El aumento constatado del CO2 atmosférico no se corresponde con el cálculo establecido para las emisiones antropogénicas
| Autor | Astrid Zwick |
| Cargo | IPTS |
Asunto: Desde el comienzo del proceso de industrialización, el contenido de CO2 en la atmósfera ha aumentado más de un 30%. Sin embargo, el CO2 atmosférico está creciendo 2-3 veces más despacio que las emisiones antropogénicas totales. La razón de esta diferencia aún no se conoce y por tanto se hace necesario cuantificar mejor el ciclo global del carbono.
Relevancia: Los participantes en la Convención de las Naciones Unidas sobre el Clima (UNFCC) discuten actualmente la cuestión de QELRO (Límites de Emisión Cuantificados y Objetivos de Reducción). Los escenarios futuros de reducción de las emisiones dependen completamente del modo de calcular el balance de carbono. Como el balance de carbono incluye muchas cuestiones aún sin resolver, se requieren más datos empíricos sobre el ciclo global del carbono y los procesos biogeoquímicos relacionados, con el fin de perfeccionar la cuantificación de los parámetros relacionados con el clima, tales como los niveles de CO2, y así aumentar la fiabilidad de las decisiones futuras.
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Introducción
En artículos anteriores del IPTS Report sobre el tema del CO2 y la investigación del cambio climático se destaca la cuestión de cómo actuar en el contexto de la incertidumbre. El primer artículo presentaba las razones por las que es hora de actuar. El consumo creciente de energía y el agotamiento de nuestras fuentes fósiles de energía, han hecho ya tomar conciencia a los responsables de la política de las limitaciones de nuestro suministro de energía, proporcionándoles argumentos sólidos para pasar a la acción. Teniendo en cuenta que las nuevas tecnologías necesitan bastante tiempo para su puesta en marcha, conviene decidir, sin dilación, el desarrollo de tecnologías económicamente beneficiosas y sin efectos nocivos para el medio ambiente, para que estén listas a tiempo para ser efectivas. El riesgo real de daños costosos causados por el cambio climático es un incentivo más para tomar medidas de precaución. Los hechos mencionados subrayan la necesidad de tomar en serio el tema del CO2.
En el segundo artículo se presentaban las principales cuestiones e incertidumbres en la investigación del clima, haciendo hincapié en cómo integrar las incertidumbres en la toma de decisiones. El artículo sugería que, dada la gravedad del tema, la posible incertidumbre científica no debería excluir la toma de medidas políticas. Por el contrario, información nueva, que se podría obtener reforzando la investigación, ayudará a los responsables de la política en la toma de decisiones. Naturalmente, estas decisiones deben ser lo bastante flexibles para poder incorporar la información obtenida de la investigación y adaptarla al nuevo estado del conocimiento. En conclusión, un desarrollo prudente de la acción a tomar, cuando se trata del cambio climático, implicaría una política de regulación gradual bien diseñada. Esta política podría ser positiva desde el punto de vista económico, beneficiosa para el medio ambiente y, a la vez, incluir medidas de mitigación, adaptación y mejora del conocimiento.
La naturaleza problemática del balance global del carbono significa que el CO2 del efecto invernadero es un punto crucial en el debate sobre el clima. Este trabajo examina el estado de la investigación sobre el ciclo del carbono y pretende explicar por qué la aclaración rápida de este tema es esencial, dirigiendo la atención a aspectos de la investigación aún no resueltos.
¿Por qué es tan importante un conocimiento exacto del balance de carbono?
El dióxido de carbono es el más importante de los gases de efecto invernadero sobre los que influyen las actividades humanas. Predeciblemente, la concentración creciente de dióxido de carbono en la atmósfera ejercerá un efecto de calentamiento debido a su absorción infrarroja. La concentración de CO2 en la atmósfera está determinada por las emisiones derivadas del empleo de combustibles fósiles y del uso de la tierra, así como por la absorción y liberación de CO2 por parte de los océanos, la vegetación y los suelos. Generalmente, el exceso de CO2 antropogénico es transportado al océano y a la biosfera por los mismos procesos que el CO2 natural, y el hecho de que estos procesos de intercambio no sean lineales significa que la absorción del exceso de CO2 antropogénico no es proporcional a los flujos naturales de intercambio.
Las estimaciones de los parámetros del balance de carbono varían como consecuencia de diferencias en la localización y el momento de las mediciones, y originan más confusión que clarificación. El perfeccionamiento de las técnicas de medición ha contribuido a la detección de otros depósitos y fuentes de carbono, lo que exige una revisión de las estimaciones previas.
Una comprensión más completa del balance de carbono podría afectar a las expectativas sobre la proporción de emisiones de carbono futuras que se acumularán en la atmósfera. Un plan de reducción de la emisión de CO2 realista y razonable, necesita basarse en un cálculo científico fiable de los flujos de carbono entre los diferentes depósitos, por lo que parece imperativo centrar los esfuerzos de la investigación en este punto con el fin de definir los objetivos de reducción. El esclarecimiento del fundamento científico es un requisito previo para una cuantificación adecuada de la limitación de la emisión y de los objetivos de reducción.
¿Por qué es tan difícil calcular el balance del ciclo del carbono?
Según estimaciones recientes, las emisiones de carbono actuales procedentes del empleo de combustibles fósiles y del uso de la tierra suponen globalmente alrededor de 7 gigatoneladas al año (GTm/año). Los principales contribuyentes a las emisiones se distribuyen entre los sectores del transporte, generación de energía eléctrica, deforestación, la industria en general y el sector residencial, siendo los tres primeros las fuentes principales de emisiones (IEA, 1995).
La demanda de energía experimentará, sin duda, un enorme aumento (IPCC,1996), ya que se espera que la población mundial crezca de 5,3 miles de millones en 1990 a 9,5 miles de millones en el 2050 y hasta 10,5 miles de millones en el 2100. Las previsiones establecen que para el 2010 las emisiones globales anuales tendrán un incremento de un 50% en relación con 1990, y en el año 2010 las emisiones de los países en desarrollo sobrepasarán el nivel establecido por la OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico) (IEA/OCDE, 1995) (Fig. 1). El estudio de la IEA (Agencia Internacional de la Energía) sugiere que, a menos que se produzcan cambios significativos en los mercados energéticos, las fuentes principales de energía se basarán aún en los combustibles fósiles hasta bien entrado el siglo XXI. Esta perspectiva aumenta la preocupación por las emisiones de CO2.
El CO2 proporciona la mayor parte (aproximadamente el 60%) de la contribución al efecto invernadero por aporte antropogénico. Si las emisiones antropogénicas globales netas se mantienen en el nivel actual de aproximadamente 7GTm/año (incluyendo las emisiones por empleo de combustibles fósiles, la producción de cemento y los cambios en el uso de la tierra), se alcanzará un valor de 510 partes por millón en volumen (ppmv) al final del siglo XXI - casi el doble de la concentración pre-industrial de 280 ppmv - originando un aumento de la temperatura de unos 2ºC, ya que aproximadamente el 50% (3,4 GTm/año) del total de las 7 GTm/año permanece en la atmósfera (IPCC,1992). Esta cifra corresponde aproximadamente al incremento anual de la concentración de CO2 en la atmósfera de cerca de 1,5 partes por millón en volumen (ppmv) observada para el período 1980-1989.
Figura 1: Emisión mundial de carbono por regiones, mostrando el peso creciente de los países en desarrollo
Leyenda: RM = Resto del mundo; AUS = Antigua Unión Soviética; ECO = Europa Central y Oriental.
Fuente: IEA, 1995.
¿Dónde está el cuello de botella en la cuantificación del ciclo del carbono?
A pesar de los niveles cada vez mayores de CO2 atmosférico, la tasa de crecimiento atmosférico no corresponde exactamente a las emisiones antropogénicas (Fig. 2). Por el contrario, la tasa de crecimiento atmosférico es 2-3 veces menor que la tasa de aumento de la suma de las emisiones de CO2 (Joos & Sarmiento,1995). Las masas de aire se mezclan en la troposfera, en la misma latitud, en unas 2-3 semanas. En un hemisferio, la mezcla dura algunos meses y entre hemisferios se realiza en un año, mientras que el intercambio entre la troposfera y la estratosfera necesita de 2 a 3 años. En los niveles más altos de la estratosfera, la operación de mezcla puede durar hasta 10 años, debido al intercambio convectivo vertical más lento de las masas de aire. En general, se puede deducir que los tiempos de mezclado, relativamente rápidos dentro de la atmósfera, excluyen un tiempo de respuesta significativamente retardado para los niveles de concentración del CO2 atmosférico, así que debe haber otra explicación de las diferencias en las tasas de incremento.
Figura 2: Incremento de las emisiones totales de CO2 antropogénico (emisiones procedentes del empleo de combustibles fósiles y del uso de la tierra) comparado con el incremento de la concentración del carbono atmosférico (GTm/año).
Fuente: Joos y Sarmiento, 1995.
El incremento no lineal de las emisiones y de la concentración atmosférica de CO2 también puede hacer necesario variar los supuestos sobre los límites de reducción. En los últimos años, se ha observado que la capacidad de captura de los depósitos de carbono ha aumentado, provocando un desequilibrio en el cálculo del carbono total. El carbono restante es captado por los océanos y por la biosfera terrestre (vegetales y suelo) (Tabla 1).
El cálculo del CO2 marino se ha realizado en parte a partir de mediciones y en parte a partir de modelos. Se estima que los océanos captan 2,0 GTm/año. La solubilidad del CO2, la tasa de transferencia del gas a través de la superficie del mar y el transporte de carbono por los mares están regidos por patrones de circulación y otros factores físico-químicos. En estos efectos se superponen dos procesos básicos: la fijación de carbono de la fotosíntesis y la liberación de CO2 de la respiración, que rara vez dejan la superficie marina en equilibrio con el CO2 atmosférico (Chen, 1992).
Una mayor concentración de CO2 en la atmósfera desequilibra el gradiente entre el CO2 del aire y el de la superficie del agua del mar (infrasaturada), lo que da lugar a un mayor flujo de CO2 hacia las aguas superficiales (en las zonas en las que se produce un desplazamiento de las aguas profundas ricas en CO2 hacia la superficie, esta agua entra en contacto con una atmósfera que tiene una mayor concentración de CO2 y, por lo tanto, la liberación del gas se reduce). Estos procesos se traducen en que las aguas superficiales captan mayor cantidad de CO2 que en las épocas preindustriales. No obstante, estos procesos son bastante lentos (el tiempo hasta llegar al equilibrio es aproximadamente de 1 año), por lo que es probable que se produzcan alteraciones debidas a los cambios estacionales, de forma que no se llegue a conseguir el equilibrio total.
La solubilidad del CO2 en agua depende de la temperatura, siendo mayor en agua fría, por lo que es posible que este proceso se vea afectado por el calentamiento global. El proceso químico de disolución del CO2 en la superficie del agua sólo permite el contacto con la atmósfera a una pequeña parte de las reservas existentes en los océanos.
El proceso físico producido por la circulación en los mares, con una tasa de recambio de varios cientos o miles de años, es el que determina la tasa final de captura de los océanos. La mezcla de aguas superficiales con aguas profundas se realiza muy lentamente, pero existen mecanismos como la Circulación Termohalínica del Atlántico Norte (THC) que posibilitan el transporte de las aguas superficiales hacia el fondo del mar. La llegada de las estaciones frías y la formación de hielo en el mar reducen la temperatura de la superficie del agua y aumentan la salinidad, por lo que se originan movimientos periódicos de masas de esta agua densa a profundidades mayores, iniciando así un movimiento de traslación de la circulación oceánica interregional. Por tanto, la THC es sensible a variaciones de temperatura y salinidad. Los cambios climáticos que se produzcan en el futuro es posible que alteren su capacidad para captar carbono y, por tanto, constituyen un importante tema para seguir investigando.
El proceso biológico está regulado por la absorción de CO2 por parte de los organismos a partir del carbono inorgánico disuelto en las aguas superficiales o, en parte, directamente de la atmósfera. El CO2 captado lo incorporan a sus tejidos orgánicos y a las conchas de carbonato. Este proceso de transformación reduce la concentración de CO2 en la superficie e incrementa el flujo desde la atmósfera. La materia particulada permanece circulando o se deposita a mayor profundidad, proceso conocido como "bomba biológica". Se asume que es improbable que se produzca una aceleración en la producción provocada por mayores concentraciones de CO2, como la observada en las plantas terrestres, dado que en las aguas marinas superficiales el carbono no es tan limitado como los nutrientes (nitrato, fosfato) y la luz. Deben tenerse en cuenta los cambios regionales en la productividad marina, como mecanismo secundario de retroalimentación debido a condiciones variables de temperatura y luz, y también pueden producir diferencias en el cálculo del carbono marino (Gaudry et al., 1987). Este hecho es muy posible en el caso del fenómeno El Niño/Southern Oscillation, que suele coincidir con períodos de gran aumento del CO2 atmosférico.
Tabla 1: Valores anuales medios del carbono en el período 1980-1989.
(1) Empleo de combustibles fósiles
y producción de cemento
(2) Cambios en el uso de la tierra en los trópicos
5.5 +0.5
1.6 +1.0
+ 9
+63
CO2
(3) Atmósfera
(4) Océanos
(5) Bosques boreales
3.3 +0.2
2.0 +0.8
0.5 +0.5
+ 6
+ 40
+100
= [(1) + (2)] - [(3) + (4) + (5)]
Fuente: (IPCC, 1996; Joos, 1995).
Los bosques boreales también absorben CO2 a una velocidad de 0,5 GTm/año. El resto, alrededor de 1,3 GTm/año, se supone que es captado por otros procesos de la biosfera terrestre. Los vegetales terrestres, por ejemplo, consumen unas doce veces las emisiones mundiales de combustibles fósiles al año. Desgraciadamente, la biosfera también emite aproximadamente la misma cantidad de CO2 a partir de la respiración y la descomposición de las plantas. Por todo ello, las plantas terrestres son un componente crítico del ciclo global del carbono.
Se cree que en el aumento de la captura de carbono por parte de la biosfera terrestre intervienen varios factores. Se ha admitido un efecto de la fertilización debido a un mayor nivel de CO2 atmosférico y a la fertilización por el nitrógeno procedente de las emisiones industriales. Este efecto de la fertilización se observó en experimentos a pequeña escala y probablemente es aplicable a los bosques templados del hemisferio norte, que posiblemente secuestran parte del exceso de CO2. Para los bosques de tipo septentrional, principalmente se simularon aumentos en la productividad forestal, mientras que los bosques de tipo meridional pueden mostrar pequeños aumentos o disminuciones en la productividad. La importancia de la capacidad para captar CO2 por parte de los biotas terrestres de las regiones templadas del norte fue repetidamente destacada a partir de las mediciones tomadas durante el período 1991-1994 (Keeling et al., 1996). Estas medidas confirmaron las estimaciones de CO2 total realizadas recientemente por el IPCC. Sus investigaciones resultan interesantes porque podrían sugerir que la importancia neta de los bosques tropicales como fuente o depósito de carbono sería menor. La reforestación constituye otra forma potencial de captar carbono ya que se supone que las plantas jóvenes secuestran más carbono que los bosques maduros (Marland y Marland, 1992).
La transferencia de carbono también se ve influida por otros factores externos como las condiciones atmosféricas, la actividad volcánica, la interacción de los niveles de ozono con los niveles de CO2, las tasas de precipitaciones (Ham et al., 1995), la duración de la época de crecimiento (Goulden et al., 1996) así como los cambios estacionales en el uso de combustibles de origen fósil. Entre las diferencias en la sensibilidad de las especies ante niveles alterados de CO2 en la biosfera, los factores genéticos que determinan la sensibilidad de cada planta al estrés o su capacidad para captar carbono (plantas C3/C4) y la actividad biogénica local (que varía unos 3 ppmv en el ciclo anual) (Levin, 1987) son factores que dificultan la estimación del balance del carbono y también se deben tener en cuenta.
La evaluación de los diferentes factores implicados en la parte terrestre del ciclo del carbono revela muy bien la ambivalencia y la naturaleza temporal de estos mecanismos. Por ejemplo, mientras que los suelos de los bosques tienen la capacidad de actuar como depósito neto del CO2 de origen antropogénico, la respiración de los suelos es particularmente sensible a los cambios de temperatura y pudiera, al menos parcialmente, compensar el mayor almacenamiento de carbono en el futuro (Bird, 1996). Además, la captura de carbono por parte de los vegetales terrestres constituye, por supuesto, un almacenamiento transitorio que depende de la duración de la captura del carbono y de su tasa de recambio.
Las oscilaciones en el balance del carbono son de naturaleza tanto temporal como espacial. Las variaciones interanuales de CO2 se deben parcialmente a cambios climáticos de origen natural. Se ha estimado que la media hemisférica de las oscilaciones diarias, por ejemplo, en verano, es de unas 3 ppmv para la actividad biogénica de las plantas terrestres (Przybylak, 1992). Este efecto es mayor a escala local. En las zonas cercanas a bosques extensos de las latitudes medias, la variación estacional debida a los ciclos de crecimiento puede llegar a ser de unas 30 ppmv y más (Goulden et al., 1996). Las diferentes zonas de vegetación y, por supuesto, las emisiones procedentes de los diferentes países contribuyen a las variaciones regionales del total de CO2.
¿Cómo se puede afrontar el problema del balance del carbono en el futuro?
Los flujos de carbono están gobernados por relaciones complejas y respuestas en las que se interrelacionan multitud de mecanismos a lo largo del tiempo y del espacio. Este sistema de enlaces requiere ser investigado de forma que los valores del carbono se estudien a escala de campo y de ecosistema durante largos períodos de tiempo, a la vez que se examinan los mecanismos específicos que regulan los flujos a escalas más pequeñas. Es importantísimo establecer de qué forma se secuestra el CO2 (por ejemplo, reforestación, fertilización) y dónde se almacena (por ejemplo, troncos de árboles, suelos, sedimentos marinos). Se debe prestar especial atención a las diferentes escalas temporales implicadas en la captura y recambio del carbono en los ecosistemas terrestres. Debe aclararse el tema de la emisión de carbono debida a la deforestación, dado que los recientes datos sobre el uso de la tierra en los trópicos, enviados por vía satélite, muestran cifras diferentes a los datos estadísticos obtenidos con anterioridad. También debe tenerse en cuenta que una productividad intensificada de las plantas terrestres puede saturar la capacidad de captura de carbono.
La capacidad de los mares para captar el CO2 es obviamente enorme, pero los mecanismos que intervienen no están completamente explicados. Por eso es importante comprender los procesos que regulan la captura marina o la liberación de carbono. Entre éstos, fenómenos como El Niño y la Circulación Termohalínica del Atlántico Norte pueden contribuir a la detección de los mecanismos que subyacen en el flujo de CO2 entre los mares y la atmósfera y que son de especial interés para el cambio climático.
Paralelamente a los esfuerzos de investigación y de acuerdo con una política moderada de cambio climático, se podría explorar la oportunidad de aumentar el almacenamiento de carbono por encima de la línea basal esperada. Se considera que es posible y se ha investigado en estudios que muestran que las emisiones de CO2 se pueden compensar efectivamente mediante el secuestro adicional de carbono en varias etapas del ciclo vital de crecimiento, explotación, uso y eliminación de la madera. Las actuaciones típicas para compensar las emisiones de carbono incluirían la plantación de árboles en terrenos agrícolas marginales, el desarrollo de masas forestales en bosques utilizados actualmente para producción maderera, el mayor uso de la madera como combustible en lugar de los combustibles fósiles y la mejor utilización de la madera. Estas medidas son las alternativas más prometedoras para reducir los niveles atmosféricos de CO2. Se ha comprobado que el transporte de CO2 hacia el interior de las aguas marinas profundas es más caro y requiere más energía que el secuestro de carbono por la biomasa terrestre. La posibilidad de ocasionar daños ecológicos debidos al almacenamiento de carbono en los mares es muy elevada, lo que reduce todavía más el atractivo de su posible aplicación.
La forma de calcular el balance del carbono afecta enormemente a las futuras hipótesis de reducción. Las discusiones sobre la nueva cuantificación de límites de emisión llevadas a cabo por los participantes en la UNFCC (Convención de las Naciones Unidas sobre el Clima) con el fin de definir esfuerzos globales para reducir las emisiones de CO2 todavía no han llegado a la fase de negociación debido a las cuestiones no resueltas. Es necesario realizar más esfuerzo en investigación en términos de vigilancia de las fuentes y depósitos de CO2, tales como la investigación comenzada en el proyecto de la Comisión Europea sobre gases de efecto invernadero. La mejora de la gestión forestal, como ya se ha mencionado, podría ser también una de las medidas beneficiosas adecuadas, y con frecuencia se propone como política activa, aunque moderada, de cambio climático. Junto con un marco flexible de toma de decisiones, como se discutió en un artículo anterior, el flujo de información obtenida a través de una constante observación puede proporcionar un mejor conocimiento. La nueva información puede contribuir a las decisiones políticas, de acuerdo con una respuesta activa y un ajuste flexible para afrontar el cambio climático.
