De los gases de efecto invernadero, el dióxido de carbono (CO2) es el más significativo. Las fuentes naturales de CO2 atmosférico incluyen la desgasificación de los volcanes, la combustión y la descomposición natural de la materia orgánica y la respiración por organismos aeróbicos (que usan oxígeno).
Estas fuentes están equilibradas, en promedio, por un conjunto de procesos físicos, químicos o biológicos, llamados «sumideros», que tienden a eliminar el CO2 de la atmósfera. Los sumideros naturales significativos incluyen vegetación terrestre, que absorbe CO2 durante el proceso de fotosíntesis.
Varios procesos oceánicos también actúan como sumideros de carbono. Uno de estos procesos, llamado «bomba de solubilidad», implica el descenso del agua de mar superficial que contiene CO2 disuelto.
Otro proceso, la «bomba biológica», implica la absorción de CO2 disuelto por la vegetación marina y el fitoplancton (pequeños organismos fotosintéticos flotantes) que viven en la parte superior del océano o por otros organismos marinos que usan CO2 para construir esqueletos y otras estructuras hechas de carbonato de calcio (CaCO3).
A medida que estos organismos expiran y caen al fondo del océano, el carbono que contienen es transportado hacia abajo y finalmente enterrado en profundidad. Un equilibrio a largo plazo entre estas fuentes naturales y sumideros conduce al nivel de fondo, o natural, de CO2 en la atmósfera.
Por el contrario, las actividades humanas aumentan los niveles de CO2 atmosférico principalmente a través de la quema de combustibles fósiles, principalmente petróleo y carbón y, en segundo lugar, gas natural, para su uso en el transporte, la calefacción y la generación de energía eléctrica, y a través de la producción de cemento.
Otras fuentes antropogénicas incluyen la quema de bosques y la tala de tierras. Las emisiones antropogénicas representan actualmente la liberación anual de aproximadamente 7 gigatoneladas (7 mil millones de toneladas) de carbono a la atmósfera.
Las emisiones antropogénicas son equivalentes a aproximadamente el 3 por ciento de las emisiones totales de CO2 de las fuentes naturales, y esta carga de carbono amplificada de las actividades humanas supera con creces la capacidad de compensación de los sumideros naturales (quizás hasta 2-3 gigatones por año).
En consecuencia, el CO2 se acumuló en la atmósfera a una tasa promedio de 1.4 ppm por año entre 1959 y 2006 y aproximadamente 2.0 ppm por año entre 2006 y 2018.
En general, esta tasa de acumulación ha sido lineal (es decir, uniforme en el tiempo). Sin embargo, ciertos sumideros actuales, como los océanos, podrían convertirse en fuentes en el futuro. Esto puede conducir a una situación en la que la concentración de CO2 atmosférico se acumula a una tasa exponencial (es decir, su tasa de aumento también está aumentando).
El nivel de fondo natural del dióxido de carbono varía en escalas temporales de millones de años debido a los lentos cambios en la desgasificación a través de la actividad volcánica.
Por ejemplo, hace aproximadamente 100 millones de años, durante el Período Cretáceo (hace 145 millones a 66 millones de años), las concentraciones de CO2 parecen haber sido varias veces más altas de lo que son hoy (quizás cerca de 2.000 ppm).
En los últimos 700.000 años, las concentraciones de CO2 han variado en un rango mucho más pequeño (entre aproximadamente 180 y 300 ppm) en asociación con los mismos efectos orbitales de la Tierra relacionados con el ir y venir de las glaciaciones del Pleistoceno.
A principios del siglo XXI, los niveles de CO2 habían alcanzado 384 ppm, que es aproximadamente un 37 por ciento por encima del nivel de fondo natural de aproximadamente 280 ppm que existía al comienzo de la Revolución Industrial.
Los niveles atmosféricos de CO2 continuaron aumentando, y en 2018 alcanzaron 410 ppm. Se cree que dichos niveles son los más altos en al menos 800.000 años según las mediciones del núcleo de hielo y pueden ser los más altos en al menos 5 millones de años según otras líneas de evidencia.
El forzamiento radiativo causado por el dióxido de carbono varía de manera aproximadamente logarítmica con la concentración de ese gas en la atmósfera. La relación logarítmica se produce como resultado de un efecto de saturación en el que se vuelve cada vez más difícil, a medida que aumentan las concentraciones de CO2, que moléculas de CO2 adicionales influyan aún más en la «ventana infrarroja» (cierta banda estrecha de longitudes de onda en la región infrarroja que no es absorbida por gases atmosféricos).
La relación logarítmica predice que el potencial de calentamiento de la superficie aumentará aproximadamente la misma cantidad por cada duplicación de la concentración de CO2.
A las tasas actuales de uso de combustibles fósiles, se espera una duplicación de las concentraciones de CO2 sobre los niveles preindustriales a mediados del siglo XXI (cuando se proyecta que las concentraciones de CO2 alcancen 560 ppm).
Una duplicación de las concentraciones de CO2 representaría un aumento de aproximadamente 4 vatios por metro cuadrado de forzamiento radiativo. Dadas las estimaciones típicas de «sensibilidad climática» en ausencia de factores de compensación, este aumento de energía conduciría a un calentamiento de 2 a 5 ° C (3.6 a 9 ° F) durante los tiempos preindustriales.
El forzamiento radiativo total por las emisiones antropogénicas de CO2 desde el comienzo de la era industrial es de aproximadamente 1,66 vatios por metro cuadrado.
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