1.  INTRODUCCIÓN

El tema del cambio climático global está en boga en la actualidad. El cambio ha sido reconocido y ahora está siendo monitoreado cuidadosamente (IPCC, 1996a). Se están dando los primeros pasos en los escenarios políticos y diplomáticos globales para hacer frente al cambio climático global (Naciones Unidas, 1994). El problema tiene implicaciones que afectan a casi todas las facetas de la actividad humana, desde la climatología y la hidrología, hasta la economía y la política.

A pesar de las claras señales de que un cambio climático global está sobre nosotros, el tema sigue siendo controversial. Muchas personas continúan escépticas de que exista un problema, o si existe, que una causa antropogénica esté en la raíz del mismo. El problema se puede ver mejor usando un enfoque sistémico. La atmósfera de la Tierra es un reservorio que contiene varios gases, algunos de los cuales afectan el clima global. Como cualquier otro depósito, la atmósfera está sujeta a entradas, salidas y almacenamiento. El examen de estas entradas y salidas, sus tasas y cantidades, y de los niveles históricos de almacenamiento puede conducir a una mejor comprensión del cambio climático global.

2.  CAUSAS DEL CAMBIO CLIMÁTICO

Los gases de efecto invernadero atmosféricos funcionan como el cristal de un invernadero, permitiendo que la energía solar llegue a la superficie de la Tierra, pero atrapando la energía térmica emitida por la Tierra. Por lo tanto, estos gases tienen una relación directa con la temperatura media global del aire cerca a la superficie. En los últimos dos siglos, los aumentos medidos en la concentración de gases de efecto invernadero han ido acompañados de aumentos en la temperatura media global del aire cerca a la superficie. Este último afecta el volumen de los casquetes polares, la densidad del agua oceánica y, en consecuencia, el nivel medio del mar (IPCC, 1996a). Datos recientes muestran que la temperatura superficial media global de 1995 fue 0.4 °C superior a la media de 1961-1990, y 0.04 ℃ por encima de 1990, que fue el año más cálido registrado (Halpert et al., 1996).

A la concentración actual de 420 partes por millón por volumen (ppmv) (2022), el dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero más importante. Otros gases de efecto invernadero como el metano, el óxido nitroso y los clorofluorocarbonos (CFC) están presentes en cantidades más pequeñas. Mientras que el metano y el óxido nitroso son producidos tanto por procesos naturales como artificiales, los CFC son totalmente antropogénicos. Como gas de efecto invernadero, el metano es 20.6 veces más efectivo que el dióxido de carbono; sin embargo, su concentración es de solo 1.72 ppmv, equivalente al 9.8 por ciento del dióxido de carbono. El óxido nitroso es 206 veces más efectivo que el dióxido de carbono, pero su concentración es de 0.312 ppmv, equivalente al 17.7 por ciento del dióxido de carbono. Los CFC son 12200 a 15600 más efectivos que el dióxido de carbono, pero su concentración es de sólo alrededor de 0.001 ppmv, equivalente al 3.83 por ciento del dióxido de carbono (IPCC, 1996a).

La eliminación global de los gases CFC está en progreso (IPCC, 1996a). Sin embargo, continúa la investigación para establecer las fuentes y sumideros de metano y óxido nitroso. En este documento consideramos sólo el dióxido de carbono, decididamente el gas de efecto invernadero más importante. Primero examinamos las entradas y salidas, y luego, los niveles históricos de concentración en la atmósfera inferior.

3.  ENTRADAS DE DIÓXIDO DE CARBONO A LA ATMÓSFERA

Los aportes de dióxido de carbono a la atmósfera son de largo plazo (geológicos) y de corto plazo (biológicos o antropogénicos) (Fig. 1). Los aportes geológicos pueden ser juveniles o reciclados, y pueden surgir de erupciones volcánicas o de la meteorización de rocas. Los primeros aportes geológicos ocurrieron a través de la desgasificación de la Tierra, a medida que se enfriaba en los primeros mil millones de años de su desarrollo (Henderson-Sellers, 1983). Las rocas ígneas son la fuente de insumos juveniles, mientras que las rocas sedimentarias producen insumos reciclados.

Las erupciones volcánicas, que vienen ocurriendo desde hace 2800 millones de años, aportan a la atmósfera grandes cantidades de materiales inorgánicos, entre ellos, dióxido de carbono, dióxido de azufre y vapor de agua (Cattermore, 1989). La meteorización de las rocas ha estado ocurriendo desde el momento de su formación. Este proceso es muy lento; en consecuencia, libera cantidades relativamente pequeñas de dióxido de carbono.

La combustión de materia inorgánica agrega dióxido de carbono, pero las cantidades son demasiado pequeñas para tener un significado práctico. Por otra parte, la combustión de materia orgánica constituye el principal aporte de dióxido de carbono a la atmósfera. De ahora en adelante, usaremos la palabra combustión para referirnos únicamente a la combustión orgánica.

La combustión puede ser natural o artificial. La combustión natural tiene lugar como combustión respiratoria, es decir; la respiración de los animales, o como combustión no respiratoria, es decir, la quema de vegetación, como el caso de los incendios forestales naturales. La combustión artificial, que es la que produce el ser humano en el ejercicio de su sustento, puede ser directa o indirecta. La combustión artificial directa es la quema real de materia orgánica para satisfacer necesidades energéticas básicas como cocina, iluminación, calefacción/aire acondicionado y transporte. La combustión artificial directa se logra mediante la combustión de biomasa o combustibles fósiles. Los combustibles de biomasa, como la leña, el carbón vegetal, el estiércol animal y la conversión de basura en energía, son reciclables, es decir, renovables a corto plazo. Los combustibles fósiles como el petróleo, el carbón y el gas natural no son reciclables, es decir, una vez usados, no se pueden reponer.

La combustión artificial indirecta ocurre cuando los seres humanos actúan para reducir los procesos biológicos o geológicos que eliminan el carbono de la atmósfera. Un ejemplo de combustión artificial indirecta es la tala de bosques o pastizales para utilizar el terreno para la cría de animales, agricultura y otras actividades económicas.

La tala de bosques puede involucrar sólo combustión indirecta (por ejemplo, tala), o combustión tanto directa como indirecta (por ejemplo, extracción de leña).

La combustión artificial indirecta puede ser temporal o permanente. La combustión artificial indirecta temporal reduce la eficacia del sumidero de carbono durante un período relativamente corto (de años a décadas). La reducción de la eficacia del sumidero de carbono disminuye la productividad biológica neta de un ecosistema.

La productividad biológica neta es la diferencia entre la suma de las productividades brutas y la suma de las respiraciones, teniendo en cuenta toda la cadena alimentaria. Esta definición se aplica a la biosfera como un todo; las transferencias entre ecosistemas vecinos han de tenerse en cuenta en los presupuestos regionales de energía o masa bioquímica.

Un ejemplo de combustión artificial indirecta temporal es la agricultura de tala y quema, una práctica que prevalece en varias sociedades primitivas en todo el mundo. Después de varios años de explotación, las tierras sometidas a tala y quema son abandonadas y, a través de la sucesión secundaria, eventualmente regresan al ecosistema original. La combustión artificial indirecta permanente reduce la eficacia del sumidero de carbono durante un período relativamente largo (siglos a milenios). Ejemplos de combustión artificial indirecta permanente son los cambios en el uso de la tierra de húmedo a seco, tales como: (1) conversión de bosques a pastizales, (2) conversión de pastizales a tierras de cultivo, (3) conversión de tierras de cultivo a tierras urbanas, y (4) drenaje de humedales. El riego, una conversión del uso de la tierra de seco a húmedo, aumenta la productividad biológica del ecosistema, aunque a costa de importar agua, actividad la cual puede o no envolver combustión. Las prácticas antropogénicas de degradación de la tierra, como el cultivo excesivo, el pastoreo excesivo, la desertificación y la salinización, también conducen a la combustión artificial indirecta permanente. Sin embargo, la eutrofización de los cuerpos de agua, si bien equivale a contaminación, en realidad puede aumentar (¡aunque sin quererlo!) la eficacia del sumidero de carbono.

La Figura 1 muestra la circulación de carbono a través de la ecosfera. Los insumos juveniles constituyen fuentes de carbono inorgánico fresco, que son responsables del inicio del ciclo del carbono. El reciclaje a través de la biósfera (líneas sólidas) es relativamente rápido, mientras que el reciclaje a través de la litósfera (líneas discontinuas) es característicamente lento. Dos insumos no son reciclables: La combustión de combustibles fósiles, y la combustión artificial indirecta permanente.

Fig. 1   Reciclaje de carbono a través de la ecosfera.

4.  SALIDAS DE DIÓXIDO DE CARBONO DE LA ATMÓSFERA

Las salidas de dióxido de carbono de la atmósfera son biológicas, geológicas o antropogénicas. Las salidas biológicas están mediadas por la fotosíntesis. Las salidas geológicas se producen como resultado neto de las interacciones oceánicas-atmosféricas. Las salidas antropogénicas ocurren cuando los seres humanos actúan para reducir deliberadamente las entradas de dióxido de carbono a la atmósfera, por ejemplo, a través de la conservación de energía de combustibles fósiles.

La principal salida de dióxido de carbono es a través del secuestro biológico. La fotosíntesis toma dióxido de carbono del aire y lo incorpora a la biosfera como materia orgánica. Si el carbono vuelve a la atmósfera a corto plazo (principalmente a través de la respiración), se recicla; por el contrario, si el carbono no se devuelve a la atmósfera en el corto plazo, queda secuestrado.

La fotosíntesis tiene lugar en los ecosistemas terrestres y acuáticos, incluidos los océanos. Para cualquier ecosistema, las tasas de secuestro biológico son iguales a la diferencia entre las tasas de productividad y las tasas de respiración. En las selvas tropicales, en las cuales las tasas de respiración se aproximan a las tasas de productividad, hay poco secuestro de carbono (Welch, 1992). Por otro lado, es más probable que la fotosíntesis de las algas y otras plantas que flotan en las capas superficiales del océano resulte en secuestro. Dado que la respiración de los animales en los océanos es menor que la productividad, el secuestro biológico tiene lugar mediante la sedimentación de materia orgánica muerta en el fondo del océano (IPCC, 1996a). Los balances de masa muestran que sólo alrededor de la mitad del dióxido de carbono emitido a la atmósfera en tiempos industriales permanece en la atmósfera. La porción ausente con seguridad aumenta la biomasa de los ecosistemas terrestres y oceánicos, o lleva a secuestros adicionales a través de interacciones oceánicas-atmosféricas.

La evidencia del aumento de la biomasa es escasa y difícil de documentar, aunque la selva amazónica, el ecosistema terrestre más grande del mundo, parece estar expandiéndose a lo largo de su perímetro (Prance, 1985). Poco se sabe sobre un posible crecimiento de biomasa en las capas superficiales de los océanos; sin embargo, hay razones para sospechar que está ahí. Si efectivamente la biosfera está creciendo en los océanos, su eficacia como sumidero de carbono sería análoga a la de la eutrofización antropogénica de lagos y estuarios. Se han realizado esfuerzos recientes para aumentar artificialmente la biomasa oceánica mediante la fertilización con hierro, aunque hasta la fecha los resultados no han sido concluyentes (IPCC, 1996a).

Se presume que las interacciones oceánico/atmosféricas son responsables del secuestro adicional de carbono (IPCC, 1996a). Se estima que el océano ha absorbido alrededor del treinta por ciento de las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono entre 1980 y 1989, lo que ha reducido la velocidad del cambio climático (IPCC, 1996b).

Las reducciones antropogénicas en la entrada de dióxido de carbono a la atmósfera equivalen a salidas del reservorio. Los ejemplos son:

1. Las medidas de conservación de energía que resultan en reducciones netas en la quema de combustibles fósiles.

2. La conservación y restauración de los ecosistemas naturales, que al constituir aumentos permanentes en el sumidero de carbono, son exactamente lo contrario de la combustión artificial indirecta permanente.

5.  HISTORIA GEOLÓGICA DEL DIÓXIDO DE CARBONO ATMOSFÉRICO

A través de la difusión molecular, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera es casi constante en todas partes. Sin embargo, su valor ha fluctuado a lo largo del tiempo geológico, desde un máximo de 4200 ppmv durante el período del Carbonífero Inferior (hace 345-320 millones de años) (Budyko, 1986) hasta un mínimo de 190 ppmv durante la última era glacial (21 000 años antes) (IPCC, 1996a). Las variaciones a largo plazo del dióxido de carbono están relacionadas con las fluctuaciones en la intensidad de la actividad volcánica (Budyko, 1986). Este último parece haber disminuido en la era Cenozoica, desde hace 65 millones de años hasta el presente, lo que ha producido una disminución apreciable en la concentración de dióxido de carbono atmosférico dentro de este período.

Los depósitos de combustibles fósiles que yacen bajo tierra se desarrollaron durante un largo período de tiempo, comenzando en el período Devónico superior (hace 360-345 millones de años) (Williamson, 1967; Magoon y Dow, 1994). A medida que las tasas de fotosíntesis excedieron las tasas de respiración, se produjo un secuestro eficaz del carbono, lo que eventualmente condujo a la formación de combustibles fósiles.

Durante los últimos 360 millones de años, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera ha fluctuado apreciablemente, pero la tendencia ha sido generalmente a bajar, de 4200 ppmv a aproximadamente 200 ppmv. Esto ha permitido que la Tierra se enfríe y ha preparado el escenario para que el Homo sapiens se desarrolle en las condiciones climáticas más frías que han prevalecido en el último millón de años (Budyko, 1978).

En la última era glacial (hace 21000 años), la concentración de dióxido de carbono atmosférico alcanzó un valor mínimo histórico de 190 ppmv. Desde entonces ha aumentado lentamente, llegando a 282 ppmv al comienzo de la revolución industrial, c. 1800 (IPCC, 1996a). Este aumento representa una tasa preindustrial promedio de 0.44 ppmv por siglo, que podría atribuirse en parte a la combustión artificial indirecta permanente producida por la revolución agrícola, que comenzó hace unos 10.000 años.

A principios del siglo XX, la concentración de dióxido de carbono era de 299 ppmv, es decir., un aumento de 17 ppmv en el siglo XIX. El nivel actual (1998) es de 363 ppmv, es decir, un aumento de 64 ppmv, lo que equivale a una tasa promedio de 65 ppmv por siglo. Esta última tasa es 148 veces mayor que la tasa preindustrial promedio. Las tasas recientes de aumento son aún mayores; por ejemplo, durante 1994, el aumento fue de 1.6 ppmv, es decir, casi 2.5 veces la tasa promedio del siglo XX. Estas concentraciones son valores anuales medios globales. Por lo tanto, no reflejan las variaciones climáticas estacionales y de otro tipo (aproximadamente 1 ppmv), que son en parte una función de la latitud y la altitud (IPCC, 1996a) [Nótese que el nivel actual en el 2022, es de 418 ppmv].

6.  IMPACTOS DEL CAMBIO CLIMÁTICO

Budyko (1986) ha estimado que la temperatura media global del aire en la superficie alcanzó un máximo de 25.5 ℃ durante el período Carbonífero Inferior. Esta temperatura fue de 10.6 ℃ mayor que en la actualidad (Budyko, 1986). Otras cifras muestran que una duplicación de la concentración actual de dióxido de carbono en la atmósfera aumentará la temperatura media global de la superficie del aire en aproximadamente 1.5-4.5 ℃, con la mejor estimación en 2.5 ℃ (Budyko, 1986; IPCC, 1996a).

Los principales efectos del calentamiento global son el derretimiento de los casquetes polares, la expansión del agua en el océano, y el consiguiente aumento del nivel medio del mar. El nivel medio del mar ha aumentado entre 10 y 25 cm en los últimos 100 años (IPCC, 1996a). Es probable que este aumento se haya debido en gran medida al aumento simultáneo de la temperatura media global del aire en la superficie (IPCC, 1996a). Los cálculos muestran que el derretimiento completo de los casquetes polares elevará el nivel medio del mar en unos 81 m (IPCC, 1996a). Otros efectos, como los cambios climáticos regionales y la posible intensificación de fenómenos climáticos como El Niño Oscilación del Sur, aún son objeto de investigación. La mayor parte del aumento antropogénico del dióxido de carbono se debe a la quema de combustibles fósiles para generar electricidad y hacer funcionar los motores de combustión interna. En los últimos cien años, el número de vehículos (automóviles y camiones) en todo el mundo ha aumentado constantemente, alcanzando un nivel de 629 millones para los 48 países con al menos un millón de automóviles de pasajeros (World Road Statistics, 1996). A medida que continúa el desarrollo económico, es muy probable que la cantidad de vehículos continúe aumentando, lo que agravará el cambio climático global. Por lo tanto, hacer frente al cambio climático global requerirá, como mínimo, que las sociedades humanas reevalúen su relación con el motor de combustión interna.

En la reciente Conferencia de Cambio Climático de las Naciones Unidas en Kioto (1997), Estados Unidos acordó reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero en un 7 por ciento (por debajo de los niveles de 1990) para el año 2012. Para ser obligatorio, este acuerdo debe ser ratificado por el Senado de los Estados Unidos. Dado el clima político actual, sigue siendo incierto cuándo tendrá lugar esta ratificación.

7.  RESUMEN Y CONCLUSIONES

Las entradas y salidas de dióxido de carbono a la atmósfera se examinan utilizando un enfoque sistémico. Las entradas y salidas geológicas son a largo plazo, con una escala de tiempo de miles de millones de años, no reciclables y más allá de la capacidad de control de los seres humanos. Las entradas y salidas biológicas son de corto plazo, con una escala de tiempo de años y décadas, generalmente reciclables y sujetas a la intervención humana. Dos insumos antropogénicos, la combustión de combustibles fósiles y la combustión artificial indirecta permanente, no son reciclables; por lo tanto, se asemejan a insumos geológicos.

El problema del cambio climático global es esencialmente uno de escala de tiempo. Se considera que la especie humana está actuando como un agente eficaz del cambio geológico, quemando cantidades similares a las de los volcanes del pasado, aunque en un lapso de tiempo comparativamente corto. Los cambios climáticos que normalmente tendrían lugar en millones de años, se están acelerando a cientos de años. En el pasado geológico, el dióxido de carbono de las erupciones volcánicas produjo un calentamiento global repentino, y la biosfera contrarrestó lentamente el enfriamiento global. El enfriamiento ha prevalecido en los últimos 360 millones de años, pero el calentamiento ha prevalecido en los últimos 21000 años, particularmente en los últimos 200 años.

A lo largo de los eones, la biosfera, con su secuestro continuo de carbono, ha creado las condiciones climáticas relativamente frías bajo las cuales ha evolucionado la especie humana. A través de su dependencia de la combustión no reciclable, la especie humana ahora está activamente involucrada en deshacer esta creación. La evolución del Homo sapiens tuvo lugar mientras el carbono yacía enterrado bajo la superficie. El devolver una gran cantidad de este carbono a la atmósfera provocará un cambio climático global. Para que la especie humana se adapte, la tasa de combustión antropogénica tendría que reducirse a tasas geológicas mucho más pequeñas. Dadas las tasas de emisión actuales, la adaptación no parece probable.

Por lo tanto, concluimos que las sociedades humanas deben reevaluar su actual excesiva dependencia de la quema de combustibles fósiles para solventar su desarrollo. Para que el desarrollo sea sostenible, debe aprovechar cada vez más las fuentes de energía renovable. Dadas las obvias limitaciones políticas, económicas e institucionales, la implementación de una estrategia de energía renovable tendrá que lograrse gradualmente. Una reducción del cincuenta por ciento en la quema global de combustibles fósiles (desde los niveles de 1998) para 2025 puede considerarse razonable o apropiada.

Corresponderá a la próxima generación continuar con la sustitución de los combustibles fósiles por fuentes de energía renovable. Mientras tanto, debe continuar el seguimiento del cambio climático global, con el objetivo de lograr eventualmente una cierta estabilidad en la concentración de gases de efecto invernadero atmosféricos. La inacción en este tema equivale efectivamente a continuar un experimento de proporciones globales; es decir, un modelado. por excelencia con el prototipo.

Significativamente, la otra combustión no reciclable es la combustión artificial indirecta permanente, de tasas y cantidades que son más difíciles de cuantificar que la que quema de combustibles fósiles. Este tipo de combustión es en gran parte responsable del desarrollo, tal como se conoce y acepta. Por lo tanto, para que el desarrollo sea sostenible, debe redefinirse de tal manera que minimice la combustión artificial indirecta permanente. Tal desarrollo puede resultar difícil de lograr. La mitigación y otras formas creativas de compensar la destrucción o eliminación de los ecosistemas naturales pueden ser la única forma de salir de esta situación decididamente humana. El desafío que enfrenta la humanidad es cómo lograr el desarrollo económico sin depender demasiado de la quema de combustibles fósiles, y al mismo tiempo minimizar la combustión artificial indirecta permanente. Es probable que la ingeniería de este tipo de desarrollo ponga a prueba las mentes más brillantes del futuro.

En conclusión, el desarrollo sostenible puede ser inalcanzable, a menos que la sociedad global tome medidas audaces y efectivas para reducir efectivamente su dependencia excesiva de la combustión no reciclable. Teniendo la situación una dimensión global, surge la cuestión de la ética ambiental. Es correcto reconocer el problema del cambio climático global ahora, y actuar en un esfuerzo mancomunado para resolverlo? O, a pesar de la evidencia aparentemente abrumadora, se puede continuar ignorando el problema con el fin de producir ganancia económica a corto plazo?

BIBLIOGRAFÍA

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