La química del cambio climático

En 1856 una científica estadounidense llamada Eunice Newton Foote llenó cilindros de vidrio con distintos gases, los colocó a la luz del sol y observó sus termómetros. El cilindro que contenía dióxido de carbono se calentó más que los demás y conservó su calor durante más tiempo después de moverlo a la sombra. A partir de aquel sencillo experimento de mesa extrajo una conclusión notable: una atmósfera más rica en este gas le daría a nuestro planeta una temperatura más alta. Unos años después el físico irlandés John Tyndall, trabajando con instrumentos mucho más precisos, confirmó con detalle que ciertos gases absorben la radiación del calor mientras que los componentes principales del aire no lo hacen.

Lo que Foote y Tyndall descubrieron por casualidad es el corazón molecular del cambio climático. La historia que solemos contar con imágenes de glaciares que se derriten y mares que ascienden es, en su fundamento, una historia sobre moléculas: cómo vibran, cómo intercambian átomos entre el aire, la roca y el tejido vivo, y cómo reaccionan cuando se disuelven en el agua de mar. Para entender de verdad un mundo que se calienta, ayuda ponerse las gafas de un químico y observar lo que están haciendo las moléculas individuales.

Por qué el dióxido de carbono atrapa el calor

El Sol baña la Tierra con luz visible, que nuestra atmósfera deja pasar casi sin alterar. El suelo y los océanos absorben esa luz, se calientan y vuelven a irradiar la energía hacia el exterior en forma de radiación infrarroja, ese mismo calor invisible que sientes de una estufa o de un muro tostado por el sol. La cuestión es si ese calor saliente escapa al espacio o queda atrapado en el camino. Aquí es donde la estructura molecular decide el destino del planeta.

Los dos gases que conforman alrededor del 99 por ciento del aire seco, el nitrógeno y el oxígeno, están formados cada uno por dos átomos idénticos. Como el enlace entre esos átomos iguales es perfectamente simétrico, estas moléculas son esencialmente transparentes a la luz infrarroja. No pueden capturar el calor saliente. El dióxido de carbono es distinto. Una molécula de CO2 tiene un átomo de carbono flanqueado por dos átomos de oxígeno, y sus enlaces pueden estirarse y doblarse de maneras que desplazan la distribución de la carga eléctrica a lo largo de la molécula. Cuando llega un fotón infrarrojo de la energía adecuada, la molécula lo absorbe, sus enlaces se agitan con mayor intensidad y, un momento después, libera de nuevo esa energía en una dirección aleatoria, a menudo de vuelta hacia la superficie.

El efecto invernadero en una frase: los gases de efecto invernadero dejan entrar la luz solar pero frenan la salida del calor, manteniendo la superficie mucho más cálida de lo que estaría de otro modo. Esto no es un defecto; es esencial. Sin ningún efecto invernadero, la temperatura media de la superficie de la Tierra se situaría muy por debajo del punto de congelación, en torno a menos 18 grados Celsius en lugar de los agradables 15 grados de los que disfrutamos. El problema es de grado. Añadir más CO2 y otros gases que absorben calor engrosa la manta, y la superficie se calienta para compensar.

Una multitud de moléculas de efecto invernadero

El dióxido de carbono se lleva el protagonismo, pero comparte el escenario. El vapor de agua es en realidad el gas de efecto invernadero más abundante, y amplifica el calentamiento: a medida que el aire se calienta, retiene más humedad, lo que atrapa todavía más calor. Pero el vapor de agua responde a la temperatura en lugar de impulsar la tendencia a largo plazo, porque cualquier exceso cae en forma de lluvia en cuestión de días. El metano, el ingrediente principal del gas natural y un producto del ganado, los humedales y los vertederos, es una molécula absorbente mucho más potente que el CO2 a corto plazo, aunque permanece en la atmósfera solo alrededor de una década antes de que las reacciones químicas lo descompongan. El óxido nitroso, liberado en gran medida por los suelos fertilizados, es más escaso pero extremadamente longevo.

Lo que distingue al dióxido de carbono es su persistencia y su pura cantidad. Una fracción significativa del CO2 emitido hoy seguirá influyendo en el clima dentro de siglos, porque la naturaleza lo elimina solo lentamente. Esa combinación de permanencia y concentración creciente es la razón por la que el CO2 se trata como el dial maestro del clima a largo plazo. Antes de la Revolución Industrial, la atmósfera contenía aproximadamente 280 partes por millón de dióxido de carbono. Ahora ha superado las 420 partes por millón, un nivel que el planeta no ha visto en millones de años, y el aumento sigue de cerca la quema de carbón, petróleo y gas.

El ciclo del carbono: un sistema de reciclaje planetario

El carbono no se crea ni se destruye en nada de esto; se mueve. La Tierra lleva a cabo una operación de reciclaje enorme e incesante en la que los átomos de carbono van y vienen entre cuatro grandes reservorios: la atmósfera, los océanos, los seres vivos, y las rocas y el suelo. Entender el cambio climático significa entender cómo la actividad humana ha alterado este equilibrio.

La fotosíntesis y la respiración forman el bucle biológico rápido. Las plantas, las algas y ciertas bacterias extraen CO2 del aire y, usando la luz solar, cosen el carbono en azúcares, liberando oxígeno como subproducto. Los animales y los microbios comen luego esos azúcares y exhalan de nuevo CO2, o las propias plantas respiran. A lo largo de un año este bucle inhala y exhala enormes cantidades de carbono, razón por la cual los niveles de CO2 medidos descienden ligeramente cada verano del hemisferio norte, a medida que los bosques echan hojas, y vuelven a subir en invierno.

El bucle geológico lento opera a lo largo de miles a millones de años. Los volcanes expulsan CO2 desde las profundidades de la Tierra. La lluvia, vuelta ligeramente ácida por el dióxido de carbono disuelto, erosiona lentamente la roca y arrastra minerales hacia el mar, donde las criaturas marinas encierran carbono en conchas de carbonato de calcio que con el tiempo se convierten en piedra caliza. La materia vegetal enterrada, comprimida a lo largo de eras geológicas, se transformó en carbón, petróleo y gas. Aquí está el quid del problema: los combustibles fósiles son carbono que el ciclo lento retiró del aire a lo largo de cientos de millones de años. Al quemarlos estamos liberando ese carbono antiguo de vuelta a la atmósfera en un par de siglos, mucho más rápido de lo que el bucle lento puede volver a retirarlo. El ciclo natural estaba aproximadamente en equilibrio; hemos añadido un gran flujo en un solo sentido al que no puede seguir el ritmo.

El silencioso trato del océano

Los océanos han amortiguado el golpe. El agua de mar absorbe una gran parte del dióxido de carbono que emitimos, quizá una cuarta parte o más, actuando como una vasta esponja química. Sin esta captación, el CO2 atmosférico y el calentamiento de la superficie serían considerablemente peores. Pero la ayuda del océano tiene un precio químico, y ese precio es un problema aparte por completo, uno que no tiene nada que ver con la temperatura.

Cuando el dióxido de carbono se disuelve en el agua, no se queda simplemente quieto. Reacciona. El CO2 se combina con las moléculas de agua para formar ácido carbónico, el mismo ácido débil que le da a los refrescos su sabor picante. El ácido carbónico libera entonces iones de hidrógeno en el agua de mar circundante. Más CO2 disuelto significa más ácido carbónico, lo que significa más iones de hidrógeno libres, y una concentración creciente de iones de hidrógeno es, por definición, un aumento de la acidez. El mar se está volviendo, muy gradualmente, más ácido. Esto es la acidificación del océano, a veces llamada el gemelo igualmente grave del calentamiento global.

Cuando el mar se agria

Las cifras suenan pequeñas pero la química no perdona. El agua superficial del océano ha pasado de un pH preindustrial de alrededor de 8,2 a aproximadamente 8,1 en la actualidad. Como la escala de pH es logarítmica, cada paso de una unidad representa un cambio de diez veces, de modo que esa caída aparentemente diminuta corresponde a un aumento sustancial de la concentración de iones de hidrógeno, un incremento de aproximadamente una cuarta parte a un tercio. El océano sigue siendo ligeramente alcalino, no literalmente ácido, pero se mueve de manera constante en la dirección ácida, y la tendencia es lo que importa para las criaturas que viven en él.

Los constructores de conchas se llevan el golpe. Los corales, las ostras, los mejillones, los caracoles marinos e innumerables y diminutos plánctones construyen sus esqueletos y conchas a partir de carbonato de calcio. Lo hacen extrayendo iones de calcio e iones de carbonato del agua. Aquí está el cruel giro químico: los iones de hidrógeno adicionales liberados por todo ese CO2 disuelto reaccionan con los iones de carbonato y los retiran efectivamente de la circulación, dejando menos de los bloques de construcción que estos organismos necesitan. En agua lo bastante ácida, las estructuras de carbonato de calcio pueden incluso empezar a disolverse. Estudios de laboratorio y de campo han mostrado plánctones de conchas delicadas y mariscos jóvenes que luchan por formar esqueletos sanos en estas condiciones, aunque los científicos aún están averiguando exactamente cómo se las arreglarán las distintas especies y ecosistemas. Como esos plánctones se sitúan cerca de la base de la red alimentaria marina, las consecuencias podrían propagarse hacia arriba de maneras que todavía no se comprenden del todo.

Conclusiones clave

El cambio climático es, en el fondo, una historia de química. El dióxido de carbono calienta el planeta porque sus enlaces moleculares pueden absorber y volver a emitir el calor infrarrojo que el nitrógeno y el oxígeno dejan escapar, engrosando la manta natural de efecto invernadero que mantiene la Tierra habitable. El carbono que alimenta este calentamiento no ha aparecido de la nada; forma parte de un ciclo planetario que traslada átomos entre el aire, la vida, los océanos y la roca, un ciclo que estaba aproximadamente equilibrado hasta que empezamos a quemar combustibles fósiles y a liberar el carbono que el lento bucle geológico había enterrado a lo largo de cientos de millones de años. Los océanos han absorbido gran parte de nuestro exceso de CO2 y nos han ahorrado un calentamiento peor, pero esa captación impulsa una segunda reacción química, la formación de ácido carbónico, que está reduciendo el pH del agua de mar y amenazando a las criaturas constructoras de conchas que están en el fundamento de la vida marina. El calor en el aire y el ácido en el mar brotan de una misma molécula. Ver el cambio climático a través de los ojos de un químico, como una cuestión de enlaces que vibran, gases que se disuelven y reservorios que cambian, convierte una crisis global abstracta en algo concreto, mecánico y, en última instancia, comprensible, que es el primer paso para abordarla.