El efecto invernadero, origen del fenómeno del calentamiento global, es difícil de demostrar mediante experimentos sencillos. Sin embargo, hay muchas propuestas disponibles en Internet, pero pocas son realmente reproducibles y muchas ofrecen representaciones físicas deficientes del fenómeno [1] . Este artículo ofrece métodos prácticos y herramientas accesibles para ayudar a profesores y educadores a explicar este fenómeno de una manera atractiva.
Un experimento popular sobre el efecto invernadero - Los desafíos del efecto invernadero en una botella - Instrumentos de medición - Radiación infrarroja - Conducción y absorción - Radiación del cuerpo negro - Albedo - Identificación de gases de efecto invernadero - Espectro de absorción de CO2 - Enfriamiento de la estratosfera
Un experimento popular sobre el efecto invernadero
¿Cuál es el experimento ideal para demostrar el efecto invernadero? Al escribir "efecto invernadero" en un buscador, a menudo surge una sugerencia: comparar las temperaturas de dos frascos de vidrio, uno abierto y otro cerrado, cada uno de los cuales contiene una hoja de papel negra en el fondo y está expuesto al sol. Cuando uno de los frascos se cierra con vidrio o plástico, la temperatura en el frasco cerrado aumenta más rápidamente que la del frasco abierto, alcanzando hasta 4 a 5 grados más.
Está bien establecido que este simple experimento no ofrece una representación realista de los fenómenos que actúan en el efecto invernadero terrestre. En efecto, si la temperatura es más alta en el recipiente cerrado, se debe esencialmente a la supresión de las corrientes de convección que enfrían el aire en el recipiente abierto y no al efecto radiativo responsable del calentamiento de nuestro planeta. Este argumento también había sido propuesto ya en 1774 por el científico suizo Horace-Bénédict de Saussure y confirmado en 1909 por el científico Robert Williams Wood, quien demostró que incluso reemplazando el vidrio de un invernadero con halita, transparente al infrarrojo, la temperatura aumentaba. de igual manera, comprobando que el efecto observado está relacionado principalmente con la convección.
Si este experimento se sigue presentando en clase no es porque ofrezca una buena representación del fenómeno, sino porque proporciona una analogía sencilla y visual útil para introducir los conceptos básicos del efecto invernadero, especialmente dirigida a los más jóvenes. Es útil desde un punto de vista educativo pero no prueba nada sobre el calentamiento global.
A continuación veremos que es posible ofrecer representaciones más precisas del efecto invernadero y, con un poco de compromiso, mostrar experimentalmente el efecto radiativo de los gases de efecto invernadero. Esta tarea, a veces un tanto difícil, se ve recompensada en gran medida por la comprensión íntima y precisa que podemos tener del fenómeno. John Tyndall recuerda así en uno de sus artículos que llevó a cabo más de 10.000 experimentos diferentes para demostrar finalmente, en 1859, que el dióxido de carbono era un gas de efecto invernadero [4] .
Los retos del efecto invernadero en una botella
Es bien conocido el fenómeno del efecto invernadero que genera el calentamiento global. Se debe a que ciertos gases de la atmósfera terrestre, como el dióxido de carbono (CO₂), el metano (CH₄) y el vapor de agua, absorben y reemiten la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre. Es este efecto radiativo el que el educador o el joven científico busca resaltar a través de actividades experimentales. Sin embargo, este efecto es difícil de demostrar con experimentos sencillos, lo que llamaríamos efecto invernadero en una botella.
El primer obstáculo con el que se topa el observador es que la transmisión de calor resulta de tres fenómenos diferentes: conducción, convección y radiación. Estos fenómenos coexisten en la mayoría de los experimentos en invernaderos, lo que hace muy difícil aislar efectos individuales con equipos simples[2] .
Esta dificultad aumenta por el hecho de que el calentamiento debido a la radiación es relativamente débil en comparación con otros mecanismos. Un experimento de efecto radiativo que involucre una capa de CO₂ de 20 cm produciría, en el mejor de los casos, solo un grado de calentamiento, en su mayoría menor que el impacto de la convección o la conducción [3] .
Debido al pequeño aumento de calor provocado por los fenómenos radiativos, la reproducibilidad de los experimentos es difícil. Las más pequeñas variaciones en la distancia a las fuentes de luz, en la elección de los materiales, en la potencia de las lámparas, en la concentración de los gases utilizados, pueden tener un impacto significativo en los resultados obtenidos.
Por último, la atmósfera terrestre es un entorno complejo estructurado en varias capas distintas. Cada capa tiene características específicas que contribuyen al efecto invernadero y importantes fenómenos de convección ayudan a distribuir el calor de manera uniforme en todo el mundo. Modelar un entorno así en una botella es imposible [6] .
Por todo ello, no existe ningún experimento sencillo e irrefutable que pueda realizarse en clase o en casa y que demuestre el efecto invernadero “climático” en su conjunto. Sin embargo, es posible mostrar diferentes aspectos del calentamiento global por analogía o midiendo efectos específicos, como descubriremos.
Instrumentos de medición
¿Qué instrumentos de medición deberíamos utilizar para mostrar el efecto invernadero y realizar los experimentos que describimos en el resto de este artículo?
El instrumento más sencillo de utilizar y disponible es el termómetro. Para mediciones más precisas y a largo plazo, es preferible un termómetro digital, idealmente conectado a una computadora o un teléfono inteligente para realizar EXAO (Experimentación asistida por computadora). El termómetro, sin embargo, tiene varias limitaciones: su tiempo de reacción es largo, su colocación en el horno es crucial y no permite medir la radiación directamente.
Para medir la radiación infrarroja preferimos utilizar una termopila, inventada por el físico italiano Leopoldo Nobili a principios del siglo XIX . Compuestos por varios termopares en serie, permiten medir a distancia la temperatura de una superficie para temperaturas que oscilan entre -20°C y 350 °C. Las termopilas están presentes en los termómetros infrarrojos, pero también están disponibles como sensor externo. por precios completamente reducidos.
Otro instrumento de medición de rayos infrarrojos pero más caro es la cámara de infrarrojos, capaz de analizar la radiación de los objetos en forma de imagen. Hoy en día, las cámaras infrarrojas se pueden conectar a un teléfono inteligente para producir fotografías o vídeos por infrarrojos. Estos nuevos dispositivos, extremadamente prácticos, permiten analizar fenómenos en vídeo.
Además de las mediciones de temperatura, se pueden utilizar sensores de humedad, sensores de CO₂ para medir concentraciones y células fotoeléctricas para comparar las intensidades de luz recibidas o medir el albedo de materiales.
Todos estos sensores existen de forma independiente pero generalmente son bastante caros, especialmente para EXAO. Una solución es utilizar sensores para aficionados, conectados a un microcontrolador como Arduino, ESP32 o Microbit. Los datos se pueden analizar fácilmente conectando los controladores a la aplicación FizziQ a través de Bluetooth , lo que permite registrar y analizar los datos en cuadernos de experimentos.
Para aquellos que no se sienten cómodos con los microcontroladores, hemos desarrollado el entorno FizziQ Connect , que permite realizar análisis EXAO a un costo reducido en comparación con otras soluciones educativas. FizziQ Connect utiliza sensores M5 Stack , que son económicos de adquirir y suficientemente precisos en este contexto. Hay una amplia selección disponible de otros fabricantes como Seed Studio .
Radiación infrarroja
Para comprender el mecanismo del efecto invernadero de la Tierra, es fundamental comprender mejor la radiación infrarroja, o "radiación de calor", como la llamó el astrónomo británico William Herschel en 1800. Al realizar un experimento con un prisma para descomponer la luz solar en un espectro de colores , Herschel observó que la temperatura aumentaba más allá de la luz roja, en un área donde no había luz visible.
Aunque la radiación infrarroja no es visible a simple vista, podemos sentirla como calor a través de termorreceptores ubicados en nuestra piel . Algunos animales, como las víboras, pitones y boas, tienen fosas sensibles al calor en la cabeza, lo que les permite detectar el calor infrarrojo emitido por presas de sangre caliente. Esto les da una ventaja significativa cuando cazan de noche. Los sensores de las cámaras de los teléfonos inteligentes también son sensibles a los rayos infrarrojos, pero para producir una imagen cercana a la que ve el ojo humano,los fabricantes añaden filtros de bloqueo de infrarrojos . Sin embargo, algunos teléfonos inteligentes tienen filtros de espectro menos eficientes o más amplios, como muchos teléfonos inteligentes Android de gama baja. ¡Una oportunidad para visualizar los rayos infrarrojos!
En un área con iluminación moderada, abra la aplicación de la cámara de su teléfono inteligente y apunte al emisor de infrarrojos en el control remoto de un televisor. Presione un botón en el control remoto mientras mira el transmisor a través de la pantalla del teléfono inteligente. Verás una luz intermitente proveniente del transmisor, visible en la pantalla aunque invisible a simple vista. Si su teléfono inteligente no detecta infrarrojos, esto significa que el filtro de infrarrojos de la cámara está calibrado para brindar una imagen lo más cercana posible a la que percibe el ojo humano.
¿Por qué los mandos a distancia utilizan rayos infrarrojos en lugar de otros tipos de radiación? Varias razones explican esta elección: la simplicidad tecnológica y el coste reducido, pero también las características específicas de los rayos infrarrojos. Estos son invisibles a simple vista, inofensivos para la salud, tienen un alcance limitado y son suficientemente direccionales para permitir un control preciso de los dispositivos sin interferir con otros dispositivos electrónicos cercanos.
Conducción y absorción
Uno de los avances fundamentales en la teoría del calentamiento global es el descubrimiento de la interacción entre ciertos gases, llamados gases de efecto invernadero, y los rayos infrarrojos [14] . Veremos en otros experimentos cómo demostrar este fenómeno, pero para entenderlo es más sencillo experimentar con superficies sólidas. En efecto, mientras que ciertos materiales como el vidrio o el plexiglás bloquean los rayos infrarrojos (o más bien los absorben), otros como el polietileno transparente de baja densidad (LDPE) dejan pasar los rayos infrarrojos. Algunos materiales incluso permiten el paso de los rayos infrarrojos mientras bloquean la radiación visible.
Para resaltar estas nociones de transparencia, podemos realizar el siguiente experimento con una termopila o un termómetro digital infrarrojo [5] . Se llena una taza con agua caliente y se inserta una superficie entre la termopila (circuito MLX90614) y la fuente de radiación infrarroja. Elegimos tres materiales diferentes: placa de cristal, bolsa de embalaje transparente y bolsa de basura. Los resultados del experimento que realizamos son los siguientes: sin material: 23,9 grados, con vidrio: 18 grados, con plástico transparente: 23,2 grados y con la bolsa de basura: 21,8 grados. Por tanto, el polipropileno del film transparente deja pasar el 90% de los rayos infrarrojos, mientras que el de color de las bolsas de basura sólo deja pasar el 65% y el cristal es opaco.
Este experimento permite comprender cómo la atmósfera deja pasar los rayos visibles, pero bloquea los rayos ultravioleta, peligrosos para los humanos, y determinadas frecuencias de los rayos infrarrojos.
Radiación de cuerpo negro
La atmósfera terrestre permite el paso de los rayos visibles (y algunos rayos infrarrojos), que luego son absorbidos por la superficie terrestre. Este último vuelve a emitir radiación infrarroja, según el principio del cuerpo negro. Un cuerpo negro es un objeto teórico en física que absorbe perfectamente toda la radiación electromagnética incidente, sin reflejar ni transmitir ninguna. Emite radiación electromagnética llamada radiación de cuerpo negro, que depende únicamente de su temperatura y no de su composición. Esta radiación sigue la ley de Planck, que describe la distribución espectral de la energía emitida.
A temperaturas inferiores a 500 grados centígrados, un cuerpo negro emite rayos infrarrojos invisibles a simple vista. Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, también aumenta la cantidad de radiación emitida en el espectro visible, haciendo visible el cuerpo negro. La ley de Wien nos permite determinar la longitud de onda en la que la radiación es máxima.
Para visualizar el efecto del cuerpo negro, podemos iluminar un cartón negro con una lámpara LED y medir la temperatura del cartón y de la lámpara con una termopila (o un detector de temperatura infrarrojo). Se puede observar que la temperatura de la lámpara es ligeramente superior a la de la atmósfera. De hecho, las lámparas LED producen muy poco calor y, por tanto, son muy eficientes. En cambio, la temperatura del cartón negro es mayor que la de la lámpara, porque el cartón ha absorbido todos los rayos visibles y reemite rayos infrarrojos.
Albedo
Un cuerpo negro absorbe toda la radiación, pero en realidad sólo una parte es absorbida por los cuerpos físicos. Esta capacidad de reflejar la luz incidente es el albedo. Utilizado principalmente en astronomía y climatología, el albedo está entre 0 y 1, donde 0 significa que la superficie absorbe toda la luz y 1 significa que refleja toda la luz. Un material con un albedo elevado, como la nieve o el hielo, refleja la mayor parte de la luz y contribuye al enfriamiento local. Por el contrario, una superficie con un albedo bajo, como el océano o una carretera asfaltada, refleja menos luz y absorbe parte de ella. Esta fracción de luz absorbida se convierte en calor, aumentando así la temperatura de la superficie. Por este motivo, el IPCC (Panel Intergubernamental sobre el Clima) afirma que “pintar los tejados de blanco ahorraría 1 Gt/año de emisiones de gases de efecto invernadero, el equivalente a 250 millones de vehículos. Una solución muy antigua ya que en la antigüedad los egipcios pintaban sus edificios de blanco para reflejar el calor del sol, y los romanos utilizaban mármol y otros materiales reflectantes en las estructuras de las construcciones.
Para comprender el efecto del albedo sobre la temperatura, reúna una lámpara potente (60 W), termómetros o sensores conectados y materiales de diferentes colores (plastilina amarilla, roja, naranja y botellas de aluminio grises y negras llenas de agua). Coloque los materiales debajo de la lámpara manteniendo la misma distancia, inclinación y orientación. Encienda la lámpara durante 10 minutos. Utilice la aplicación FizziQ para medir la luminancia, una medida de la luz reflejada, y calcule el albedo como la relación entre la luminancia de una superficie en comparación con una hoja de papel blanco. Después de la exposición, mida las temperaturas y observe que los materiales oscuros (rojo, negro) absorben más luz y calientan más que los materiales claros (amarillo, gris), lo que demuestra el impacto del albedo en la temperatura. Esta experiencia se describe detalladamente en el sitio web de nuestro socio La main à la pâte siguiendo este enlace .
De lo anterior podemos estimar el albedo de la tierra. Al proponer una distribución de las distintas superficies coloreadas del globo terrestre, podemos hacernos una idea de la forma de la Tierra. Compararemos este valor con la estimación de 0,3 que se utiliza generalmente para estimar cuál sería la temperatura del globo en ausencia del efecto invernadero, es decir, -18 grados.
Identificación de gases de efecto invernadero.
En 1856, la experimentalista Eunice Foote publicó un artículo en los anales de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia en el que comparaba el calentamiento relativo de frascos llenos de aire, CO2 y vapor de agua. Observa que los frascos llenos de CO2 y vapor de agua se calientan más rápidamente y concluye con una frase profética: "Una atmósfera llena de este gas (CO2) daría a nuestra Tierra una temperatura más alta" [13] .
Hoy sabemos que el experimento realizado no permite explicar el efecto invernadero "climático", sino que se explica principalmente por las diferencias de densidad entre el aire, el CO2 y los efectos de conducción y convección en los frascos de vidrio que absorben rayos infrarrojos. Sin embargo, la intuición de este pionero era correcta y el CO2 se identifica como un gas de efecto invernadero, es decir, un gas que absorbe determinados rayos infrarrojos y los retransmite.
Muchos otros experimentos encontrados en Internet también afirman poder demostrar el efecto del CO2 como gas de efecto invernadero. Muchos de estos experimentos no son reproducibles o dan resultados falsos . En estos experimentos no se evalúan los efectos de convección y conducción aunque son dominantes frente al efecto radiativo debido a la absorción de rayos infrarrojos por gases de efecto invernadero [2] [7] [10] .
Por otra parte, el siguiente protocolo da resultados completamente interpretables. Consiste en comparar dos gases que tienen características físicas similares pero uno de los cuales no es un gas de efecto invernadero. Entonces tendremos a nuestra disposición tres mediciones que también nos permitirán evaluar el efecto convectivo. Un gas comúnmente utilizado es el argón, que es un gas inerte y tiene características cercanas a las del dióxido de carbono. Las diferencias de temperatura debidas al efecto radiativo son del orden de unas pocas décimas de grado, por lo que la precisión de las mediciones es muy importante.
En el ejemplo de la foto superior, tomamos una botella de plástico cortada y forrada con papel negro, iluminada por un foco de 100 W a una altura de 60 cm. Se coloca una sonda en el interior protegida por una pieza de aluminio para evitar la radiación directa de la lámpara y se coloca una sonda exterior a 1,5 m de distancia como referencia. En equilibrio, medimos la diferencia de temperatura ΔT entre la sonda interna y la referencia. Observamos un efecto radiativo de 0,5°C y un efecto de convección de 0,4°C.
Espectro de absorción de CO2
La molécula de CO₂ absorbe los rayos infrarrojos debido a sus modos de vibración, incluidas las vibraciones asimétricas de estiramiento y flexión. Cuando los átomos de la molécula vibran de una manera que cambia el momento dipolar, pueden interactuar con la radiación infrarroja. Estas vibraciones permiten que la molécula de CO₂ absorba y vuelva a emitir energía infrarroja. Sin embargo, la molécula de CO2 no absorbe todas las frecuencias. Como demostró John Tyndall con el desarrollo del primer espectro de absorbancia de diferentes gases, el CO2 tiene diferentes bandas de absorción en el infrarrojo medio y lejano (4 micrómetros y 15 micrómetros). Otros compuestos de la atmósfera, como el vapor de agua, también contribuyen al calentamiento global al absorber otras frecuencias de rayos infrarrojos, en particular el infrarrojo medio, de alrededor de 6,3 micrómetros.
Para visualizar esta absorción podemos realizar el siguiente experimento [11] . Inflamos un globo con CO2 usando bicarbonato y vinagre, e inflamos otro globo con aire. Luego medimos la temperatura de la llama de una vela colocada detrás del globo usando una cámara de infrarrojos. Observamos que la temperatura máxima de la llama disminuye cuando se utiliza un globo lleno de CO2, debido a que la radiación infrarroja es absorbida por el CO2 presente en el globo.
También es posible reproducir el experimento de Tyndal construyendo una cámara cerrada por un extremo y en la que se coloca una termopila. Delante de este dispositivo se coloca una vela que genera rayos infrarrojos. A esta cámara se introduce dióxido de carbono o aire colocado en un globo. Comparamos el impacto del aire y el CO2. Este equipo preciso que permite condiciones perfectamente reproducibles es la forma ideal de estudiar el efecto de los rayos infrarrojos sobre el CO2.
Enfriamiento de la estratosfera
Una de las predicciones más convincentes al modelar el efecto del calentamiento global es el enfriamiento de la estratosfera.
La estratosfera es la segunda capa de la atmósfera terrestre, situada por encima de la troposfera y se extiende de 10 a 50 kilómetros sobre el nivel del mar. Se caracteriza por un aumento progresivo de la temperatura con la altitud, debido a la absorción de los rayos ultravioleta (UV) por el ozono. Esta capa es esencial para proteger la vida en la Tierra porque contiene la capa de ozono, que absorbe la mayoría de los dañinos rayos ultravioleta del sol. A diferencia de la troposfera, la estratosfera es relativamente estable y con poco movimiento vertical de aire.
En 1967, los científicos Syukuro Manabe y Richard Wetherald realizaron el primer modelo informático del impacto de una duplicación de la concentración de CO2 en la atmósfera. Calculan que el efecto invernadero provocaría un calentamiento de la troposfera pero también, y lo que es más sorprendente, un enfriamiento de la estratosfera. De hecho, si hay más gases de efecto invernadero en la estratosfera, ésta, que se comporta como un cuerpo negro, emitirá más radiación infrarroja tanto hacia el cielo como hacia la Tierra. Pero como llega menos calor a la estratosfera ya que este calor es capturado en las capas de la troposfera, esta capa atmosférica se enfría porque emite más radiación de la que recibe.
Este contraste entre el calentamiento de la troposfera y el enfriamiento de la estratosfera es una señal clara del impacto de las actividades humanas en el clima y las predicciones de Manabe y Wetherald han sido confirmadas por mediciones realizadas por satélites y globos sonda.
Para experimentar con este efecto tan particular podemos utilizar una piscina solar. Una piscina solar, o piscina solar, es un recipiente en el que se ha colocado agua muy salada y que se coloca al sol. La densidad del agua aumenta con la salinidad porque las sales disueltas añaden masa al agua sin aumentar significativamente su volumen. Las capas de la columna de agua se estratifican naturalmente según su densidad, con capas más densas (más saladas) en la parte inferior y capas menos densas (menos saladas o frescas) en la parte superior. Esta estratificación crea una situación estable donde las capas más pesadas permanecen en el fondo, evitando movimientos convectivos que podrían mezclar las capas.
En las cuencas solares, esta estratificación se aprovecha para crear un gradiente térmico estable. La capa superior, poco salada, actúa como aislamiento térmico. La capa intermedia, con un gradiente de salinidad, impide los movimientos de convección, atrapando así el calor. La capa inferior, muy salada y densa, absorbe y almacena el calor solar. Esta configuración permite que la cuenca solar retenga eficazmente el calor, evitando la mezcla de capas y maximizando la absorción y almacenamiento de energía solar. Este calor atrapado puede luego extraerse mediante intercambiadores de calor y utilizarse para diversas aplicaciones, como calefacción de espacios, procesos industriales o generación de energía. El estanque solar captura y retiene la energía solar de forma sencilla y eficiente, proporcionando un método eficaz para almacenar y utilizar energía térmica.
Lo que vemos y que nos permite comprender mejor el efecto refrescante de la estratosfera es que si aumentamos la concentración de sal, con iluminación constante, la temperatura de la superficie del agua disminuye. Esto se debe a que queda más energía atrapada en el fondo de la piscina y hay menos energía disponible para calentar la superficie de la piscina.
Conclusión
Comprender y demostrar el efecto invernadero, la clave del calentamiento global, es un gran desafío experimental. Aunque hay muchos experimentos disponibles, pocos son fielmente reproducibles. Sin embargo, con equipos económicos es posible realizar experimentos completamente realistas que permitan mostrar diferentes aspectos del fenómeno del efecto invernadero [11]. [12] . Los enfoques y analogías combinados permiten comprender los aspectos esenciales del calentamiento global, destacando la importancia de una enseñanza científica rigurosa y variada.
Más información
[1] http://climatechangeeducation.org/hands-on/difficulties/heating_greenhouse_gases/sound_examples/
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