Descubren cómo el CO2 enfría la atmósfera superior de la Tierra

Mientras la superficie de la Tierra y la atmósfera inferior continúan calentándose, la atmósfera superior experimentó un enfriamiento significativo durante décadas. Este fenómeno se ha reconocido como una de las señales más claras del cambio climático impulsado por el ser humano, aunque los mecanismos exactos detrás de este comportamiento permanecieron inciertos.

Recientemente, investigadores de la Universidad de Columbia anunciaron que han descubierto el mecanismo responsable de este fenómeno. Su estudio explica cómo el dióxido de carbono (CO2) interactúa con diferentes longitudes de onda de luz, enfriando la atmósfera superior mientras calienta el planeta debajo.

El profesor de física oceánica y climática, Robert Pincus, coautor del estudio publicado en Nature Geoscience, comentó: "Esto explica un fenómeno que ha sido conocido durante décadas y que no se había comprendido completamente".

El CO2 y su efecto en la estratosfera

En la superficie de la Tierra, el CO2 atrapa el calor que de otro modo escaparía al espacio, contribuyendo al calentamiento global. Sin embargo, en la estratosfera, que se extiende desde aproximadamente 11 km hasta 50 km sobre la superficie, el CO2 actúa como un sistema de enfriamiento. Las moléculas absorben energía infrarroja y liberan parte de esa energía al espacio. A medida que aumentan los niveles de CO2 en la atmósfera, la estratosfera se vuelve más efectiva en la pérdida de calor, provocando una caída de temperaturas en esa capa.

Desde mediados de los años 80, se ha registrado un enfriamiento de aproximadamente 2 grados Celsius en la estratosfera, y se estima que este enfriamiento es más de diez veces mayor de lo que hubiera sido sin las emisiones de CO2 generadas por el ser humano.

Aunque los científicos habían comprendido la idea general del enfriamiento estratosférico, muchos de los procesos detallados seguían sin resolverse. Sean Cohen, autor principal del estudio, señaló que "la teoría existente era muy perspicaz, pero carecíamos de una teoría cuantitativa para el enfriamiento estratosférico inducido por el CO2".

La zona "Goldilocks" de la luz infrarroja

Para resolver el enigma, Cohen trabajó junto a Pincus y Lorenzo Polvani, geofísico del Departamento de Física y Matemáticas Aplicadas de Columbia. Juntos, construyeron modelos matemáticos que identificaron los principales procesos que impulsan el enfriamiento estratosférico, ajustando sus cálculos con simulaciones climáticas y datos observacionales durante varios meses.

Su investigación identificó un factor clave: la forma en que las moléculas de CO2 interactúan con la luz infrarroja, también conocida como radiación de onda larga. No todas las longitudes de onda infrarrojas se comportan de la misma manera en la atmósfera. Los investigadores encontraron que algunas longitudes de onda son especialmente efectivas para promover el enfriamiento, describiendo este rango eficiente como una "zona Goldilocks". A medida que las concentraciones de CO2 aumentan, esta zona se expande, aumentando la eficiencia de enfriamiento de la atmósfera.

"Los cambios en la eficiencia son lo que finalmente impulsará el enfriamiento estratosférico", afirmó Cohen.

Los investigadores también examinaron los efectos del ozono y el vapor de agua. Aunque ambos pueden influir en los procesos de calentamiento y enfriamiento en la atmósfera, su impacto en el enfriamiento estratosférico resultó ser relativamente pequeño en comparación con el CO2.

El enfriamiento estratosférico y su efecto en el calentamiento inferior

Las ecuaciones del equipo lograron reproducir varias características conocidas de la atmósfera. Coincidieron con observaciones que mostraron que el enfriamiento se vuelve más fuerte con la altitud, siendo el mayor enfriamiento el que ocurre cerca de la parte superior de la estratosfera. Los cálculos también confirmaron que cada duplicación de CO2 conduce a aproximadamente 8 grados Celsius de enfriamiento en la estratopausa, el límite superior de la estratosfera.

El estudio también destaca un importante retroceso climático. Aunque el aumento del CO2 ayuda a la estratosfera a radiar calor de manera más efectiva, las temperaturas más frías resultantes significan que el sistema terrestre, en última instancia, libera menos energía infrarroja al espacio, lo que intensifica la retención de calor más cerca de la superficie y aumenta el calentamiento en la atmósfera inferior.

Según Cohen y Pincus, la investigación no se centra tanto en demostrar la existencia del cambio climático, sino en mejorar la comprensión científica de cómo funciona la atmósfera. "Esto nos dice lo que es esencial", concluyó Pincus.

Los hallazgos podrían tener aplicaciones más allá de la Tierra, ya que los investigadores sugirieron que los mismos principios podrían ayudar a entender mejor las atmósferas de otros planetas y exoplanetas.