seminario sobre cambio climático. sesión 1.- el efecto invernadero
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ÍNDICE
1.- Introducción
2.- La luz, radiación electromagnética
3.- La absorción de la energía de la luz por los gases
4.- El efecto de invernadero
5.- Los GEI*: origen y evolución
* GEI: Gases de efecto de invernadero
www.universidadpopularc3c.es
Tres Cantos,
19-04-2017
Curso 2017-2018
Seminario sobre el Cambio Climático Jornada 1. El efecto de invernadero
P-1 Pág. 1/1519-4-2017
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Introducción
Este Seminario se ha preparado para un público
general, y por ese motivo nos hemos esforzado porque
las explicaciones no excedan el nivel del bachillerato.
No obstante, se recomienda que los asistentes
complementen la documentación que les entregamos
con una bibliografía un poco más avanzada.
Documentación general
- Un texto de física que incluya secciones sobre Calor
y Electromagnetismo
- Un texto de estadística general
Documentación específica
- Un texto de divulgación sobre climatología
- Se recomienda especialmente: “La Tierra herida”, de
M. Delibes
- Se recomienda: www.realclimate.com
P-1 Pág. 2/15
19-4-2017Bibliografía
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La Ciencia se encarga de descubrir las causas de esos
fenómenos
Climáticos
Biosfera
Geofísicos
Geoquímicos
Efectos Observados
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Introducción
La Ciencia establece leyes fundamentales
de la Naturaleza
La Ciencia hace predicciones
Se realizan experimentos/ob-servaciones para
contrastar las predicciones
Resultados
compatiblesModificar hipótesis
NO
Mendelejev
Tabla Periódica
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Un enigma conocido desde la antigüedad: El enfriamientoextraordinario que sufre la Tierra por la noche, en losdesiertos y otros lugares en los que hay una marcadaescasez de humedad en el aire.
En un punto delSahara se hanregistrado en unmismo día tempera-turas entre – 0,5 ºCy + 37,5 ºC
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Introducción
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En 1824 Jean Baptiste Joseph Fourierpublica un estudio titulado"Observaciones generales sobre latemperatura del globo terrestre y losespacios planetarios“.
Describía una invisible cúpula de gasque rodea la Tierra y ayuda a mantenerlacaldeada conservando el calor recibidodel Sol, evitándose así el enfriamientonocturno exagerado.
Pero, ¿qué pasa en los desiertos para que se
produzca ese enfriamiento tan grande?Volver a Índice
Introducción
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En 1862, el científico irlandés JohnTyndall (fue uno de los científicosexperimentales más importantes de suépoca) describió de forma intuitiva laclave de lo que, andando el tiempo, sellamaría “efecto de invernadero”.
Había descubierto en su laboratorio queciertos gases, entre ellos el vapor deagua y el CO2 eran opacos a lo queentonces se llamaba “rayos caloríficos”.
Relacionó, de forma cualitativa, el freno alenfriamiento de la atmósfera con la presencia deestos gases, que interfieren con la radiación queescapa de la Tierra y atraviesa la atmósfera.
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Introducción
P-1 Pág. 7/1519-4-2017
Por analogía, este freno al enfriamientonocturno se llama “efecto deinvernadero”, puesto que produce unefecto similar al del vidrio de losinvernaderos.
Ahora queda más claro lo quesucede en los desiertos: el“efecto de invernadero” estáatenuado, como había intuidoFourier.
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Introducción
El efecto de invernadero tendría que afectar a toda la Tierra
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Hacia mil ochocientos noventa ytantos, Svante Arrhenius intervino enuna de las controversias de la épocaacerca de las causas de la erasglaciales
En su época ya se conocía de forma
cualitativa la absorción de energía
radiante por algunos gases, y pensó
que las glaciaciones se podrían haber
producido por una reducción
temporal de ese efecto.
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Introducción
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19-4-2017
Energía Transmitida:
70-75 %
Viaje de la radiación desde
las capas altas de la atmós-
fera hasta el suelo
Viaje de la radiación desde
el suelo hasta las capas
altas de la atmósfera
Energía Transmitida:
15-30 %
Energía Absorbida:
25-30 %Energía Absorbida:
70-85 %
Al llegar al suelo, la energía
se transforma: calienta el
suelo, y éste emite en onda
larga (infrarrojo)
Longitud de onda:
0,2-3,5 μm
Longitud de
onda:4-70 μm
(Infrarrojo)
Atmósfera
Efecto de Invernadero
(Explicación Esquemática)
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SOL
Luz del Sol. “Cuerpo ne-
gro” radiando a 6500 ºC
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Publicó estos resultados en 1896, y una
de las conclusiones principales era:
Si se redujera a la mitad la cantidad de
CO2 presente en la atmósfera, la
temperatura media de la Tierra se
reduciría entre 4 y 5 ºC.
Este resultado parecía apoyar el origen
de las glaciaciones, de acuerdo con el
conocimiento que se tenía en esa época
sobre éstas.
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Introducción
P-1 Pág. 11/1519-4-2017
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Pero también se puede derivar una
consecuencia lógica de los resultados
de Arrhenius:
Si se doblara la cantidad de CO2 en la
atmósfera, la temperatura media de la
Tierra subiría entre 5 y 6 ºC.
Introducción
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En 1900, Knut Ångström puso a prueba losresultados de Arrhenius, y realizó unexperimento de medición de la variación de lacantidad de energía radiante absorbida por elCO2 con la variación de la cantidad de este gas
Esto significaba que no se podría producir
ningún aumento de temperatura al aumentar el
CO2 en la atmósfera
Estos experimentos se realizaron enlaboratorios situados en capas bajas de laatmósfera, y los resultados mostraban que elCO2 presente en la atmósfera estaba“saturado” para la radiación.
Introducción
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Este resultado supuso un grave descréditopara Arrhenius. Éste abandonó susinvestigaciones sobre el origen de lasglaciaciones, y ningún otro científicoimportante se dedicó durante varias décadas ainvestigar en este campo.
Se puede decir que había una confianza
generalizada en que el CO2 emitido por los
seres humanos no podría nunca llegar a
afectar a algo tan inmensamente grande como
la atmósfera y el clima de la Tierra.
En aquella época no había un “punto de vistaoficial" sobre un hipotético calentamientoexcesivo de la Tierra por la presencia de gasesde efecto invernadero.
Introducción
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Introducción
Un “desierto helado”: Desierto de Gobi
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P-1 Pág. 15/1519-4-2017
Representación gráfica de las causas
principales de las glaciaciones, según las
teoría de Milutin Milankovitch, publicadas en
1914
Introducción
P-2 Pág. 1/619-4-2017 La luz, radiación electromagnética
Newton realizó elexperimento dedispersión de la luz“blanca” del Sol porun prisma.
Concluyó que la luzdel Sol estácompuesta por lamezcla de luces dedistintos colores
Luz del Sol
incidente
Dispersión de la luz por un
prisma (experimento de Newton) Volver a Índice
P-2 Pág. 2/619-4-2017
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La luz, radiación electromagnética
Energía de la luz: obedece a la leyde Planck (principio fundamental dela mecánica cuántica)E = hvE = Energíah = constante de PlanckV= frecuencia de la luz
En la actualidad se considera que la
luz tiene una naturaleza doble:
- Es una onda electromagnética
- Es una emisión de partículas
subatómicas llamadas fotones
La luz como una onda
electromagnética:
- Una onda en un campo
magnético en fase con una onda
en un campo eléctrico.
- Ambos campos son perpen-
diculares entre si
Observar: La longitud de onda λ
= inverso de la frecuencia
P-2 Pág. 3/619-4-2017
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Espectro electromagnético completo
La luz, radiación electromagnética
P-2 Pág. 4/619-4-2017
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Espectro
electromagnético
completo
La luz visible constituye una
parte muy pequeña del
espectro total.
(Observar la escala
logarítmica)
La luz, radiación electromagnética
10
00
nm
=
P-2 Pág. 5/619-4-2017
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Podemos decir que la frecuencia de la radiación, sulongitud de onda y el color correspondiente son soloaspectos de algo más fundamental: la energía de laradiación
Al hablar de una cualquiera de las líneas del
espectro, podemos referirnos indistintamente a
su longitud de onda, a su frecuencia o a su color,
pero en todo caso hablamos de su energía
La luz, radiación electromagnética
P-2 Pág. 6/619-4-2017
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Espectros de emisión y de absorción
La luz, radiación electromagnética
P-3 Pág. 1/319-4-2017
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Las rayas de los espectros de emisión y absorción son el
resultado de la interacción de la luz en el nivel atómico
de la materia:
Captura de la energía por un electrón de un átomo y salto
a un nivel de energía diferente.
Pero la luz también interacciona en el nivel molecular de
la materia:
Captura de la energía por uno o varios átomos completos
y modificación de su estado vibratorio
Absorción de la energía de la luz por
los gases
La captura se realiza solo para unas energías
correspondientes a unas frecuencias perfectamente
definidas, pero no a otras.
P-3 Pág. 2/319-4-2017Absorción de la energía de la luz por
los gases
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La radiación incide sobre una molécula del gas, y es
absorbida, originando un desplazamiento vibratorio de
los átomos constituyentes.
La energía absorbida se transforma en un aumento de la
temperatura del gas, que emite una radiación con la
misma frecuencia que la radiación incidente.
Absorción y emisión de radiación
infrarroja (ejemplo para el H2O)
Cada uno de los modos
de vibración tiene una
frecuencia propia
P-3 Pág. 3/319-4-2017 Absorción de la energía de la luz por
los gases
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Bandas de absor-ción de los gases atmosféricos
P-4 Pág. 1/1419-4-2017
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Vamos a explicar el efecto de invernadero de forma
un poco más rigurosa que la que hemos aplicado en
la página 9 de la Introducción.
No obstante, se recomienda leer el artículo siguiente,
escrito por Raymond T. Pierrehumbert, (Louis Block
Professor in Geophysical Sciences, Universidad de Chicago)
https://geosci.uchicago.edu
/~rtp1/papers/PhysTodayRT
2011.pdf
El efecto de invernadero
P-4 Pág. 2/1419-4-2017
Algunas cuestiones fundamentales
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Función de Planck para la radiación de un
cuerpo negro a 260 ºK ͌ -13,16 ºC
Número de
ondas = 1/ν
El efecto de invernadero
P-4 Pág. 3/1419-4-2017
Algunas cuestiones fundamentales
F = σT4
En esta fórmula tenemos:
σ = 2π5kb4/(15c2h3) ͌ 5,67x10-8wm-2K-4
kb= Constante de Boltzmann
c = Velocidad de la luz
h= Constante de Planck
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El efecto de invernadero
Ley de Stefan-
Boltzmann
P-4 Pág. 4/1419-4-2017
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El efecto de invernadero
En ¡1930! E. O. Hulburt y otros científicos hallaron
errores de concepto muy graves en el experimento
de Ångström, que invalidaban sus resultados, y que,
en principio, volvían a dar cierto crédito a la
explicación de Arrhenius.
El aspecto más importante que Ångström había
pasado por alto es que la transmisión de la energía a
través de la atmósfera es un fenómeno muy
complejo, debido a que se da de forma simultánea la
radiación de las capas de la atmósfera y la
transmisión entre diferentes capas.
P-4 Pág. 5/1419-4-2017
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El efecto de invernadero
La radiación procedente del Sol llega a las capas superiores de laatmósfera con el espectro de un “cuerpo negro” ideal que emitiera aunos 6500ºC
P-4 Pág. 6/1419-4-2017
Durante la transmisión através de la atmósferahacia el exterior, estaenergía es parcialmenteabsorbida, pero ahora porel CO2 y H2O, lo que dalugar al efecto invernadero.
El efecto de invernadero
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Fuente: Robert Rohde en Wikipedia
Fuente: Univ. California -https://www.ucar.edu/learn/1_3_1.htm
P-4 Pág. 7/1419-4-2017
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El suelo emite como un cuerponegro ideal, caracterizado por lafunción B de Planck.
La energía escapará hacia elespacio desde la capa 3, que esla capa superior de la atmósfera.
El efecto de invernadero
El efecto de invernadero nocalienta la Tierra, sino que“frena” la emisión de laradiación infrarroja que emite laTierra.
El efecto final es aun aumento detemperatura de la Tierra.
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Balance energético del efecto de invernadero
El efecto de invernadero
Fuente: Revista Investigación y Ciencia, 1988
P-4 Pág. 9/1419-4-2017
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El efecto de invernadero
Aerosoles estratosféricos
Gases traza
Gases moleculares (dispersión de
Rayleigh)
Aerosoles troposféricos
Superficie del terreno
Capas y constituyentes atmosféricosA
ltitud s
obre
el niv
el del m
ar
P-4 Pág. 10/1419-4-2017
Variación de la temperatura de la atmósfera con la altitudVolver a Índice
El efecto de invernadero
P-4 Pág. 11/1419-4-2017
Diagrama de fases del CO2 Volver a Índice1 kPa aprox. 0,01 Atm
El efecto de invernadero
.
P-4 Pág. 12/1419-4-2017
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Correlación entre la temperatura global y la
concentración de CO2
Fuente: Revista
Investigación y
Ciencia, Junio
de 1989
El efecto de invernadero
P-4 Pág. 13/1419-4-2017El efecto de invernadero
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Medición espesor del hielo
por un submarino en el polo
Norte en 1958
Globo
estratosférico,
1958
P-4 Pág. 14/1419-4-2017
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El efecto de invernadero
El CO2 es un “driver” (impulsor), mientras que
el vapor de agua es un efecto del CO2
El CO2 o el vapor de agua. ¿Cuál de ellos
origina la mayor parte del calentamiento?
P-5 Pág. 1/1819-4-2017
Volver a ÍndiceNMVOC: compuestos orgánicos volátiles (no metano)
Gases de Efecto de Invernadero
Nat. AntropogénicosC
am
bio
s e
n l
a r
ad
iació
n s
ola
r
Cam
bio
s e
n e
lalb
ed
o p
or
uso
de l
as t
ierr
as
Gases y aerosoles de corta vida Gases GEI bien
mezclados
Aerosoles y precursores(Polvo minerales, SO4, NH3,
Carbono orgánico, negro de
humo
NO
x
NM
VO
C
CO
N2O
Halo
carb
uro
s
CH
4
CO
2
Co
mp
uesto
s
em
itid
os
Ajustes en
las nubes
debidos a
los
aerosoles
Polvo
minerales,
Sulfatos,
Nitratos,
carbono
orgánico,
negro de
humo
Nit
rato
, C
H4, O
3
CO
2, C
H4, O
3
CO
2, C
H4, O
3
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2
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FC
’s,
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CO
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3,C
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CO
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féri
co
sre
su
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tes
P-5 Pág. 2/1819-4-2017
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El CO2 produce el forzamiento
máximo, pero los efectos del resto
de GEI no son despreciables
Ver el efecto de enfriamiento de los aerosoles, las nubes y el cambio de uso de las tierras.
NMVOC: compuestos
orgánicos volátiles
(no metano)
Balance de forzamientos radiativos- Informe IPCC de 2013
P-5 Pág. 3/1819-4-2017
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CO2
10 %
Reside en
la
atmósfera
en 10.000
años
Fuente: Union of Concerned Sciencists
Tiempo de residencia de GEI en la atmósfera
CO2
20 %
Reside en
la
atmósfera
1.000
años
CO2
40 %
Reside en
la
atmósfera
100 años
CH4
100 %
Reside en
la
atmósfera
12 años
Fuente IPCC-2013. https://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_Chapter08_FINAL.pdf
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
1993 2001 2013
P-5 Pág. 4/1819-4-2017
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El aumento del
forzamiento radiativo
se mide respecto del
valor del año 1750.
El valor absoluto en
1850 era aprox. 0,17
w/m2
Evolución del forzamiento radiativodel CO2 en w/m2 Informe IPCC de 2013
El efecto de invernaderoP-5 Pág. 5/1819-4-2017
Volver a ÍndiceFuente: ESRL-NOAAhttp://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/globalview/
Vo
lve
r a
Ín
dic
e
Concentración de CO2 en la
atmósfera en 2015
400 ppm = 0,04%
La concentración de CO2 es el
resultado de la acumulación de las
diferencias entre emisiones y
absorciones
P-5 Pág. 6/1819-4-2017
Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
Vo
lve
r a
Ín
dic
e
La velocidad de aumen-
to de la concentración
de CO2 sigue creciendo:
- En 1948: 0,38 ppm/año
- En 2016: 2,30 ppm/año
P-5 Pág. 7/1819-4-2017
La reducción de la velocidad de
crecimiento de emisiones
debiera pasar por un punto de
inflexión=línea horizontal
Velocidad de aumento de la Concentración
de CO2 en la atmósfera (ppm/año)
Vo
lve
r a
Ín
dic
e
P-5 Pág. 8/1819-4-2017
Se ha calculado una curva de
regresión (R= 0,99) con los
valores desde 1948 hasta 2005
Curva de regresión: y=0,0128x2-0,5422x-0,00933
En la fórmula el valor x para
1948 vale 40,2 y para cada año
sucesivo se suma 1.
Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
Hipótesis neutra: la media de las diferencias entre datos y puntos de la
curva posteriores a 2005 está dentro del I.C. de la media anterior a 2005.
Los datos muestran que no hay razones para rechazar esta hipótesis
P-5 Pág. 9/1819-4-2017
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Concentración de CO2 en la atmósfera (ppm)
P-5 Pág. 10/1819-4-2017La “Gran Pregunta”
¿Cuánto CO2 podemos
emitir sin correr riesgos
inasumibles y sobrepasar
2ºC en 2100?
La respuesta es
probabilística
Concentrac.
de CO2 (eq.)
Probabilidad de
sobrepasar 2ºC
Concentrac.
de CO2
550 ppm* 68 – 99 %*471 ppm*
450 ppm 26 – 78 %400 ppm
400 ppm 2 – 58 %355 ppm
Años al
ritmo actual
2043*
2015
1992
Un aumento de 2º C sobre la temperatura preindustrial supondría someter al Mundo a un
cúmulo de problemas que haría la vida muy difícil para miles de millones de personas
* Al ritmo actual de emisiones de CO2
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Pulsar para ver evolución futura
P-5 Pág. 11/1819-4-2017
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Acidificación y aumento de
temperatura de los océanos
-Cambio de uso de las tierras
Reducen sucapacidad deabsorción delCO2
Aumenta la cantidad de CO2
retenida en la atmósfera
P-5 Pág. 12/1819-4-2017
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El calentamiento global está en
marcha y se está acelerando
La cantidad de CO2 en la
atmósfera es la más alta de los últimos 800.000
años
Los efectos del calentamiento global son ya innegables
Valor en 2015 =
400 ppm
Miles de años antes del presente
El calentamiento global
P-5 Pág. 13/1819-4-2017 La energía
emitida por la atmósfera por efecto
de los GEI’s es aprox. 1,34x1013
Mwhanuales (2015)
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La energía primaria producida
globalmente es aprox. 1,55x1011 Mwh (2012)
Es el 1,16 % de la energía retenida en la atmósfera por efecto de los GEI’s
El calentamiento global
Ciclo del Carbono en la NaturalezaP-5 Pág. 14/1819-4-2017
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El origen del vapor de agua es claro: a las
temperaturas actuales de la Tierra, la
tensión de vapor del agua es suficiente
para originar cantidades de vapor entre 0 y
4 %.
El origen del CO2 está en el ciclo del
Carbono en la Naturaleza. Este ciclo se
completa en millones de años, y hasta
aproximadamente 1850 había depositado
en la atmósfera de forma natural unas 290
ppm (0,029 %).
¿Cuál es el origen del H2O y del CO2?
P-5 Pág. 15/1819-4-2017Ciclo del Carbono en la Naturaleza
Fuente: Revista
“Investig. y Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989 Volver a Índice
P-5 Pág. 16/1819-4-2017Ciclo del Carbono en la Naturaleza
Fuente: Revista
“Investig. y Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989 Volver a Índice
P-5 Pág. 17/1819-4-2017
Ciclo del
Carbono en la
Naturaleza
Fuente: Revista
“Investig. y
Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989
Volver a Índice
P-5 Pág. 18/1819-4-2016 Balance del Carbono en la Naturaleza
Fuente: Revista “Investig. y Ciencia”
Robert A. Berner
Antonio C. Lasaga
Mayo 1989
1018 g = 1GT
Volver a Índice
P-5 Pág. /1919-4-2016
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