuerza el efecto de retención de calor del CO₂ .

Fuente: Universidad de Columbia