¿Alguien puede explicar la VERDADERA razón por la cual el CO22_2 aumenta las temperaturas globales (no la analogía simplista del invernadero proporcionada para el consumo público)?

Por lo tanto, el proceso de absorción de infrarrojos ya está completamente saturado y, por lo tanto, los aumentos adicionales en el CO2 atmosférico no conducirán a ninguna absorción adicional.

1. No existe tal cosa como un proceso de absorción completamente saturado del$\mathrm{CO}_2$línea.

Dejar$I_{\nu}(\nu)$sea ​​la distribución espectral de la emisión del infrarrojo cercano que un observador mediría después de cruzar una capa de la atmósfera.

Si una intensidad específica$I_{\nu, 0}$es emitida por el suelo a una frecuencia$\nu = \nu_0$, la transmisión de la línea molecular se describe mediante la ecuación de transferencia radiativa:

$I_{\nu}(\nu) = I_{\nu, 0}(\nu) \left( 1 - \mathrm{exp}(-\tau(\nu)) \right)$

Dónde$\tau(\nu)$es la profundidad óptica asociada a la capa de gas, dependiendo tanto de la cantidad de absorbentes a lo largo de la línea de visión (en nuestro caso$\mathrm{CO_2}$moléculas) y la frecuencia. La dependencia de la frecuencia de la opacidad de la línea se puede escribir de la siguiente manera:

$\tau(\nu) = \tau_0 \mathrm{exp} (-(\nu - \nu_0)^2 / 2\sigma^2)$

Dónde$\tau_0$es la opacidad central (en$\nu = \nu_0$), directamente relacionado con la densidad de columna de$\mathrm{CO_2}$($\tau_0 \propto N_{\mathrm{CO_2}}$[$\mathrm{cm^{-2}}$]),$\nu_0$es la frecuencia central de la línea de absorción y$\sigma$es la velocidad de dispersión intrínseca del gas. Esta distribución gaussiana de la opacidad de la línea es válida para un gas con una distribución de velocidad maxwelliana intrínseca. (Para más información, ver Efectos Doppler en la línea de emisión de moléculas )

En la figura de abajo produje la distribución espectral de la cantidad$\left( 1-I_{\nu}(\nu) \right) / I_{\nu, 0}$para representar la cantidad de radiación que puede ser absorbida por una capa de atmósfera. El único parámetro que varía entre las diferentes curvas es$\tau_0$, la opacidad en$\nu = \nu_0$.

Podemos distinguir claramente dos regímenes:

• Régimen ópticamente delgado ($\tau_0 \ll 1$) ( no saturado ): estas son las curvas rojas obtenidas con$\tau_0 = 0.1, 0.25, 0.5$. En este régimen la cantidad de radiación absorbida por$\mathrm{CO_2}$crece linealmente con$\tau_0$, es decir, con la densidad de columna de$\mathrm{CO_2}$.

• Régimen ópticamente grueso ($\tau_0 \gg 1$) ( saturada ): estas son las curvas negras obtenidas con$\tau_0 = 10, 30$. Como puede ver, la absorción se satura efectivamente en el centro de la línea (en$\nu = \nu_0$) pero el ensanchamiento de la opacidad de las alas de la línea permite que la cantidad de radiación absorbida crezca de forma no lineal.

(Nota: esto se debe a que estamos poblando las alas de alta velocidad de la distribución de velocidad maxwelliana de$\mathrm{CO_2}$moléculas dentro de la atmósfera. En efecto, la mejora de$\mathrm{CO_2}$la densidad de la columna proporciona un número proporcionalmente mayor de moléculas a las que se les permite tener desviaciones de alta velocidad, por lo que tienen una fuerte emisión con desplazamiento Doppler. Los fotones emitidos en$\nu = \nu_0 + \Delta \nu_{\mathrm{Doppler}}$por estos de alta velocidad$\mathrm{CO_2}$moléculas se propagan en un medio ópticamente delgado, porque$\tau(\nu = \nu_0 + \Delta \nu_{\mathrm{Doppler}}) \ll \tau(\nu)$.)

Si sumamos el área bajo las diferentes curvas de la figura anterior, obtenemos la siguiente relación entre la cantidad de absorción y la opacidad del centro de la línea$\tau_0$:

Los marcadores negros corresponden al área de cada perfil de línea en la primera figura. Como puede ver, en el régimen saturado, una mejora de la densidad de la columna (lo que conduce a una mejora de$\tau_0$) aumenta el área, es decir, la cantidad de radiación infrarroja cercana absorbida por la capa de la atmósfera. La única diferencia entre los regímenes ópticamente delgados y saturados es la velocidad a la que se produce la mejora (lineal frente a logarítmica). De hecho, la pendiente es mucho menor en el régimen saturado, lo cual es una gran suerte para nosotros .

Sin embargo, esta explicación no es técnicamente correcta, ya que con las concentraciones actuales de CO2 en la atmósfera, solo un kilómetro de atmósfera es suficiente para absorber completamente toda la radiación infrarroja emitida por la Tierra, en las longitudes de onda en las que absorbe el CO2.

2. Creo que hay un malentendido de cómo funciona el efecto invernadero aquí.

No podemos razonar sobre una sola capa de atmósfera de un ancho dado a una altitud dada. Se debe tener en cuenta el balance de calor de toda la atmósfera. Ese 1 km de atmósfera que absorbe por completo toda la radiación infrarroja emitida por la Tierra de la que hablas, no solo está absorbiendo el corazón, sino que también la pierde. Toda la energía que es absorbida en algún punto por el medio es reemitida vía pérdidas radiativas, en ambas direcciones (hacia la Tierra y hacia las capas superiores de la atmósfera donde es transferida). Si la troposfera inferior está saturada de$\mathrm{CO_2}$como afirmas, no es necesariamente el caso de la troposfera superior, que está continuamente intercambiando calor con esta última. Lo que gobierna el balance de energía en la atmósfera es en realidad el balance radiativo en la troposfera superior, donde las pérdidas radiativas se emiten hacia el espacio donde pueden escapar. yo diria que el$\mathrm{CO_2}$la concentración es mucho más decisiva allí que en la troposfera inferior.

^{Para una presentación detallada del proceso de ampliación de la opacidad en un marco astrofísico, consulte la sección 2 de este documento https://arxiv.org/pdf/1603.08521.pdf . Este es un artículo sobre la ampliación de la opacidad de la línea de CO en las nubes moleculares, pero la física es la misma.}

^{Ver también http://www.pas.rochester.edu/~ebubar/CurvesOfGrowth.pdf para una presentación de la curva de crecimiento en el marco de las atmósferas estelares.}

La temperatura de la Tierra está determinada por el balance de energía: la Tierra debe estar lo suficientemente caliente para que la energía saliente equilibre la energía entrante del sol. Si la Tierra se comporta como un cuerpo negro con albedo$\alpha$, entonces la temperatura de la Tierra está dada por

Esto se debe a que el efecto invernadero (en una atmósfera ópticamente espesa como la nuestra) es causado por la estructura vertical de la atmósfera.

A medida que ascendemos a través de la atmósfera, la atmósfera se vuelve cada vez menos densa. Cuanto menos densa es la capa de la atmósfera, más radiación emitida desde esa capa llega al espacio. Desde la superficie, esencialmente ninguna radiación llega al espacio, pero esto es menos cierto más arriba. Podemos considerar una 'capa radiante efectiva' (esto corresponde aproximadamente a la estratosfera) en la que toda la radiación que llega al espacio proviene de esta capa. Como resultado, esta capa tiene una temperatura$255\mathrm{K}$.

El segundo hecho sobre la estructura vertical que necesitamos es la tasa de caída . Esto le dice qué tan rápido baja la temperatura con la altura. Es uno de los primeros cálculos que haces en una clase de termodinámica atmosférica y resulta que para una atmósfera seca

Ahora combinando estos hechos, si es$255\mathrm{K}$alto en la atmósfera, debe ser más caliente en la superficie: este es el efecto invernadero. Si ahora tiras un montón de$\mathrm{CO_2}$en la atmósfera, hace que la atmósfera sea más densa y eleva el nivel de radiación efectivo, pero la tasa de variación no cambia , ¡por lo que la Tierra debe estar correspondientemente más caliente!

Andrew Dessler tiene un buen video sobre esto .

He pasado por alto muchos de los detalles aquí, pero conceptualmente esto es correcto.

Contrariamente a las afirmaciones de que el efecto invernadero es complicado, en realidad es bastante simple. La definición del IPCC en el glosario de AR5 WG1 está bien, pero se puede aclarar aún más con la ayuda de la quinta figura en http://clim8.stanford.edu/Images/ . Todos los gases de efecto invernadero funcionan de esta manera, no hay necesidad de considerar líneas de absorción particulares a menos que las esté usando para estimar la sensibilidad climática sin retroalimentación para una especie particular de una molécula en particular, lo cual es extremadamente difícil de confirmar experimentalmente.

ZeroTheHero sugirió que ampliara esto, así que aquí va. Aunque ahora que miro la respuesta de jobal6, no veo que mi respuesta a continuación le agregue mucho.

La radiación de onda larga en la atmósfera relacionada con el efecto invernadero (GHE) se divide en tres tipos, downwelling, upwelling y outgoing, respectivamente DLR, ULR y OLR.

OLR es lo que se escapa al espacio. Es 100% responsable de mantener la Tierra en equilibrio térmico con el Sol, el estado en el que OLR es igual a la radiación solar absorbida (la fracción 1-A no reflejada de vuelta al espacio donde A es el albedo de la Tierra, nominalmente 0,3).

Ignorando los efectos de lente del tipo que causa los espejismos, toda la radiación de onda larga dentro de la atmósfera se divide en DLR y ULR según apunte hacia abajo o arriba del horizonte, respectivamente. (Al menos así es como yo lo definiría, su millaje puede variar).

ULR es un candidato para convertirse en OLR, lo que hace cuando no es absorbido por una molécula de gas de efecto invernadero (GEI) o una partícula de aerosol. De lo contrario, calienta la molécula o partícula absorbente, devolviéndola así al calor de la Tierra, o se vuelve a irradiar en una dirección aleatoria (por ejemplo, ¿emisión estimulada?).

DLR difiere de ULR solo en que ninguno de ellos puede convertirse en OLR directamente. El 100% de DLR es absorbido por la superficie o se comporta en todos los aspectos como la fracción de ULR que no se convierte en OLR.

Dado que esto puede parecer sorprendente, debe señalarse que, aunque la DLR aumenta con el aumento de los GEI, como leerá en los muchos relatos de la radiación posterior, la ULR también aumenta, lo que las personas sin formación en física tienden a pasar por alto. Lo que importa para calentar la superficie no es DLR solo, sino DLR - ULR, ya que ULR elimina el calor al mismo tiempo que DLR contribuye con calor.

Como consecuencia de (i) la relación de Stefan-Boltzmann F = σT⁴, (ii) el hecho de que ULR en cualquier punto dado se origina en un lugar más caliente que DLR en el mismo punto, y (iii) la tasa de caída mantiene una diferencia de temperatura constante entre dos altitudes cualesquiera, ULR aumenta más rápido que DLR, por lo que el flujo descendente neto DLR - ULR en realidad disminuye al aumentar el CO2.

Así que esa no puede ser la razón por la que la superficie se calienta con el aumento de los GEI. (El IPCC lo sabe y no encontrará nada sobre la radiación trasera en AR5 WG1. Tampoco está en la Figura 7 de Kiehl & Trenberth 1997, que muestra ULR > DLR, frecuentemente pasado por alto).

La razón por la que la superficie se calienta es porque el aumento de los GEI dificulta que ULR se convierta en OLR. Esto atrapa más calor, que calienta no solo la superficie, sino también la atmósfera y la capa mixta oceánica, OML, lo suficiente como para aumentar la ULR hasta que la fracción que se convierte en OLR se restablezca al nivel necesario para mantener la Tierra en equilibrio térmico con el Sol.

La inercia térmica de la superficie, la atmósfera y especialmente la OML es suficiente para que el equilibrio térmico tarde siglos. Esta es la razón por la cual la sensibilidad climática de equilibrio, ECS, es más alta que la respuesta climática transitoria, TCR, a la que solo se le asignan 70 años para calentarse.

También se esperaría que las profundidades del océano fueran un impedimento adicional para el equilibrio. La parte complicada aquí es que el océano profundo tiene mucha más inercia térmica que el OML, mientras que también está mejor conectado con los casquetes polares que con el OML, es decir, a través del viaje de mil años de la gran cinta transportadora oceánica. Esto hace que los propios casquetes polares sean el verdadero impedimento adicional para el equilibrio. Básicamente, el océano profundo permanece frío, dejando que el OML logre la apariencia de equilibrio térmico.

Eventualmente, las capas de hielo se derriten, lo que creo que es lo que al menos algunas personas quieren decir con Sensibilidad del sistema terrestre (pero soy un poco vago al respecto, tal vez los modeladores climáticos puedan intervenir aquí). Obviamente, ese equilibrio lleva mucho más tiempo que el equilibrio asociado con ECS, ya que hay una gran cantidad de hielo para derretir.

Creo que esto cubre el efecto invernadero básico, GHE. El clima es mucho más que eso, pero el GHE es la parte fundamentalmente responsable del calentamiento global.

"no la analogía simplista del invernadero proporcionada para el consumo público"

Joseph Fourier es el responsable de la analogía. Es una analogía mucho mejor de lo que generalmente se le atribuye en estos días. Para empezar, la gravedad de la Tierra evita que la atmósfera de la Tierra se convecte hacia el espacio, al igual que el vidrio de un invernadero evita que el aire se convecte hacia el medio ambiente. Y en segundo lugar, la razón por la que los invernaderos necesitan ventanas que se puedan abrir es que, sin ellas, el calor atrapado por el vidrio durante el día sobrecalentaría las plantas, lo que no sería un problema en el caso de que no haya invernadero sino aire completamente inmóvil (sin convección). .

El Louvre de París tiene el problema del efecto invernadero a raudales, tanto en la entrada principal bajo la pirámide de cristal de IMPei (yo mismo lo he sudado, es horrible en un día soleado) como en el Cour Marly cubierto de cristal en el interior.

Por último, cabe señalar que aunque la atmósfera terrestre es miles de veces más gruesa que una hoja de vidrio, el CO2 a 1000 ppm si se enfriase en hielo seco cubriría la Tierra con una capa de un centímetro de espesor. Entonces, 400 ppm es una excelente aproximación a una esfera de vidrio de 4 mm de espesor suspendida de alguna manera sobre la Tierra.

FWIW, aquí está mi respuesta de Earth Sciences SE, la clave es centrarse en cómo la energía sale del planeta, en lugar del destino de los fotones IR emitidos desde la superficie:

Tomando prestada una explicación de una de mis otras respuestas , el mecanismo básico del efecto invernadero es más o menos el siguiente (tenga en cuenta que este también es un modelo simplificado)

La Tierra está (para todos los efectos) en un vacío, por lo que solo puede ganar o perder calor a través de la radiación. El sol emite la mayor parte de su radiación en longitudes de onda visibles y UV. La atmósfera de la Tierra es bastante transparente en estas longitudes de onda, por lo que la radiación del Sol pasa principalmente a través de ella y llega a la superficie. Parte de esta radiación (determinada por el albedo de la Tierra) se refleja desde la superficie hacia el espacio, pero el resto es absorbido por la superficie, lo que hace que la superficie se caliente. La superficie pierde calor al irradiar en longitudes de onda infrarrojas. Los gases de efecto invernadero absorben parte de la radiación IR, lo que hace que la atmósfera se caliente (las moléculas de GEI transfieren parte de este calor a los gases que no son de efecto invernadero mediante colisiones, pero el calor también se transfiere hacia arriba por convección). La atmósfera cálida vuelve a irradiar parte de esta energía tanto hacia arriba al espacio como hacia abajo de regreso a la superficie. La parte que se irradia hacia abajo también se conoce como "retro-radiación" (y es directamente observable). Ahora, el factor importante no es la cantidad de IR saliente radiado desde la superficie que se absorbe, sino la altitud a la que no hay suficientes gases de efecto invernadero arriba para absorber el IR radiado hacia arriba desde esa capa, de modo que pueda escapar al espacio. La tasa de caída significa que la temperatura de la atmósfera disminuye al aumentar la altura. Esto significa que cuanto más CO2 ponemos en la atmósfera, más alta se vuelve esta capa emisora ​​y más fría es. Como la cantidad de IR radiada depende de la temperatura de esta capa, si esta altura aumenta, entonces la cantidad de IR radiada por el planeta cae, lo que lleva a un desequilibrio energético, con el planeta absorbiendo más radiación solar de la que emite como IR, y así el planeta se calienta. Esto continúa hasta que la capa radiante se calienta lo suficiente como para que el IR saliente esté en equilibrio con la radiación entrante del sol. Entonces, cuanto más CO2, más cálida es la temperatura media de la superficie, en igualdad de condiciones.

Por lo tanto, es irrelevante que la mayor parte de los IR emitidos por la superficie sean absorbidos por la atmósfera, lo que importa es la altura desde la cual no se absorben los IR. Si está más frío que la superficie, emitirá menos IR que la superficie y, por lo tanto, se irradiará menos energía al espacio.

Para obtener una explicación más detallada de por qué la absorción en la superficie tiene poca relevancia, consulte este artículo de RealClimate de Spencer Weart.

Solo para agregar una nota histórica, esta explicación se remonta al menos hasta el artículo de Ekholm de 1901 "Sobre las variaciones del clima del pasado geológico e histórico y sus causas":

La atmósfera juega un papel muy importante de doble carácter en cuanto a la temperatura en la superficie de la tierra, de los cuales uno fue señalado por primera vez por Fourier, el otro por Tyndall. En primer lugar, la atmósfera puede actuar como el cristal de un invernadero, dejando pasar los rayos luminosos del sol con relativa facilidad y absorbiendo gran parte de los rayos oscuros emitidos por el suelo, y por lo tanto puede elevar la temperatura media de la tierra. superficie de la Tierra. En segundo lugar, la atmósfera actúa como un depósito de calor colocado entre el suelo relativamente cálido y el espacio frío, y por lo tanto disminuye en alto grado las variaciones anuales, diurnas y locales de la temperatura.

Hay dos cualidades de la atmósfera que producen estos efectos. Una es que la temperatura de la atmósfera generalmente disminuye con la altura sobre el suelo o el nivel del mar, debido en parte al calentamiento dinámico de las corrientes de aire descendentes y al enfriamiento dinámico de las ascendentes, como se explica en la teoría mecánica del calor. . La otra es que la atmósfera, al absorber muy poco de la insolación y la mayor parte de la radiación del suelo, recibe una parte considerable de su calor acumulado del suelo por medio de radiación, contacto, convección y conducción, mientras que la superficie terrestre se calienta principalmente por la radiación directa del sol a través del aire transparente.

De esto se sigue que la radiación de la tierra hacia el espacio no procede directamente del suelo, sino en promedio de una capa de la atmósfera que tiene una altura considerable sobre el nivel del mar. La altura de esa capa depende de la calidad térmica de la atmósfera y variará con esa calidad. Cuanto mayor sea el poder de absorción del aire para los rayos de calor emitidos por el suelo, más alta será esa capa. Pero cuanto más alta sea la capa, menor será su temperatura en relación con la del suelo; y como la radiación de la capa hacia el espacio es menor cuanto menor es su temperatura, se sigue que el suelo estará más caliente cuanto más alta sea la capa radiante”.

[Ekholm , 1901, págs. 19-20]

(h/t artículo de blog de Steve Easterbrook )

El tiempo promedio para que una molécula de CO2 excitada emita una onda infrarroja LR es de aproximadamente 1 segundo o más. Y la molécula de CO2 excitada chocará con otra molécula de oxígeno o nitrógeno en un par de microsegundos y perderá su energía en la colisión. Esto ocurrirá aproximadamente el 99,8% del tiempo en comparación con la liberación de un fotón LR. Con solo una molécula de sello dos por cada 2500 otras moléculas en la atmósfera, parece muy poco probable que ocurra una radiación significativa hacia la Tierra. El CO2 en la atmósfera no puede ser la causa del cambio climático.