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Escalera hacia el cielo…de CO2

Imagen de portada: Coral (Autora: Valeria Nascimento). Exposición: «The Ancient Oceans».

Editorial Xerais (2019). Fuente: tiempo.com

Para comprender y predecir la evolución del clima ha sido esencial conocer la influencia de factores como los cambios en la órbita del planeta, actividad solar, la circulación del océano y gases de efecto invernadero, entre otros.

El libro «Os tempos e o clima de Galicia» (2019) (entre cuyos autores figura Xavier Fonseca, creador de «Historias del tiempo» en La Voz de Galicia), dedica uno de sus capítulos al cambio climático.

En él adaptan una gráfica de Miller y col. (2014) con el forzamiento radiativo de varios factores (calculado desde 1850), señalando a los gases de efecto invernadero como responsables del aumento global de temperatura.

El forzamiento radiativo o climático es la diferencia entre la luz solar absorbida por La Tierra y la energía devuelta al espacio. El artículo original incluye más factores y otro gráfico con la parte antropogénica y natural del forzamiento radiativo que hablan por sí solas…

a) Forzamiento radiativo, b) la misma variable, dividida en origen natural y antropogénico. Fuente: Miller y col. (2014).

Entre las emisiones de gases con efecto invernadero destaca el CO2 procedente de la quema de combustibles fósiles desde finales del s.XIX (80% del total de emisiones entre 1970-2010), asociado estrechamente con el calentamiento global. Sobre esta asociación veremos más adelante una gráfica muy ilustrativa (para estamparla en una camiseta, vamos).

El clima del planeta ha sufrido cambios continuos y seguirá cambiando en el futuro, pero esta es la primera vez que lo hace empujado por la actividad humana.

La temperatura promedio del planeta ha subido alrededor de 1ºC en 2017 respecto a la época pre-industrial (1850-1900), con un rango de 0,8-1,2ºC según el IPCC.

Pero un dato aislado como éste ¿es mucho o poco? para saberlo necesitamos ponerlo en contexto a los ciclos climáticos de La Tierra en una serie de tiempo mayor. Y la tenemos...

En la actualidad disponemos de una serie moderna de 800.000 años con medidas directas y precisas de CO2, y estimaciones antiguas que se remontan a cientos de millones de años.

En la serie moderna hay dos grupos de medidas. Por una parte los datos de CO2 del observatorio Mauna Loa (Hawaii) iniciados por C. David Keeling en marzo de 1958.

En ella los niveles de CO2 han aumentado desde 315,71 a 413,92 ppm (junio 2019), una subida del 31% en 6 décadas, cada vez más rápida.

Por otra parte tenemos medidas directas a partir del hielo. Las capas de varios kilómetros de espesor que cubren regiones polares en Groenlandia y la Antártida retienen burbujas de aire que permiten conocer los niveles de CO2 (y estimar la temperatura mediante el fraccionamiento isótopico del agua).

Los testigos de hielo estudiados en Groenlandia se remontan a 123.000 años y los de la Antártida hasta 800.000 años. Las historias que narran son similares respecto al CO2, pero difieren en un aspecto fundamental: en Groenlandia se han registrado cambios bruscos de temperatura (estimados de hasta 8 ºC en 40 años!) ausentes en la Antártida (Alley, 2000).

Capa de hielo Laurentino. Fuente: serc.carleton.edu

Dichos cambios, únicos para el hemisferio norte, se han relacionado con alteraciones en el flujo de calor en el océano ligadas al aumento/retroceso de la capa de hielo Laurentino en Norteamérica entre 95.000-6000 años atrás.

La serie de CO2 más larga disponible en la actualidad es la del testigo de hielo «Dome C» en la Antártida (Jouzel y col. 2007) obtenido durante el proyecto europeo para la extracción de núcleos helados (EPICA).

El «Dome C» incluye 800.000 años, con ocho periodos glaciales y los correspondientes interglaciales, a lo largo de unos 3.200 metros de hielo.

En esta simulación de NOAA pueden observar la variación del CO2 combinando todos estos datos -desde 2017 hasta 800.000 años atrás- incluyendo testigos de hielo de Groenlandia y la Antártida.

CONCLUSIÓN: los niveles de CO2 nunca superaron los 300 ppm en los últimos 800.000 años, hasta comienzos del s.XX.

Y aquí tienen la oscilación temporal de CO2 y temperatura, calculada mediante los isótopos del agua (el fraccionamiento o pérdida del isótopo pesado deuterio (2H)), a partir de muestras del «Dome C». El final de las épocas glaciales se caracteriza por subidas de temperatura de 4-7 ºC a lo largo de unos 5.000 años. Las tasas actuales son unas 10 veces superiores.

La gráfica para estampar en una camiseta. Fuente: NOAA.

Bien. Sigamos atando cabos. Ahora les mostraré otro gráfico menos habitual en los medios de comunicación que da pie a la parte final de esta entrada donde hablaremos del fitoplancton.

Fuente: Scripps CO2 program.

Lo que vemos aquí es la desviación negativa en la relación isotópica del carbono 13 (13C), inversa a la evolución positiva del CO2 (aunque no tan perfecta en series temporales más largas).

EXPLICACIÓN: La quema de combustibles fósiles añade CO2 a la atmósfera con una señal isotópica característica: carece de 14C debido a su antigüedad y está empobrecido en 13C. La gráfica anterior es una de las principales evidencias del origen antropogénico del aumento de CO2.

El carbono posee tres isótopos (12C, 13C y 14C). Los isótopos 12C y 13C son estables y a diferencia del 14C se mantienen constantes en la materia orgánica a lo largo del tiempo. El isótopo más abundante con diferencia es el 12C (98.9% frente a 1.1% de 13C).

La relación 13C/12C en plantas terrestres y microalgas es menor que en la atmósfera. Autor: F. Rodríguez.

En la incorporación de carbono en la fotosíntesis, plantas terrestres y microalgas (en concreto la enzima RUBISCO responsable de la fijación de carbono) discriminan a favor del isótopo ligero 12C respecto al 13C, por lo que su relación isotópica se empobrece en 13C.

Los combustibles fósiles (carbón, hidrocarburos, gas natural) que quemamos emitiendo CO2 a la atmósfera tienen su origen principalmente en microalgas y plantas terrestres, de ahí el descenso observado en el fraccionamiento isotópico del 13C.

Hasta aquí sólo hemos tratado de la serie moderna de CO2, pero ¿cómo estimamos los valores que había millones de años atrás?

Para estimar niveles de CO2 más allá de los testigos de hielo usamos paleobarómetros, principalmente fraccionamientos isotópicos a partir de microorganismos en sedimentos marinos.

El primero de dichos paleobarómetros emplea el fraccionamiento isotópico del 13C debido a la fotosíntesis, y analiza unos compuestos muy concretos: alquenonas, producidas por algunas especies de microalgas pertenecientes al grupo de las haptofitas.

Las alquenonas actuales proceden de Emiliania huxleyi y Gephyrocapsa oceanica, aunque antes del Plioceno (>5 Ma.) las responsables fueron otras especies (ya extintas, p.ej. del género Reticulofenestra).

El segundo paleobarómetro consiste en el fraccionamiento isotópico del 11B en las conchas de foraminíferos (zooplancton).

Ambos métodos muestran discrepancias dado que los valores de CO2 estimados proceden de organismos y procesos distintos.

Entre otros, un estudio reciente (Badger y col. 2019) indica que en los períodos con niveles más bajos de CO2, como los últimos 20 millones de años, el paleobarómetro de alquenonas tiene peor resolución debido a los mecanismos de concentración de carbono en las haptofitas.

El motivo es que dichos mecanismos de concentración aumentan el CO2 intracelular para contrarrestar la limitación en el medio y en consecuencia el fraccionamiento isotópico no recogería las oscilaciones del CO2 en el océano en dichas condiciones (y por extensión, en el aire).

Niveles de CO2 estimados mediante el paleobarómetro basado en alkenonas de haptofitas en una región ecuatorial del Atlántico (azul) y otras estimaciones anteriores (rojo). Fuente: Zhang y col. (2013).

Los niveles de CO2 mediante estos paleobarómetros señalan que los últimos 14 millones de años han sido la época con valores más bajos.

Sin embargo, la escalada actual del CO2 sigue un ritmo diez veces superior a los estimados en un período mayor, de hasta 66 millones de años.

Este brusco y rápido aumento del CO2 supone un reto adaptativo para los organismos que deben afrontar en un período breve de tiempo.

Un reto que será cada vez más difícil si las condiciones ambientales progresan en la dirección actual.

Editorial Destino (2019). Fuente: planetadelibros

En su último libro Juan Luis Arsuaga cita una metáfora preciosa sobre la evolución de las especies: los paisajes adaptativos, de Sewall Wright (1932).

En concreto me quedo con la visión que comenta de George Gaylord Simpson: el paisaje adaptativo como un mar picado que cambia muy lentamente y las especies con él.

Los picos del mar serían nichos ecológicos sobre los que se superponen las adaptaciones de las especies.

En este paisaje adaptativo cuando las especies no pueden seguir a los picos en movimiento, se quedan atrás.

«La escalera hacia el cielo de CO2» que levantamos desde hace más de un siglo está encrespando el paisaje adaptativo, haciendo que más y más especies se queden atrás…tal y como sugiere un trabajo recién publicado en Nature Communications: «Adaptive responses of animals to climate change are most likely insufficient» (Radchuck V. y col. 2019).

Un ejemplo de predicción catastrófica para un ecosistema marino se encuentra en el informe reciente del IPCC (2018) sobre la diferencia entre el impacto de un aumento de 1,5 ºC (el límite perseguido por el acuerdo climático de París de 2015) o de 2 ºC respecto a la época preindustrial. Pues bien, en él concluyen lo siguiente para los arrecifes de coral:

«Coral reefs, for example, are projected to decline by a further 70-90% at 1.5ºC (high confidence) with larger losses (>99%) at 2ºC (very high confidence)«.

Referencias

  • Alley R.B. Ice-core evidence of abrupt climate changes. PNAS 97:1331-1334 (2000).
  • Badger M.P.S. y col. Insensitivity of alkenone carbon isotopes to atmospheric CO2 at low to moderate CO2 levels. Clim. Past. 15: 539–554 (2019).
  • IPCC. Global Warming of 1.5ºC. 26 pp. (2018). Disponible en www.ipcc.ch
  • Jouzel J. y col. Orbital and Millennial Antarctic Climate Variability over the Past 800,000 Years. Science 317:793-796 (2007).
  • Prentice I.C. y col. The carbon cycle and atmospheric carbon dioxide (2018). 56 pp. Disponible en www.ipcc.ch
  • Radchuk V. y col. Adaptive responses of animals to climate change are most likely insufficient. Nat. Comm. 10:3109 (2019).
  • Zeebe R.E. y col. Anthropogenic carbon release rate unprecedented during the past 66 million years. Nat. Geosc. 9:325-329 (2016).
  • Zhang Y.G. y col. A 40-million-year history of atmospheric CO2. Phil. Trans. R. Soc. A 371: 20130096 (2013).
  • Fuentes web: NOAA (Global warming), Scripps CO2 program, Earth Observatory NASA.

Un punto azul pálido

truth

Director: D. Guggenheim (2006).

En estas navidades más templadas en Vigo de lo habitual (Galifornia dicen en vez de Galicia), qué mejor que volver a ver «Una verdad incómoda«, casi una década después de su estreno.

Pónganle los peros que quieran al personaje, lo cierto es que Al Gore comunicó de modo fascinante y agitó conciencias en todo el mundo para luchar contra el cambio climático. El contexto era ideal: un año después del desastre del Katrina y sin la crisis económica acaparando la actualidad. Pese al cuento de la rana que no salta del bote si calentamos el agua poco a poco (no parece real aunque sí útil para llegar al espectador), su mensaje final era esperanzador.

«Una verdad incómoda» ganó 2 Oscar en 2007. Ése mismo año Al Gore y el IPCC (órgano internacional encargado de evaluar los conocimientos científicos relativos al cambio climático), recibieron el Nobel de la Paz. Mientras, el futuro presidente español Mariano Rajoy desdeñaba el cambio climático citando a su primo meteorólogo (ABC:22-X-2007).

Gore mostraba gráficos de concentración de CO2 atmosférico que terminaban en 2005 en el umbral de 380 ppm y para representar el eje vertical ponía el máximo en 400 ppm. Hoy tendría que cambiar el eje; hemos superado ese valor (401,85 ppm; diciembre 2015) y la tasa de incremento se ha doblado en 40 años: entre 1965-1974 los niveles de CO2 aumentaron 10,56 ppm y en 2005-2014 han subido 21,06 ppm.

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Fotograma de «Una verdad incómoda» con Al Gore subido hasta los 600 ppm de CO2.

Gore montaba en un elevador para subir hasta el (posible) nivel del CO2 en 50 años: ∼600 ppm. Comprobé que escogió el peor de los casos, el de seguir emitiendo CO2 como si no hubiese un mañana. En dicho escenario (hoy llamado RCP8.5 (RCP es Representative Concentration Pathway, según el IPCC), es probable que a mediados de siglo el Polo Norte sea un océano libre de hielo en verano.

Desgraciadamente ése RCP8.5 se aproxima bastante a lo que podría suceder en las próximas décadas (si no lo remediamos). Verán…

El IPCC ha elaborado 4 escenarios de evolución del CO2 en el s.XXI, cuyos efectos en la temperatura del aire y el nivel del mar les mostraré durante esta entrada.

The Island President

Nasheed está hoy en día encarcelado en su país y no pudo acudir a la Cumbre del Clima en París.

Resulta lamentable que la mayoría de políticos no dediquen tiempo, siquiera en sus discursos, a la importancia de proteger el medio ambiente.

Corrijo, lo hacen si tienen el agua al cuello como Mohamed Nasheed en la Cumbre del Clima de Copenhage (2009), cuando era presidente del archipiélago de Maldivas (un país con 1,5 m de altitud media en riesgo de desaparecer por el aumento del nivel del mar). En el documental «The Island President» (2011) Nasheed sentencia: «If you allow a 2ºC rise in temperature you’re actually agreeing to kill us«. Ojo al dato: 2ºC de aumento…

Otro dato interesante. El océano acumula el 90% de la energía que estamos introduciendo en el sistema climático y sólo el 1% lo acumula la atmósfera. El calentamiento es mayor en la superficie del mar (aumento medio de 0,11ºC entre 0-75 metros, período 1971-2010), aunque la señal de dicho calentamiento se extiende hasta los 700 metros.

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Los 4 escenarios (RCP) de evolución del CO2 previstos por el IPCC. Fuente: Smithsonian.com

En Copenhage (2009), China y EEUU se unieron por primera vez al acuerdo político, sin compromisos vinculantes, para luchar contra el cambio climático. En la última Cumbre del Clima en París (diciembre 2015) se firmó un acuerdo para limitar el incremento de temperatura a 2ºC, e idealmente a 1,5ºC respecto a la época pre-industrial. Esa evolución del CO2 corresponde al mejor de los escenarios, RCP 2.6 (trazo verde en la gráfica siguiente).

Es un acuerdo «esperanzador» pero insuficiente. Depende de la voluntad política y de la movilización de recursos económicos (100.000 millones de dólares hasta 2020 para empezar) a países menos desarrollados.

Para cumplirlo hay otra condición: cambios drásticos inmediatos. Verán.

Sinceramente, se me cae un poco el optimismo al ver la siguiente gráfica del IPCC sobre la relación entre CO2 e incremento de temperatura para el año 2100. Fíjense que los 2ºC se alcanzan con valores de 480-530 ppm y al paso que vamos llegaremos ahí no en el 2100 sino a mitad de siglo !! Ojalá que no.

projected warming

Fuente: Climate Change 2014. Synthesis Report for Policymakers. IPCC.

Gore decía que estamos ante una cuestión moral y que la voluntad política es un recurso renovable.

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Estimación de aumento del nivel del mar según los 4 RCPs del IPCC. El nº21 indica los modelos usados para obtener la previsión final. Fuente: Climate Change 2014. Synthesis Report for Policymakers. IPCC.

Cada vez resulta más obvio que la civilización basada en el petróleo tiene fecha de caducidad. No se pueden seguir quemando combustibles fósiles a este ritmo sin alterar de forma grave el clima y el funcionamiento de la biosfera. Necesitamos energías limpias.

Y no lo digo yo, lo dice el grupo de expertos del IPCC en su 5º informe de 2014 con frases lapidarias sobre fondo rojo (qué más le pueden poner ya?) como las siguientes:

«La emisión continuada de gases de efecto invernadero producirá un mayor calentamiento y cambios duraderos en todos los componentes del sistema climático, aumentando la posibilidad de impactos severos, globales e irreversibles para las personas y los ecosistemas […] La influencia humana en el clima es clara y las emisiones antropogénicas recientes de gases invernadero son las mayores de la historia.»

«El calentamiento climático es inequívoco y muchos de los cambios observados desde los años 50′ no tienen precedente en décadas y milenios. La atmósfera y el océano se han calentado, la cobertura de nieve y hielo ha disminuido y el nivel del mar ha subido […] Sus efectos [de los gases invernadero] junto a otros factores humanos, han sido detectados a lo largo del sistema climático y son muy probablemente la principal causa del calentamiento observado desde mediados del s.XX.» 

«Todos los escenarios [RCPs] contemplan un aumento de temperatura superficial durante el s.XXI […] El océano seguirá calentándose y acidificándose y subirá el nivel medio del mar». (Trad. del original).

Pale_Blue_Dot

La Tierra es el punto azul pálido a mitad del haz de la derecha. Fuente: NASA.

Si esto no hace reaccionar a nadie, qué o quién lo va a conseguir? La segunda parte de «Una verdad incómoda«? Bienvenida sea.

Les decía que su mensaje final era esperanzador.

Gore recordaba la imagen de La Tierra que tomó en 1990 la sonda espacial Voyager 1 al girar su cámara más allá de Plutón a petición de Carl Sagan.

«A Pale Blue Dot» es una imagen cautivadora y la reflexión de Sagan sobre ella terminaba así: «To me, it underscores our responsibility to deal more kindly with one another and to preserve and cherish the pale blue dot, the only home we’ve ever known».

Todo esto me da pie a la próxima entrada: las microalgas como fuente de energía.

Referencias:

-Climate Change 2014: Synthesis Report. Summary for Policymakers. 32 pp. Disponible en la Web del IPCC.
-Convención Marco sobre el Cambio Climático: Aprobación del Acuerdo de París. Naciones Unidas. Disponible en la Web de la ONU.