Balance energético de la tierra y forzamiento radiativo del cambio climático
Lea este artículo para aprender sobre el balance de energía en la Tierra y el forzamiento radiativo del cambio climático.
Introducción:
Nuestra tierra recibe radiaciones de onda corta del sol; Un tercio de los cuales se refleja y el resto es absorbido por la atmósfera, los océanos, la tierra, el hielo y la biota. La energía absorbida por la radiación solar se equilibra a largo plazo por la radiación emitida por la Tierra y su atmósfera.
Pero el equilibrio entre la energía absorbida y emitida como radiación infrarroja de onda larga puede cambiar debido a muchos factores naturales como la producción de energía del sol, las variaciones lentas en la órbita terrestre y los factores antropogénicos que causan el efecto invernadero, el calentamiento global, el invierno nuclear y el agotamiento de Capa de ozono y agujero de ozono en la Antártida. La absorción de radiación infrarroja generalmente se denomina fuerza de radiación.
Nuestra atmósfera está dividida en varias capas horizontales. Cada uno se caracteriza por la pendiente de su perfil de temperatura. A partir de la superficie terrestre, estas capas se denominan troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. En la troposfera y mesosfera la temperatura disminuye con la altitud, mientras que en la estratosfera y la termosfera aumenta con la altitud.
Las altitudes de transición que separan estas capas se denominan tropopausa, estratopausia y mesopausa. Más del 80% de la masa de la atmósfera y todas las nubes de vapor de agua y las precipitaciones se producen en la troposfera. En el ecuador puede ser de unos 18 km, pero disminuir hasta 10-12 km en las latitudes medias y en los polos puede ser de unos 5-6 km. En la troposfera, la temperatura normalmente disminuye de 5 a 7 ° C por km.
Esta región suele ser un lugar muy turbulento, ya que hay fuertes movimientos verticales que conducen a una mezcla rápida y completa de aire. Esta mezcla mejora la calidad del aire porque disminuye rápidamente los diversos contaminantes. Por encima de la troposfera se encuentra la estratosfia, que es una capa estable de aire seco.
Los contaminantes que entran en la estratosfera pueden permanecer allí durante muchos años antes de ser devueltos a la troposfera, donde se disipan más fácilmente y, en última instancia, se eliminan mediante sedimentación o precipitación. En la estratosfera, las radiaciones ultravioleta de onda corta son absorbidas por el ozono (O 3 ) y el oxígeno (O 2 ), de modo que el aire se calienta. La inversión de temperatura resultante provoca la estabilidad de esta zona. La troposfera y la estratosfera representan en conjunto alrededor del 99, 9% de la masa de la atmósfera.
Después de la estratosfera se encuentra la mesosfera. En esta región también el aire se mezcla con bastante rapidez. Por encima de la mesosfera está la termosfera. En la termosfera el calentamiento se debe a la absorción de energía solar por el oxígeno atómico. En la termosfera se encuentra una densa banda de partículas cargadas, llamada ionosfera. Refleja las ondas de radio de vuelta a la Tierra, por lo que antes de la invención de los satélites, la ionosfera era particularmente importante para las comunicaciones mundiales.
Efecto invernadero:
Las radiaciones solares de onda corta que tienen una longitud de onda inferior a 3 µm pueden pasar fácilmente a través de la atmósfera, mientras que las radiaciones terrestres de onda larga emitidas por la superficie de la Tierra (más de 3 µm) son absorbidas parcialmente por el número de gases traza presentes en la atmósfera. Estos gases traza son conocidos como gases de efecto invernadero. (GEI).
Los principales gases de efecto invernadero son el dióxido de carbono (CO 2 ), el metano (CH 4 ), el óxido nitroso (N 2 O), el vapor de agua y el ozono (O 3 ) presentes en la troposfera y la estratosfera. Además de estos gases de efecto invernadero naturales en las últimas décadas, también se agregan a la lista clorofluorocarbonos (CFC) y otros halocarburos, debido a diversas actividades humanas.
Cuando las radiaciones solares o los rayos cósmicos pasan a través de la atmósfera, se ven afectados por diversos gases y aerosoles en el aire. Estos gases pueden dejar que la energía radiante o los rayos solares pasen a través de los no afectados, o dispersar los rayos por reflexión o pueden detenerlos al absorber estas radiaciones entrantes.
De manera similar, estos gases también absorben las radiaciones infrarrojas salientes (1R) emitidas por la superficie de la tierra. La mayoría de las radiaciones térmicas de onda larga emitidas por la Tierra son absorbidas por gases de efecto invernadero radioactivamente activos. El vapor de agua (H2O), que es un gas de efecto invernadero muy importante, absorbe fuertemente las radiaciones térmicas en menos de 8 µm y más de 18 µm, así como las bandas centradas en 2.7 µ.m y 4.3 µm.
Se encuentra una ventana atmosférica de 7 a 12 µm, que es un cielo relativamente claro para las radiaciones terrestres salientes. Las radiaciones en estas longitudes de onda pasan fácilmente a través de la atmósfera, excepto por una pequeña pero muy importante banda de absorción entre 9, 5 µm y 10, 6 µm, que está asociada con el ozono. Toda la radiación solar entrante con una longitud de onda inferior a 0, 3 µm, es decir, la radiación ultravioleta (UV) es absorbida por el oxígeno y el ozono.
Esta absorción de la radiación UV se produce en la estratosfera, que protege la superficie de la tierra de las dañinas radiaciones ultravioletas. Los gases de efecto invernadero radioactivamente activos absorben la longitud de onda más larga que 4 µm. Debido a esta absorción, la atmósfera se calienta, que luego irradia energía a la tierra y al espacio también como se muestra en el diagrama (fig. 1). Estos gases de efecto invernadero actúan como la manta térmica alrededor del globo, elevando la temperatura de la superficie de la tierra.
El término efecto invernadero se basa en el concepto de invernadero convencional hecho de vidrio. El vidrio transmite fácilmente las radiaciones solares de onda corta al invernadero y absorbe toda la radiación de onda larga irradiada por el interior del invernadero. Este atrapamiento de radiación es en parte responsable de las elevadas temperaturas dentro de la casa verde. Gran parte de este efecto se debe simplemente a la reducción en el enfriamiento por convección del espacio interior causado por el recinto. El calentamiento del interior de su automóvil después de estacionar al sol es otro ejemplo simple del efecto invernadero.
Si la tierra no tuviera un efecto invernadero natural, su temperatura promedio sería de -19 ° C. Así podemos decir que el efecto invernadero es responsable del calentamiento de la tierra. Aunque el efecto invernadero es un fenómeno natural y estuvo presente desde tiempos inmemoriales, pero después de la Revolución Industrial, podemos decir que desde 1950, debido a la rápida industrialización, la tala de bosques para uso de la tierra y el enorme aumento de vehículos, etc. Invernadero, los gases en el ambiente aumentan muchos pliegues debido a que la temperatura de la tierra aumenta a un ritmo mucho más rápido. Esta es una causa importante de preocupación para todos los países desarrollados y en desarrollo.
Forzamiento radiativo del cambio climático:
Aunque el efecto invernadero es un fenómeno natural que es responsable de tener una temperatura de la tierra a 34 ° C más alta de lo que habría sido si no hubiera gases radiactivamente activos en la atmósfera. Ahora está bastante claro que las fuentes de emisión de muchos gases y aerosoles hechas por el hombre están afectando el efecto invernadero, lo que lleva a la incertidumbre en la predicción del clima global futuro. Como se muestra en el modelo del flujo de energía promedio global.
La energía solar entrante que es absorbida por la Tierra y su atmósfera es de 235 w / m 2, que está equilibrada por 235 w / m 2, de radiación de onda larga saliente. Si debido a alguna razón se agrega una cantidad extra de energía a la energía radiativa entrante, entonces temporalmente este equilibrio se verá afectado, sin embargo, con el paso del tiempo, el sistema climático se ajustará a ese cambio ya sea aumentando o disminuyendo la temperatura de la superficie de Tierra, hasta que se recupere el equilibrio. Matemáticamente podemos representar el proceso de la siguiente manera. Inicialmente, el sistema balanceado tiene la misma energía solar entrante absorbida (Qabs) y energía radiante saliente (Qrad)
Cuando el sistema se perturba por el forzamiento radiativo, es decir, AF (w / m 2 ) a la energía absorbida entrante, se establecerá un nuevo equilibrio con el tiempo para que
aquí los deltas se refieren a cambios en la cantidad de energías absorbidas y radiantes. Al restar 1 de 2 da
Hasta ahora hemos descrito el efecto invernadero como un fenómeno natural debido a que la temperatura promedio de la Tierra es 34 ° C más alta de lo que hubiera sido si no hubiera gases radiativamente activos en la atmósfera. El concepto de forzamiento radiativo del cambio climático se puede aplicar a la acumulación de gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera, debido a la cual se altera el equilibrio entre las radiaciones solares entrantes y las radiaciones terrestres salientes.
También se puede aplicar a cambios en aerosoles y partículas debido a fuentes naturales y artificiales, agotamiento del ozono en la estratosfera, acumulación de ozono producido fotoquímicamente en la troposfera y variabilidad en las radiaciones solares que llegan a la atmósfera terrestre.
Debido a estos factores, tanto el forzamiento positivo como el negativo son posibles. El forzamiento positivo contribuye al calentamiento global, mientras que el forzamiento negativo contribuye al enfriamiento de la tierra. Los gases y las partículas presentes en la atmósfera son capaces de ejercer efectos de forzamiento radiativo directo e indirecto.
El forzamiento directo es causado por sustancias en la atmósfera que realmente han sido emitidas de alguna fuente. Los forzados indirectos son aquellos que ocurren cuando esas sustancias causan otros cambios atmosféricos que afectan las propiedades de radiación de la atmósfera.
Por ejemplo, los aerosoles afectan directamente el forzamiento al absorber o reflejar la radiación solar, mientras que también ejercen un efecto indirecto al inducir cambios en el albedo de las nubes. De manera similar, los halocarburos, como los clorofluorocarbonos (CFC), también ejercen efectos directos e indirectos. El efecto directo de los halocarburos es un aumento del forzamiento radiativo porque estos gases, es decir, el carbono más flúor, cloro y / o bromo absorben las radiaciones terrestres de onda grande de la tierra. También causan un efecto indirecto al destruir el ozono (O 3 ) en la estratosfera.
El ozono se absorbe en la ventana radiativa atmosférica del mediodía, por lo que la destrucción del ozono abre la ventana y permite que la tierra se enfríe más fácilmente, por lo que podemos decir que el efecto directo de los halocarburos contribuye al calentamiento global, ya que su efecto indirecto de destrucción del ozono ayuda al enfriamiento de el planeta. En la tabla que se presenta a continuación, se presenta el resumen de las estimaciones actuales del forzamiento radiativo que se deben a los efectos directos e indirectos de los gases de efecto invernadero, los aerosoles y las partículas y la radiación solar.
Las contribuciones de los halocarburos se simplifican en esta figura, ya que su efecto de enfriamiento indirecto que se asocia con la destrucción del ozono no se incluye en los datos. Si se incluyen estos efectos indirectos, el forzamiento total de los halocarburos en realidad se vuelve inferior al 11%. Ahora vamos a discutir en detalle sobre estos principales gases de efecto invernadero.
Dióxido de carbono (CO 2 ):
Es un importante gas de efecto invernadero con la mayor proporción, es decir, 50-60% y representa casi dos tercios del forzamiento radiativo actual. Las primeras mediciones precisas y directas del dióxido de carbono atmosférico comenzaron en 1957 en el Polo Sur y en 1958 en Monaloa, Hawai.
La concentración de CO 2 en ese momento era de alrededor de 315 ppm y crecía casi a una velocidad de 1 ppm por año hasta mediados de los ochenta y ahora está creciendo a una velocidad de alrededor de 1, 6 ppm / año. El CO 2 es tomado de la atmósfera por las plantas en el proceso de fotosíntesis como se muestra en esta ecuación.
En primavera y verano el crecimiento de las plantas es máximo. El nivel de CO 2 cae y alcanza su punto más bajo en octubre en el hemisferio norte. En la respiración, el proceso que utilizan los seres vivos para obtener energía, se invierte la ecuación anterior. En la respiración, las moléculas orgánicas complejas se descomponen devolviendo el carbono a la atmósfera.
En los meses de otoño e invierno, la tasa de respiración supera la tasa de fotosíntesis. Hay un reemplazo neto de carbono en la atmósfera que produce una concentración máxima de CO 2 en los hemisferios norte alrededor de mayo. Así, el carbono se mueve continuamente de la atmósfera a la cadena alimentaria (en la fotosíntesis) y regresa a las atmósferas (en la respiración).
La reacción para la respiración es la siguiente:
Las concentraciones de CO 2 son casi un 30% más altas ahora que antes de la revolución industrial.
Metano (CH 4 ):
La acumulación de metano en la atmósfera representa 0, 47 w / m 2 de forzamiento radiativo, que es el 19% del total del forzamiento directo de invernaderos. En tiempos preindustriales, la concentración de metano en la atmósfera era de aproximadamente 700 partes por billón (ppb) durante muchos cientos de años, pero en el siglo XIX. Su concentración aumentó rápidamente. En 1992 llegó a 1714 ppb, que era casi dos veces y media más que los niveles preindustriales.
El metano es un gas natural en la atmósfera, pero su concentración está aumentando rápidamente debido a las actividades humanas. Las fuentes naturales de metano son los humedales y los océanos que liberan 160 millones de toneladas de metano por año, mientras que las fuentes artificiales representan aproximadamente 375 millones de toneladas de liberación de gas metano. Alrededor del 50% de las emisiones antropogénicas de CH4 son el resultado de la producción de alimentos para humanos y aproximadamente el 27% se debe al uso de combustibles fósiles.
A medida que aumenta la producción de alimentos y energía para satisfacer la demanda de la creciente población, las emisiones de metano continuarán siendo una fracción significativa del forzamiento radiativo total. El diagrama de barras a continuación (Fig. 3) muestra el porcentaje de contribución de diferentes fuentes antropogénicas de emisiones de metano.
El metano tiene efectos directos e indirectos en el forzamiento radiativo. Como el CH 4 tiene una vida útil más larga en la atmósfera, continúa absorbiendo la radiación infrarroja durante más tiempo, aumentando su potencial de calentamiento global. También existe preocupación por la posibilidad de que, debido al calentamiento global, se libere una gran cantidad de metano actualmente congelado en el permafrost en las regiones más al norte del mundo, lo que podría permitir la descomposición anaeróbica de la materia orgánica congelada en el permafrost, produciendo así más metano. El calentamiento debido al aumento de la liberación de metano podría aumentar el calentamiento original.
Óxido nitroso:
Es otro gas de efecto invernadero de origen natural, que ha aumentado su concentración debido a las actividades humanas. En tiempos preindustriales su concentración era de 275 ppb. que en la actualidad es de 312 ppb mostrando un incremento del 13%. El óxido nitroso se libera a la atmósfera durante el proceso de nitrificación del ciclo del nitrógeno.
El óxido nitroso representa el 6% del forzamiento radiativo. Las fuentes naturales de N2O liberan aproximadamente 9 millones de toneladas de nitrógeno en la atmósfera por año, y la mayor parte proviene de océanos y suelos húmedos. Las fuentes hechas por el hombre contribuyen aproximadamente el 40% del total de las emisiones de N 2 O, es decir, 5.7 millones de toneladas por año (IPCC, 1995), que se debe principalmente a la agricultura tropical.
La conversión de tierras forestales a pastizales y el uso de fertilizantes nitrogenados en tierras de cultivo son las principales fuentes de emisiones de N 2 O. Otras fuentes son la combustión de combustibles que contienen N 2, convertidores catalíticos de 3 vías en automóviles y muchos procesos industriales como la producción de nylon. El N 2 O también tiene una larga vida útil en la atmósfera estimada en alrededor de 120 años, lo que significa que las perturbaciones en su ciclo natural tendrán repercusiones duraderas. Se degrada lentamente en la estratosfera por fotólisis.
Halocarburos:
Estas son moléculas basadas en carbono que contienen cloro, flúor o bromo. Estos son potentes gases de efecto invernadero. También son muy importantes para el medio ambiente porque contribuyen al calentamiento global y también a la presencia de átomos de cloro y bromo que se abren paso en la estratosfera y tienen la capacidad de destruir el ozono en esa capa. Los halocarburos incluyen clorofluorocarbonos. (CFC) e hidroclorofluorocarbonos (HCFC).
Los CFC son no tóxicos, no reactivos y no inflamables e insolubles en agua. Debido a su naturaleza inerte, no son destruidas por reacciones químicas y tampoco son eliminadas de la troposfera por las lluvias. Así que tienen una larga vida útil atmosférica. Solo se pueden eliminar mediante fotólisis, es decir, se rompen mediante radiaciones solares de onda corta, que tienen lugar cuando las moléculas llegan a la estratosfera.
Pero el cloro liberado por la fotólisis de CFC destruye el ozono estratosférico. Para evitar este agotamiento del ozono estratosférico, se están introduciendo HCFC en lugar de CFC. La adición de hidrógeno rompe su inercia para que sean destruidas por las reacciones químicas en la troposfera antes de derivar a la estratosfera. Pero todavía tienen un gran potencial para
Agota la capa de ozono. Los hidrocarburos fluorados (HFC) no contienen cloro, por lo que son incluso mejores que los HCFC.
Los halones contienen bromo que también es un elemento que destruye el ozono. Son moléculas muy estables y no se descomponen en la troposfera, por lo que solo liberan ese bromo después de llegar a la estratosfera y se rompen por fotólisis. Se utilizan en extintores.
Ozono (O 3 ):
El ozono tiene una fuerte banda de absorción a 9 µm, es decir, en medio de la ventana atmosférica, lo que lo convierte en un importante gas de efecto invernadero. Es un gas principal en el smog fotoquímico, ya que la producción de smog se asocia con una importante industrialización, por lo que su concentración es mayor en los países desarrollados. Es decir, en el hemisferio norte que en el hemisferio sur.
Su concentración también varía estacionalmente con las concentraciones más altas en verano, ya que los meses de verano energizan la formación de ozono. El forzamiento radiativo del ozono troposférico también es bastante incierto, que está entre 0.2-0.6 w / m 2 . Las concentraciones de ozono estratosférico están disminuyendo debido a los ataques del cloro y el bromo liberados por los CFC y los halones expuestos a los rayos UV.
Según una estimación, la pérdida en el ozono estratosférico tiene un forzamiento negativo promedio global de alrededor de -0.1 w / m 2 con un factor de 2 de incertidumbre. Este agotamiento del ozono es indirectamente el resultado del uso de CFC y halones. Entonces, este forzamiento negativo tiende a compensar algunos forzamientos positivos causados por la emisión de halocarburos. Como después del Protocolo de Montreal, se reducen las emisiones de CFC y halones a la atmósfera, se espera que el ozono comience a recuperarse en los próximos años y este forzamiento negativo disminuya.
De esta manera, vemos que el forzamiento radiativo de estos gases de efecto invernadero afecta la temperatura y el clima global. El forzado positivo aumenta la temperatura, mientras que el forzado negativo disminuye lo mismo. Como hemos discutido, estos forzamientos, además de ser un fenómeno natural, también son inducidos por las actividades humanas, por lo que debemos pensar dos veces antes del uso de dicha tecnología, que contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero y al calentamiento global que conduce a los cambios climáticos.
Gases de efecto invernadero y clima global:
El aumento en la concentración de CO 2 medida en el Observatorio de Maunalao en Hawai en 1958 de 315 a 345 ppm en 1985 se debe principalmente a dos actividades humanas principales: la quema de combustibles fósiles a un ritmo alarmante y la destrucción de la cubierta forestal, que se consideran CO 2 sumideros del planeta. El consumo de carbón y petróleo ha aumentado muchos pliegues en los últimos años, como se muestra en la figura (19) Aumento en el CO 2, el nivel tiene un efecto inmediato en el aumento de la temperatura global. Además, el nivel de CO 2 de los gases de efecto invernadero (GEI) también aumenta a lo largo de los años, tal como lo hemos comentado anteriormente.
Según el informe de la NASA, el aumento de los CFC es de alrededor del 5% por año, mientras que el aumento del metano es de alrededor del 1% por año. Si el aumento de GEI se produce al ritmo actual, el punto de duplicación para cada uno de estos gases que contribuyen al efecto invernadero será en algún momento en 2030. Aunque el efecto de los GEI en el clima es lento e imperceptible de inmediato, pero a largo plazo es El impacto en el cambio climático se vuelve alarmante e irreversible. El porcentaje de emisiones de gases de efecto invernadero de 12 países principales se muestra en la figura (fig. 5)
Es interesante observar que en la emisión de GEI los países desarrollados son los principales contribuyentes y la contribución de los países en desarrollo es solo el 15%. En tiempos post industriales, aunque aproximadamente el 75% de la población mundial vive, se está desarrollando en países del tercer mundo. Hasta hace poco, la mayoría de los gases de efecto invernadero fueron emitidos y eliminados de la troposfera por los principales ciclos biogeoquímicos de la Tierra sin interferencia de actividades humanas, pero después de la revolución industrial, especialmente desde 1950, hemos estado colocando enormes cantidades de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Existe una creciente preocupación ahora que estos GEI pueden mejorar el efecto natural del invernadero y llevar al calentamiento global del planeta.
Los posibles impactos del calentamiento global son los siguientes:
(i) Ascenso en el nivel del mar:
Debido al calentamiento global, la expansión térmica del mar, el derretimiento del glaciar de montaña, el derretimiento de la capa de hielo de Groenlandia y el derretimiento de la capa de la Antártida provocarán un aumento del nivel del mar.
(ii) Rendimiento de los cultivos:
Se espera que debido al aumento en el nivel de CO2, los rendimientos de los cultivos aumentarán, aunque otros factores podrían reducir estos efectos.
(iii) Salud humana:
En las próximas décadas, a medida que el mundo se vuelva más cálido, es probable que más personas se vean afectadas por enfermedades tropicales.
(iv) Balance de agua:
A pesar del aumento en el nivel del mar en el futuro, el mundo más cálido tendrá una crisis del agua en algunas partes, mientras que otras partes serán más húmedas que hoy. De esta manera se perturba el balance de agua. Los impactos generales se muestran a continuación (fig. 6).
Agotamiento del ozono y problema de radiación:
El gas ozono se produce en la atmósfera en pequeñas cantidades. Es un gas oloroso de color azul. En el nivel del suelo, en promedio, cada centímetro de aire contiene alrededor de 10 -19 moléculas de gases cuya concentración de ozono es de casi 0.1 ppm. Casi el 90% del ozono atmosférico se encuentra en la estratosfera. El ozono se produce y destruye constantemente en la estratosfera. Pero muchos gases traza contaminantes como NO, NO 2, CI, etc., que podrían reaccionar fácilmente con el ozono, se dirigen a la estratosfera y reaccionan con el ozono para producir oxígeno. Esto se conoce comúnmente como "Agotamiento del ozono".
Debido a este agotamiento del ozono en la estratosfera, las radiaciones ultravioletas del sol llegan fácilmente a la Tierra, ya que la capa de ozono actúa como un escudo protector. Estas radiaciones UV tienen efectos nocivos en nuestra salud, en nuestros ecosistemas, en los sistemas acuáticos y en la vegetación, etc. Según una estimación de 1969-1988, hubo un agotamiento de ozono de 3-5 a 5% en el hemisferio norte.
Comúnmente hay 3 formas principales de agotamiento de la capa de ozono en la estratosfera. Estos son:
(i) Sistema de hidrógeno
(ii) Sistema de nitrógeno y
(iii) Sistema de cloro.
(i) Sistema de Hidrógeno (sistema OH):
Este sistema destruye solo el 10% del ozono.
La reacción se ve por encima de 40 km sobre la corteza terrestre. Es como sigue :
OH también se puede formar por la oxidación de metano
(ii) Sistema de Nitrógeno (Sistema N 2 O):
El 60% de la destrucción del ozono se produce a través de este sistema. El N 2 O que se produce en los océanos y el suelo por la acción bacteriana del microorganismo se difunde hacia arriba en la estratosfera y allí reacciona con '0 ″ en presencia de luz para producir NO, que luego destruye el O 3 .
Las reacciones de este proceso son las siguientes:
(iii) Sistema de cloro (sistema CFCI 3 o CF 2 CI 2 ):
Aunque el cloro neutro destruye muy poco ozono, los clorofluorocarbonos (CFCl) y otros halocarburos son los principales destructores de ozono. Estos compuestos permanecen inertes en la troposfera pero se disocian en la estratosfera.
Las reacciones son las siguientes:
De esta manera vemos que estos procesos conducen al agotamiento del ozono en la estratosfera. A fines de la década de 1980, las mediciones de satélites y globos mostraban que la zona empobrecida en O 3 se extiende en toda la Antártida. El agotamiento se concentra principalmente entre 12 y 14 km de altitud que abarca gran parte de la estratosfera inferior en estas latitudes.
Este agujero de ozono se desarrolla cada año en el mes de agosto y septiembre. Lo que causa el agujero de ozono es una cuestión controvertida. Pero el consenso común es que una secuencia de etapas es responsable de la eficiencia del peculuar con el que el cloro destruye el ozono sobre la Antártida. El agotamiento del ozono es una causa importante de preocupación debido a su papel como filtro de la radiación ultravioleta del sol. La banda de radiación ultravioleta marcada con UV-C (2.0 x 2.9 x10 -7 nm) es eliminada por la atmósfera.
Esta banda UV-C es letal para los microorganismos y puede destruir tanto los ácidos nucleicos como las proteínas. La protección contra los rayos UV-C se debe enteramente a su absorción por el ozono. Una banda de radiación UV entre 2.9 × 10 -7 nm y 3.2 × 10 -7 es más importante que se conoce como 'radiación UV biológicamente activa o UV-B. banda. Las radiaciones UV-B tienen efectos nocivos en los seres humanos, así como en las plantas y los animales. Ahora discutiremos sobre los efectos dañinos de UV-B en seres humanos, plantas y animales y en nuestro medio ambiente con cierto detalle.
(i) Sobre la salud humana:
El efecto más dañino es que la incidencia de cáncer de piel aumenta con las radiaciones UV-B. Las dos evidencias a favor de esto son: (i) el cáncer de piel es principalmente la enfermedad de las personas de piel blanca y se sabe que el pigmento oscuro melanina es el filtro efectivo de los rayos UV-B. La segunda evidencia proviene de la epidemiología, es decir, el estudio de aquellos factores que influyen en la aparición de la enfermedad en la población humana. El melanoma, una forma particular de cáncer de piel, se reporta en muchas áreas con altas tasas de mortalidad.
Afecta a los jóvenes, aunque predominan otras formas de cáncer de piel en personas relativamente mayores. Estos cánceres son molestos, pero generalmente se tratan con éxito. La aparición de melanoma está aumentando en las últimas décadas en todas las poblaciones de piel blanca. Los estudios sugieren que el melanoma se asocia con una alta exposición a los rayos UV-B.
Según un estudio realizado por la EPA, cada disminución del 1% de la columna de ozono puede resultar en un aumento del 3% en la incidencia de cánceres de piel no melanoma. La exposición a la radiación ultravioleta biológicamente activa (UV-B) también puede tener efectos dañinos directos en el cuerpo humano, ya que estas radiaciones tienen la tendencia a suprimir el sistema inmunológico del cuerpo. Las radiaciones UV-B también causan daño a nuestros ojos.
(ii) Sobre Plantas Terrestres:
La mayoría de las plantas terrestres están adaptadas a los niveles actuales de radiación visible y se sabe poco sobre los efectos de las radiaciones UV-B mejoradas en las plantas. La mayoría de los estudios sobre los efectos del aumento de las radiaciones UV-B se centran en las plantas de cultivo y hasta el momento se han examinado más de 300 especies, de las cuales aproximadamente dos tercios muestran cierta sensibilidad a las radiaciones a través del grado de sensibilidad para diferentes especies e incluso para diferentes cultivadores. De las mismas especies varían considerablemente.
Los síntomas de sensibilidad inducen un crecimiento reducido de las plantas, hojas más pequeñas, una reducción en la eficiencia de la fotosíntesis y un rendimiento reducido de semillas y frutos. En algunos casos también se observan cambios en la composición química de las plantas, afectando su calidad alimentaria. Aunque hay pocos datos disponibles sobre el efecto de las radiaciones UV-B en la vegetación forestal, sugieren que el aumento de los niveles de UV-B también puede afectar la productividad de los bosques.
También se sugiere que la reducción del crecimiento de las plantas inducida por las radiaciones ultravioleta (UV-B) biológicamente activas podría alterar el delicado equilibrio que se encuentra en los ecosistemas naturales, por lo que la distribución y la abundancia de plantas pueden verse afectadas.
(iii) Sobre los ecosistemas marinos:
La vida en los océanos también es vulnerable a la radiación UV. Existen evidencias de que la radiación solar UV-B ambiental también es un factor limitante importante en los ecosistemas marinos, aunque no es un factor tan importante como la luz visible o la temperatura de los niveles de nutrientes. El impacto de la radiación UV-B mejorada depende de la profundidad a la que penetra. En aguas claras es más de 20 m, pero en aguas poco claras, es de solo 5 m.
Las radiaciones UV-B mejoradas han demostrado que dañan muchas especies de pequeños organismos acuáticos, zooplancton, cangrejos y camarones larvales y peces juveniles. En el fitoplancton, la reducción de la fotosíntesis se observa debido a las radiaciones UV.
(iv) Sobre el clima:
Nuestra principal preocupación está asociada con el importante papel del ozono en la temperatura atmosférica. Con la ronda creativa y destructiva del ciclo del ozono, se produce una absorción general de la radiación solar, que finalmente se libera como calor en la estratosfera. Esto calienta la estratosfera y produce una inversión de la temperatura en la tropopausa, infectar no habría estratosfera sin la capa de ozono. Por lo tanto, el agotamiento en el ozono estratosférico enfriaría esta región y cambiaría la estructura de la temperatura de la estratosfera en cierta medida.
Las radiaciones atmosféricas y el invierno nuclear:
Las partículas y los aerosoles ejercen su influencia sobre el clima al interrumpir el flujo de las radiaciones solares dentro del sistema atmosférico de la Tierra. Esta atenuación o reducción de la radiación solar causada por la presencia de partículas y aerosoles en la atmósfera es una indicación de turbidez atmosférica, una propiedad que está relacionada con el polvo o la suciedad de la atmósfera.
Cuando la radiación golpea un aerosol en la atmósfera, entonces si la partícula es ópticamente transparente que la energía radiante pasa a través de ella sin alterarse y no tiene lugar ningún cambio en el balance energético de la atmósfera. Comúnmente, la radiación se refleja, se dispersa o se absorbe y la proporción de reflexión, dispersión o absorción dependerá del tamaño, color y concentración de las partículas en la atmósfera y también de la naturaleza de la radiación. Las partículas o aerosoles, que dispersan o reflejan la radiación, aumentan el albedo de la atmósfera y reducen la cantidad de radiación solar que llega a la superficie de la tierra.
Los aerosoles o partículas que absorben la radiación tienen un efecto opuesto y aumentan la cantidad de radiación solar entrante. Cada uno de estos procesos tiene el potencial de alterar el presupuesto energético de la Tierra a través de su capacidad para cambiar el camino de la radiación a través de la atmósfera. Además de interrumpir el flujo de la radiación solar entrante, la presencia de aerosoles también tiene un efecto sobre la radiación terrestre.
La superficie de la tierra a un nivel de energía más bajo irradia energía en el extremo infrarrojo del espectro. Las partículas y los aerosoles, como el hollín, la arena y las partículas de polvo liberadas en la capa límite, absorben las radiaciones infrarrojas fácilmente, especialmente si tienen un diámetro mayor de 1.0 um y, como resultado de estas absorciones, la temperatura en la troposfera tiende a aumentar. Se liberan grandes volúmenes de partículas en el medio ambiente a través de procesos naturales como erupciones volcánicas.
La materia particulada liberada es llevada desde los sitios de origen por las presiones del viento y el aire de la circulación atmosférica hacia lugares lejanos. Las actividades humanas crean solo un 15-20% de material particulado y la principal fuente de este tipo es la guerra, por ejemplo, en la guerra del Golfo en 1991, las fuerzas iraquíes quemaron más de 600 pozos de petróleo. Estos pozos continuaron ardiendo durante muchos meses.
Durante ese tiempo se liberó una gran cantidad de humo, SO 2, CO 2, hidrocarburos no quemados y nitratos en el ambiente. La mayor parte de esta materia permaneció en la mitad inferior de la troposfera a una altura de 5 km desde la superficie de la tierra. Durante los últimos cincuenta años aproximadamente, a pesar de los acuerdos entre las superpotencias para limitar el uso de armas nucleares, estos continúan en la mayoría de los países.
La caída y las radiaciones ionizantes de estas armas están contaminando la atmósfera a un ritmo alarmante. Ahora también se agrega una nueva posibilidad de invierno nuclear en esta moderna batalla de supremacía, que es quizás el golpe final para cualquier sobreviviente de intercambio nuclear. La hipótesis del invierno nuclear se basa en el supuesto de que el humo y el polvo que se liberan en la atmósfera durante la guerra nuclear aumentarán la turbidez atmosférica en la medida en que se evitará que una alta proporción de la radiación solar entrante alcance la atmósfera inferior y la superficie terrestre. Así que la temperatura de la tierra caerá bruscamente.
Es probable que la vegetación de las regiones tropicales sufra daños significativos. Las plantas tropicales florecen en temperaturas sutiles suaves. Son susceptibles a caídas moderadas de temperatura y no pueden desarrollar resistencia al frío como lo hacen las plantas templadas. En temperaturas bajas y condiciones de poca luz del invierno nuclear, pueden desaparecer en estas regiones. Además del daño a la vegetación en el ecosistema natural, las plantas cultivadas también serán dañadas.
Tropical crops like rice, maize, banana etc. are usually damaged by temperature falling to 7-10°C for even a few days and moderate chilling would be sufficient to cause crop failure. We are already facing the problem of crop shortage which would be aggravated by nuclear winter.
In addition to these atmospheric effects of low temperatures, low light levels and violent storms, we would also face continued radioactive fallout, high levels of toxic air pollution and increase in ultraviolet radiation. All these impacts along with shortage of food and drinking water would make life highly stressful and hazardous. So to save our future and the life of coming generations it is essential that necessary steps should be taken for curbing wars and promoting the world peace not only for the sake of humanity but also to protect our environment.
Radiation and Global Warming:
Our climate system includes the atmosphere, the hydrosphere the lithosphere and the biosphere. These are all interrelated and disturbance in one affects the other. In the atmosphere CO 2 and water vapours strongly absorb infrared radiation (in the wavelength of 14000 to 25000 nm) and effectively block a large fraction of earths emitted radiations.
The radiation thus absorbed by CO 2 and water vapours ie H 2 O is partly emitted to the earth's surface causing global warming. Soot or black carbon absorbs solar radiation directly and causes 15-30% heating of earth. The International Panel On Climate Change (IPCC) in their first assessment report concluded that the earth's lower level temperature would increase on an average between 2°C to 6°C by the end of next century, which will have very disastrous consequences.
We have observed in the past century that the decade of nineties have been the warmest in the northern hemisphere. The radiation changes and volcanic activity are considered as the main cause of hot years of nineties especially 1990, 1994, 1997, and 1998. In 1998 Europe and Japan experienced the scorching heat. In London it was the driest summer in 300 years and Germany experienced the hottest summer ever.
In Japan the drought was so severe, that thousands of factories were closed there. Due to the rise in temperature the ice at poles melt much rapidly resulting in the rise in sea level. In warm climate snow and ice cover of earth tends to decrease. As snow and ice are good reflectors of incoming radiation, therefore a decrease in snow and ice will increase absorption of radiation and enhance the warming of earth. As the temperature increases soil becomes dry and dust and particulate matter easily go into the atmosphere.
IPCC claims that by 2100 AD the sea level will rise by 30-110cm if our present energy consumption pattern continues as such. The rise in sea level will have serious impacts. Many densely populated areas could be flooded, severe erosion of coastal areas could occur, intrusion of salt water in land areas would salinize many potable ground waters and over 30% of cropland would lose productivity. There is a possibility that in Indian and Pacific ocean many beautiful islands like Maldives, Marshall island, Tonga, Tavalu etc. would be wiped out. Many low lying coastal areas would be at stake.
Other effects include slowing of thermohaline circulation, depletion of ozone layer, intense hurricanes, lowering of pH of seawater and spread of infections and diseases like dengue fever, bubonic plague, viral infections and many other bacterial diseases in people. Besides there would be danger of extinction of many plant and animal species.
Global warming will cause warmer temperatures in some regions and also dryness in some areas, so there will be dislocations that would go beyond control of any modern society. No continent has been spared from adverse effects of global warming.
Some repercussions of global warming in the previous two decades are reflected in the form of following consequences:
1. The mean sea level has risen by 15 cm.
2. At Antarctica melting of ice has reduced the population of Adelie Penguins by one third in last 25 years.
3. Australia had experienced its worst drought in 2003, which was due to Elnino effect ie the warming of the equatorial Pacific Ocean.
4. New York experienced driest July in 1999 with temperature raising above 35°C for nearly 15 days.
5. In Tibet, warmest days temperatures were recorded in June 1998, in Lhasa with temperature exceeding 25°C for almost the whole month.
6. In Spain in 2006 severe drought was experienced and more than 306, 000 hactare of forests went up in flames
7. According to the United Nations Environment Programme (UNEP) reports the Arctic Permafrost is melting due to global warming and releasing carbon and methane locked in it.
8. Himalayan glaciers are receding at an alarming rate. These are origin of most of the rivers of North India. The Gangotri glacier is a major source of mighty Ganga, and tributaries of Ganga constitute the lifeline of hundreds of millions of people living in Gangetic basin. According to one report of International Commission for Snow and Ice, the Gangotri glacier is receding 20- 30 metres per year and had lost about one third of its 13 km length. Drying of this glacier means drying of Ganga which will have devastating consequences for the people of Gangetic basin.
