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Física y sociedad6 Revista del Colegio Oficial de Físicos
Milagros Couchoud Gregorireportaje
Desde que en 1938 se recogieran los primeros indicios de que la Tierra estaba experimen-tando un incremento de CO2, muchas son las investigaciones que se han llevado a cabo ynumerosos los avances técnicos en los sistemas de medición. Hoy, es posible medir con granprecisión y de forma continuada las concentraciones de este gas en la atmósfera, y asegurarsin lugar a equívoco que los niveles de CO2 aumentan año tras año.
DETECCIÓN Y MEDIDA DE NIVELESDE CO2 EN LA ATMÓSFERA.PRINCIPALES CONSECUENCIAS
El dióxido de carbono (CO2) es ungas incoloro e inodoro que en laactualidad es emitido a la atmósfe-ra, principalmente, por la quemade combustibles fósiles. Este gas,elsegundo radiativamente activomás importante detrás del vaporde agua troposférico, es eliminadode la atmósfera mediante “sumi-deros” naturales como los océanosy las plantas.
Svante Arrhenius (1859-1927) fueel primer científico que determinóla importancia potencial del dióxi-do de carbono (CO2) en el clima.Ya en 1886 propuso que la tempe-ratura de la Tierra era controladapor las propiedades radiativas delCO2 (y el vapor de agua), afirman-do que las eras glaciales se produ-cían cuando las concentracionesde CO2 eran menores debido a
procesos desconocidos. Aunquepor entonces no se había detecta-do incrementos de la concentra-ción de CO2, Arrhenius propusoque la continua combustión decarbón podría incrementar la con-centración de este gas, calentan-do así la Tierra. Sin embargo nofue hasta 1938 cuando GeorgeCallendar obtuvo la primera evi-dencia del incremento de CO2 en
·Milagros Couchoud GregoriDoctora en Ciencias Físicas y ex-directora General del Instituto Nacional de Meteorología
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la atmósfera. Dos décadas mástarde,en 1957,Charles Keeling iniciaun proyecto de medida continua yprecisa del CO2 atmosférico, ger-men de la actual red de vigilanciade este gas a nivel mundial. Losdatos de Keeling obtenidos a partirde 1958 en la estación de Mauna-Loa (Hawaii) demostrarían deforma inequívoca el inexorableincremento de CO2.
Detección y análisis del CO2 en la atmósfera.
Medir CO2 en la atmósfera no estrivial, y menos si lo que se preten-de es determinar tendencias deeste gas a nivel mundial de formaprecisa. El Programa de VigilanciaAtmosférica Global (VAG;www.wmo.ch/web/arep/gaw/gaw_home.html) de la OrganizaciónMeteorológica Mundial (OMM)coordina las actividades técnico-científicas que en última instanciaestablecen los programas de medi-da de este gas en cada uno de lospaíses que poseen estaciones ylaboratorios de observación. Paraello el programa VAG de la OMMcelebra, de forma periódica, con-gresos sobre técnicas de medidasde CO2 en la atmósfera y publicaguías técnicas donde se recogenlos últimos avances en procedi-mientos analíticos, sistemas decalibración y metodologías dedepuración y evaluación de datos,así como las técnicas estadísticasmás adecuadas para el análisis delas series temporales.
La primera dificultad para el esta-blecimiento de programas conti-nuos de medidas de CO2 reside enencontrar lugares adecuados para
las medidas,ya que éstas deben serrepresentativas de los cambios quese están produciendo en la atmós-fera a nivel global, es decir, lugaresno afectados de forma directa porfocos de contaminación locales oregionales. La segunda dificultadse encuentra en la necesidad deque estos emplazamientos dispon-gan de una infraestructura técnicay científica mínima,así como de los
recursos humanos necesarios queaseguren la continuidad de lasmedidas y la evaluación de las mis-mas durante décadas. Por último,estos programas suponen unafinanciación continuada nada des-deñable ya que su fiabilidad sebasa en disponer de un complejosistema jerárquicio de calibracio-nes hasta llegar a las referenciasinternacionales.
La técnica recomendada paramedir CO2 en la atmósfera es la de
Análisis NDIR (“Non-DispersiveInfrared”). Un analizador NDIR sebasa en el mismo principio deabsorción de la radiación infrarroja(IR) que hace que los gases deefecto invernadero jueguen unpapel protagonista. Un analizadorNDIR consiste en una fuente IR enun extremo y un detector IR en elotro separados por una cámaradonde se introduce un gas. El gas
en cuestión absorbe parte de laradiación IR que procede de lafuente, y el detector de IR convier-te en voltaje la dosis de radiacióninfrarroja que le llega. De estamanera si la concentración de CO2presente en la muestra de gas (aireambiente, por ejemplo) varía, laseñal en el detector también cam-bia. Haciendo circular un gas conuna concentración de CO2 conoci-da, se puede calibrar el analizadorde tal manera que el voltaje desalida del detector se puede con-
Los niveles de CO2 en la atmósfera se han incrementado notablemente en las últimas décadas
¬ Figura 1. Red mundial de estaciones donde se mide CO2.Las estaciones marcadas con un cuadrado realizan medidas continuas.
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vertir directamente en concentra-ciones de CO2. Aunque el principiofísico es tremandamente simple,la metodología experimental secomplica enormemente debido afalta de linealidad del detector, alruido ocasionado por la absor-ción de IR por parte del vapor deagua atmosférico (importanteabsorbente de IR, y tremenda-
mente variable), a laincertidumbre en lasconcentraciones deCO2 de los gases dereferencia debido aderivas en los cilin-dros, etc.
Para poder minimizartodos estos proble-mas, las estacionesque miden de formacontinua CO2 (pro-porcionando valorespromedios cada 10 ó 30 minutos),realizan calibraciones automáticascada 3 horas, en las que se utilizantres gases de trabajo con concentra-ciones de CO2 inferiores, similares ysuperiores a las que existen en esemomento en el aire ambiente.Estosgases de trabajo son calibradosfrente a gases de referencia secun-darios cada dos semanas, y a su vezéstos son calibrados frente a los pri-marios cada cuatro meses. Las
correcciones de posibles derivas enlas concentraciones de los gases dereferencia son “arrastradas” hastaaplicarse a las concentraciones deCO2 en aire. El objetivo hoy día espoder medir concentraciones deCO2 con un error menor a 0.1 ppm(partes por millón).
Debido a la complejidad del progra-ma de medidas y a los elevados cos-tes económicos que supone, sólo
Océanos y bosques absorben la mitad de nuestras emisiones, el resto permanecen en la atmósferadurante siglos
¬ El CO2 es eliminado de la atmósfera mediante “sumideros” naturales como los océanos y los bosques
¬ Figura 2.Serie de dióxido de carbono del Observatoriode Izaña (Tenerife, 28º 18’ N, 16º 30’W, 2367 m s.n.m.).
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dieciocho estaciones en todo elmundo disponen hoy día de un pro-grama continuo de medidas deCO2. Una de estas estaciones estásituada en el observatorio de Izaña(Tenerife), gestionada por elInstituto Nacional de Meteorología.Las medidas de CO2 se iniciaron eneste Observatorio en mayo de 1984y continúan hasta la fecha de formaininterrumpida.
Los programas de medida de CO2consumen un tiempo considerabley realizan un esfuerzo económicosignificativo en actividades de con-trol de calidad, y en acciones queaseguren la intercomparabilidadde las medidas realizadas en lasdiferentes estaciones. Para ello entodas las estaciones del mundo
se utilizan los mismos gases dereferencia primarios (general-mente un conjunto de 10 cilin-dros con aire natural conteniendodiferentes concentraciones deCO2) elaborados y suministradospor el “Climate Monitoring andDiagnostics Laboratory” (CMDL)de la “National Oceanic andAtmospheric Administration”:NOAA(www.cmdl.noaa.gov/ccgg/refga-ses/stdgases.html). Además, y deforma periódica esta misma insti-tución organiza junto con elPrograma VAG-OMM lo que seconocen como “CO2 Round-RobinReferente Gas Intercomparions”(http://gaw.kishou.go.jp/wcc/co2/co2_scale.html), que son ejerciciosde intercomparación en que doscilindros conteniendo concentra-
ciones de CO2 sólo conocidas por lainstitución que ejerce de árbitro,circulan por los diferentes labora-torios participantes que debendeterminar las concentracionesincógnita.
Con el fin de complementar lavaliosa, pero espacialmente limita-da, contribución de las estacionesque miden de forma continua CO2,la NOAA-CMDL ha establecido unared de medidas de CO2 semanalesmediante matraces de coberturamundial (“NOAA - CMDL - CCGGCooperative Air Sampling Network”).En esta red se toman muestras deaire, bajo determinadas condicio-nes, en estaciones seleccionadasen todo el mundo, enviando losmatraces al Grupo de Gases de
Los programas de observación y vigilancia contribuirán a supervisar el cumplimiento de los acuerdos alcanzados en Kioto
¬ La estación de Izaña (Tenerife) es una de las 18 instalaciones en el mundo que recoge medidas continuas de CO2
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Efecto Invernadero del Ciclo delCarbono de la NOAA - CMDL(www.cmdl.noaa.gov/ccgg/flask.html), en Boulder-Colorado, dondeson analizadas utilizando la mismatécnica que en las estaciones demedidas continuas (técnica NDIR).El Observatorio de Izaña participatambién en esta red de matraces.En la Figura 1 se muestran las esta-ciones que proporcionan concen-traciones de CO2, ya sean de formacontinua, con programas semana-les, o con medidas esporádicas.
La información de estas redes esperiódicamente enviada al “WorldData Centre for Greenhouse Gases”(http://gaw.kishou.go.jp/wmo/wmowdcgg.php), que fue estableci-do en la Agencia Meteorológica deJapón en Octubre de 1990. EsteCentro concentra y distribuyedatos sobre concentración degases de efecto invernadero (CO2,CH4,CFCs,N2O,etc.) y gases reacti-vos relacionados (O3, CO, NOx, SO2,VOC, etc.) tanto en la atmósferacomo en el océano. El Observatorio
de Izaña, con indicativo IZA128N00,deposita en este Centro los datos deCO2 que va midiendo y procesandodesde 1984.Existe otra Base de DatosMundial de CO2, basada en la men-cionada red de medidas mediantematraces de la NOAA - CMDL. A estabase de datos se puede acceder a tra-vés de la aplicación “InteractiveAtmospheric Data Visualization”(www.cmdl.noaa.gov/ccgg/iadv/).
Resultados: aumento del ritmo de crecimiento del CO2
En la Figura 2 se muestra la serie deCO2 obtenida en el Observatoriode Izaña (Tenerife) a partir de 1984.Esta serie muestra una variaciónestacional, causada por el ciclofotosintético de las plantas en elhemisferio norte, con un máximoen mayo y un mínimo en septiem-bre, con una amplitud pico a picode unas 7,8 ppm.
El análisis de la serie muestra unatendencia positiva inicial de 1,4ppm/año que ha ido incrementán-dose en los últimos años hastaalcanzar las 2,2 ppm/año. Estosresultados concuerdan con las delresto de las estaciones, y son corro-boradas por el programa de medi-das con matraces.
Con el fin de comprender mejora nivel mundial las tendenciasen las concentraciones de CO2,se ha creado GLOBALVIEW(www.cmdl.noaa.gov/ccgg/glo-balview/). Se trata de un proyectode la NOAA-CMDL cuyo principalobjetivo es el de aumentar la distri-bución espacial y temporal de lasobservaciones de CO2 y CH4 a nivelglobal. Este sistema utiliza seriestemporales suavizadas y sincroni-zadas de las estaciones de tierraque miden tanto con programascontinuos como con programas demuestreo semanal con matraces,así como con las observaciones
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realizadas desde barcos, aviones ytorres de observación.
Conclusiones
Las medidas, enormemente preci-sas, que se realizan hoy día de lasconcentraciones de CO2 atmosfé-rico con las redes de observaciónantes descritas, han confirmadoque el ritmo de crecimiento de lasconcentraciones de este gas seestá incrementando de maneranotable en las últimas décadas, yeste incremento es consecuenciadirecta de las actividades huma-nas ya que no puede explicarsepor causas naturales. Para el año2001 la concentración promediode CO2 a nivel mundial se estima-ba en 375 ppm. Si consideramoscomo valor de la masa de laatmósfera 5,137 x 108 kilogramos,esto supone que sólo el CO2 con-tribuye con 800 Giga-toneladasde carbono a la atmósfera, unadiferencia de 260 Giga-toneladasde carbono respecto a la épocapre-industrial. Las actividadeshumanas suponen la emisión desiete mil millones de toneladas decarbono a la atmósfera al año, locual representa solamente entre
un 3% y un 4% de la cantidad decarbono intercambiada de formanatural, pero esta cantidad essuficiente para desestabilizar elequilibrio natural. Los océanos,bosques y selvas absorben alrede-dor de la mitad de nuestras emi-siones y la otra mitad permaneceen la atmósfera durante siglos.Esta es la causa de que se origineun rápido crecimiento de CO2 enla atmósfera y por consiguienteuna intensificación del efectoinvernadero que existe de formanatural. En la actualidad las con-centraciones de CO2 son las másaltas jamás “observadas” en losúltimos 450.000 años. Si el ritmode crecimiento actual de la con-centración de CO2 continúa en elfuturo, en menos de 60 añoshabremos duplicado la concentra-ción existente en la época pre-industrial.
Una prioridad de los programas demedida de CO2 es la de permitir laestimación de fuentes y sumiderosde este gas, y conocer sus variacio-nes espacio-temporales. Unasegunda prioridad consiste encolaborar en estudios de procesosinterdisciplinares. En este marco se
espera una más estrecha interac-ción de estos programas de medi-da del CO2 con el “Joint GlobalOcean Flux Study” (JGOFS), y el“World Ocean Circulation experi-ment” (WCRP/WOCE), así como convarios programas del internacional“Geosphere - Biosphere Programme”(IGBP) y el Internacional “AtmosphericChemistry Programme”(IGAC).
Actualmente se está estableciendouna estrategia común con laAgencia Internacional de la EnergíaAtómica para establecer nuevosprogramas de medida y de controlde calidad sobre isótopos de CO2en la atmósfera.Este nuevo progra-ma espera poder resolver las incóg-nitas actuales sobre determinadasfuentes y sumideros de CO2.
En cualquier caso estos progra-mas de observación y vigilanciadel CO2, coordinados por elPrograma VAG de la OMM, contri-buirán de manera decisiva en laspróximas décadas a los trabajosde supervisión del cumplimientode los acuerdos alcanzados en elConvenio Marco de NacionesUnidas sobre el Cambio Climáticoy el Protocolo de Kioto.
