¿Qué es la retroalimentación del gradiente vertical de temperatura?

Radiación más energética y menos energética

El gradiente de temperatura vertical es la tasa de cambio de la temperatura con la altura, es decir, cuanto cambia la temperatura a medida que nos elevamos en altitud. Por lo general, a mayor altitud, la temperatura es menor. En otras palabras, la temperatura del aire disminuye con el aumento de la altitud y en este caso decimos que el gradiente de temperatura es positivo (cuando hay inversión térmica el gradiente es negativo). El gradiente de temperatura es importante en el planeta porque define la magnitud del efecto invernadero. El efecto invernadero se refiere al efecto de ciertos gases atmosféricos que absorben radiación de onda larga y reemiten esta radiación de onda larga, devolviendo parte de esta radiación a la superficie. Los gases de efecto invernadero también reemiten al espacio parte de la radiación que absorbieron, fenómeno que contribuye a enfriar a la atmósfera. La radiación que reemiten los gases de efecto invernadero puede ser más energética o menos energética. La radiación será más energética cuando la temperatura de la atmósfera donde están los gases es mayor y será menos energética cuando la temperatura de la atmósfera es menor. Como la temperatura varía con la altitud, los gases que están en el tope de la atmósfera emiten radiación menos energética pues a mayor altitud la temperatura es menor. Por su parte, los gases que están a menor altitud emiten radiación más energética pues a menor altitud la temperatura de la atmósfera es mayor. Los gases que están en la parte más alta de la atmósfera emiten radiación que es más probable que salga al espacio debido a que en la parte alta de la atmósfera hay menos masa y por lo tanto la radiación tiene menos obstáculos para salir. Los gases que están más cerca de la superficie emiten radiación que es más probable que regrese a la superficie pues para llegar a salir al espacio deben recorrer un camino más largo donde hay mucha más masa. En resumen, la energía que se emite desde la parte alta de la atmósfera depende de la temperatura que tiene la atmósfera y si por algún motivo disminuye la temperatura o aumenta la temperatura de la parte de la atmósfera, esto tendrá un efecto en cuan energética es la radiación que esta saliendo. Si la radiación que sale es más energética, el planeta se enfría mas. Si la radiación que sale desde la parte alta es menos energética, el planeta se enfría menos.

Las emisiones humanas

Resulta que el actual cambio climático se produce porque los gases que emiten radiación al espacio comenzaron poco a poco a emitir radiación menos energética al espacio ¿porqué? Pues bien, para entender esto debemos hacernos una imagen mental de lo que está ocurriendo con las emisiones de CO2 y otros gases a la tropósfera (la capa más baja de la atmósfera). Cuando los seres humanos emitimos gases a la atmósfera estamos inyectando masa a la tropósfera. Estamos "rellenando" la tropósfera con CO2, CH4, N2O y otros gases y de esta forma estamos haciendo que a mayor altitud hayan más gases de efecto invernadero. De forma muy simple y solo para ejemplificar, si antes habían 100 moléculas de CO2 a 7000 metros de altitud y 50 molécula de CO2 a 8000 metros de altitud, ahora hay 200 moléculas de CO2 a 7000 metros y 100 moléculas de CO2 a 8000 metros de altitud. Esto tiene profundas implicaciones en cuan energética es la radiación que sale al espacio desde la Tierra. Antes, cuando habían 100 moléculas de CO2 a 7000 metros y 50 moléculas de CO2 a 8000 metros, era más probable que la radiación que era emitida por el CO2 a 7000 metros lograse salir al espacio porque a mayor altitud había menos moléculas y por lo tanto la radiación tenía menos obstáculos para salir. En el escenario actual, con más CO2 en la tropósfera, la radiación que es emitida a 7000 metros tiene que cruzar una atmósfera con más masa, con mas moléculas. A 8000 metros la radiación ya no se encontrará con 50 moléculas de CO2. Ahora se encontrará con 100 moléculas y por lo tanto es más probable que esa radiación no logre salir y por lo tanto sea devuelta a la superficie. En resumen, si antes la radiación emitida a 7000 metros tenía un camino más despejado para salir, es decir, tenía mas probabilidad de salir al espacio, con las emisiones humanas, tiene menos probabilidad de salir. 

La altura de emisión

Preguntémonos ¿Qué radiación tiene más probabilidad de salir ahora cuando la atmósfera tiene más más CO2 a mayor altitud?. La respuesta es obvia, la radiación que es emitida a mayor altitud. ¿porqué? Muy simple también la respuesta. Una radiación que es emitida a mayor altitud tiene más probabilidad de salir porque tiene menos obstáculos que atravesar durante su viaje para alcanzar el espacio. En nuestro ejemplo, si antes, de las 100 moléculas que estaban a 7000 metros, 50 lograban que su radiación lograra salir, después, con las emisiones humanas, solo 25 moléculas logran que su radiación emitida alcance el espacio. Ahora, ya no son las moléculas que están a 7000 metros las que emiten la radiación que sale al espacio, ahora son las moléculas que están a 8000 metros las que emiten la radiación que sale al espacio por que sobre ellas hay menos menos CO2, menos obstáculos para que esa radiación logre salir del planeta. Y si ha seguido la lectura con atención, recordará que a mayor altitud, la temperatura es menor y que la radiación emitida depende de la temperatura. Si la temperatura es menor, la radiación es menos energética y si la temperatura es mayor, la radiación emitida es mas energética. Las emisiones de CO2 de las actividad humanas provocaron que las moléculas que emiten radiación al espacio estén ubicadas a mayor altitud, y con esto la radiación emitida sea menos energética y al ser menos energética, contribuyen menos a enfriar el planeta. Esto es el cambio de magnitud del efecto invernadero, el cambio de la altura (promedio) de los gases que emiten la radiación de onda larga al espacio.

Debilitamiento del efecto invernadero

Pues bien, existe una retroalimentación asociada a este fenómeno y que se denomina retroalimentación del gradiente vertical de temperatura. Los modelos climáticos muestran que el actual cambio climático producirá una disminución del gradiente vertical de temperatura. En otras palabras, el calentamiento global producirá que la diferencia de temperatura entre las partes altas de la tropósfera y las partes bajas de la tropósfera se reduzca y con esto las moléculas que emiten radiación al espacio estarán en una atmósfera con mayor temperatura, y por lo tanto, emitirán radiación más energética que contribuirá a enfriar el planeta. Es decir, un calentamiento tiene como resultado una señal de enfriamiento. Esto es una retroalimentación negativa. Ahora bien, contribuirá a frenar el actual cambio climático este feedback. La respuesta es negativa. Si bien este feedback o retroalimentación ayuda a enfriar el planeta, no tiene la magnitud suficiente para amortiguar el calentamiento del planeta. Para empezar, hay regiones en donde la retroalimentación podría ser positiva, por ejemplo, en los polos. En estas regiones, el calentamiento es mucho más rápido en superficie que en altura, y por lo tanto, la radiación que emitan las moléculas en la parte baja de la atmósfera será más energética. Esta radiación tendrá pocas probabilidades de salir y más probabilidad de regresar a la superficie, contribuyendo al calentamiento. Junto con lo anterior, el sistema climático tiene muchas retroalimentaciones, algunas positivas y otras negativas y por tanto el balance energético del planeta depende de como se conjugan todas estas retroalimentaciones. Por tanto, si bien la retroalimentación del gradiente vertical de temperatura podría contribuir a enfriar el planeta en algunas regiones, su contribución puede quedar amortiguada por otras retroalimentación positivas con efectos de igual o mayor magnitud. 

La explicación del gradiente vertical de temperatura, su relación con el efecto invernadero y la retroalimentación no fue incorporada en el libro debido a que consideré que requería muchas líneas de explicación y a que su ausencia no generaba ningún problema de comprensión del resto del libro. De todas formas quería publicar esta explicación porque no toda la gente maneja el verdadero funcionamiento del efecto invernadero.