El poderoso efecto de retención de calor del dióxido de carbono se ha encontrado que se debe a una peculiaridad de su estructura cuántica. El hallazgo podría explicar el cambio climático mejor que cualquier modelo informático.

Un artículo de Joseph Howlett. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

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Una coincidencia numérica ayuda a que las moléculas de CO₂ se muevan de una determinada manera, atrapando mucha más radiación infrarroja de la Tierra de lo que lo harían de otra forma. Fuente: Kristina Armitage/Quanta Magazine; Matt Twombly para Quanta Magazine

En 1896, el físico sueco Svante Arrhenius se dio cuenta de que el dióxido de carbono (CO₂) atrapa el calor en la atmósfera terrestre, fenómeno que hoy se denomina efecto invernadero. Desde entonces, los modelos climáticos modernos, cada vez más sofisticados, han confirmado la conclusión central de Arrhenius: cada vez que se duplica la concentración de CO₂ en la atmósfera, la temperatura de la Tierra aumenta entre 2 y 5 grados Celsius.

Aun así, la razón física por la que el CO₂ se comporta de esta manera había seguido siendo un misterio hasta hace poco.

En primer lugar, en 2022, los físicos resolvieron una disputa sobre el origen de la “escala logarítmica” del efecto invernadero, es decir, la forma en que la temperatura de la Tierra aumenta en la misma cantidad en respuesta a cualquier duplicación del CO₂, sin importar las cifras brutas.

Esta primavera, un equipo dirigido por Robin Wordsworth, de la Universidad de Harvard, descubrió por qué la molécula de CO₂ es tan eficaz para atrapar el calor. Los investigadores identificaron una extraña peculiaridad de la estructura cuántica de la molécula que explica por qué es un gas de efecto invernadero tan potente y por qué el aumento de la emisión de carbono al cielo impulsa el cambio climático. Los hallazgos aparecieron en The Planetary Science Journal.

“Es un artículo realmente interesante”, comenta Raymond Pierrehumbert, un físico atmosférico de la Universidad de Oxford que no ha participado en el trabajo. “Es una buena respuesta a todas aquellas personas que dicen que el calentamiento global es simplemente algo que surge de modelos informáticos impenetrables”.

Por el contrario, el calentamiento global está ligado a una coincidencia numérica que involucra dos formas diferentes en las que el CO₂ puede moverse.

“Si no fuera por este accidente”, afirma Pierrehumbert, “muchas cosas serían diferentes”.

Una vieja conclusión

Robin Wordsworth, científico del clima de la Universidad de Harvard, recurrió a la mecánica cuántica para comprender el espectro de absorción del dióxido de carbono. Fuente: ETH Zurich

¿Cómo pudo Arrhenius comprender los conceptos básicos del efecto invernadero antes de que se descubriera la mecánica cuántica? Todo empezó con Joseph Fourier, un matemático y físico francés que se dio cuenta hace exactamente 200 años de que la atmósfera de la Tierra aísla al planeta del frío helado del espacio, un descubrimiento que dio inicio al campo de la ciencia del clima. Luego, en 1856, una estadounidense, Eunice Foote, observó que el dióxido de carbono es particularmente bueno para absorber la radiación. A continuación, el físico irlandés John Tyndall midió la cantidad de luz infrarroja que absorbe el CO₂, mostrando el efecto que Arrhenius luego cuantificó utilizando conocimientos básicos sobre la Tierra.

La Tierra irradia calor en forma de luz infrarroja. La esencia del efecto invernadero es que parte de esa luz, en lugar de escapar directamente al espacio, choca con las moléculas de CO₂ de la atmósfera. Una molécula absorbe la luz y luego la vuelve a emitir. Luego, otra lo hace. A veces, la luz vuelve a bajar hacia la superficie. A veces, sube al espacio y deja la Tierra un ápice más fría, pero sólo después de recorrer un camino irregular hasta las frías capas superiores de la atmósfera.

Utilizando una versión más rudimentaria del mismo enfoque matemático que utilizan los científicos del clima hoy en día, Arrhenius concluyó que agregar más CO₂ haría que la superficie del planeta se calentara. Es como agregar aislamiento a las paredes para mantener la casa más cálida en invierno: el calor de la caldera entra al mismo ritmo, pero se escapa más lentamente.

Sin embargo, unos años después, el físico sueco Knut Ångström publicó una refutación. Argumentaba que las moléculas de CO₂ solo absorben una longitud de onda específica de radiación infrarroja: 15 micras. Y ya había suficiente gas en la atmósfera para atrapar el 100% de la luz de 15 micras que emite la Tierra, por lo que agregar más CO₂ no haría nada.

efecto invernadero

De lo que Ångström no se dio cuenta fue que el CO₂ puede absorber longitudes de onda ligeramente más cortas o más largas que 15 micras, aunque con menos facilidad. Esta luz se captura menos veces a lo largo de su viaje al espacio.

Pero esa tasa de captura cambia si la cantidad de dióxido de carbono se duplica. Ahora la luz tiene que esquivar el doble de moléculas antes de escapar, y tiende a ser absorbida más veces en el camino. Escapa de una capa más alta y más fría de la atmósfera, por lo que la salida de calor se reduce a un goteo. Es la mayor absorción de estas longitudes de onda cercanas a las 15 micras la responsable de nuestro clima cambiante.

A pesar del error, el artículo de Ångström generó suficientes dudas sobre la teoría de Arrhenius entre sus contemporáneos como para que el debate sobre el cambio climático prácticamente dejase de ser relevante durante medio siglo. Incluso hoy, los escépticos del consenso sobre el cambio climático a veces citan el argumento erróneo de Ångström sobre la “saturación” de carbono.

De vuelta a lo básico

A diferencia de aquellos primeros tiempos, la era moderna de la ciencia climática ha avanzado en gran medida gracias a modelos computacionales que capturan las múltiples facetas complejas y caóticas de nuestra atmósfera desordenada y cambiante. Para algunos, esto hace que las conclusiones sean más difíciles de entender.

“He hablado con muchos físicos escépticos y una de sus objeciones es: ‘Ustedes simplemente ejecutan modelos informáticos y luego aceptan las respuestas de este cálculo de caja negra, y no lo entienden en profundidad’”, explica Nadir Jeevanjee, físico atmosférico de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos (NOAA, por sus siglas en inglés). “Es un poco insatisfactorio no poder explicarle a alguien en una pizarra por qué obtenemos los números que obtenemos”.

Jeevanjee y otros como él se han propuesto construir una comprensión más sencilla del impacto de la concentración de CO₂ en el clima.

efecto invernadero

El científico sueco Svante Arrhenius fue, en 1896, la primera persona que determinó la sensibilidad de la temperatura de la Tierra a los cambios en los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera. Fuente: Chronicle/Alamy

Una pregunta clave fue el origen de la escala logarítmica del efecto invernadero (el aumento de temperatura de 2 a 5 grados que los modelos predicen que ocurrirá por cada duplicación del CO₂). Una teoría sostenía que la escala se debía a la rapidez con la que la temperatura bajaba con la altitud. Pero en 2022, un equipo de investigadores utilizó un modelo simple para demostrar que la escala logarítmica se debía a la forma del “espectro” de absorción del dióxido de carbono (cómo su capacidad para absorber la luz varía con la longitud de onda de la luz).

Volvemos a aquellas longitudes de onda que son ligeramente más largas o más cortas que 15 micras. Un detalle crítico es que el dióxido de carbono es peor (pero no mucho peor) a la hora de absorber la luz con esas longitudes de onda. La absorción cae a ambos lados del pico a la velocidad justa para dar lugar a la escala logarítmica.

“La forma de ese espectro es esencial”, afirma David Romps, físico climático de la Universidad de California en Berkeley, coautor del artículo de 2022. “Si la cambias, no obtienes la escala logarítmica”.

La forma del espectro del carbono es inusual: la mayoría de los gases absorben un rango mucho más estrecho de longitudes de onda. “La pregunta que tenía en el fondo de mi mente era: ¿por qué tiene esta forma?”, cuenta Romps. “Pero no podía precisar la razón”.

Movimientos consecuentes

Wordsworth y sus coautores Jacob Seeley y Keith Shine recurrieron a la mecánica cuántica para encontrar la respuesta.

La luz está formada por paquetes de energía llamados fotones. Las moléculas como el CO₂ pueden absorberlos solo cuando los paquetes tienen exactamente la cantidad de energía adecuada para llevar a la molécula a un estado mecánico cuántico diferente.

El dióxido de carbono suele encontrarse en su “estado fundamental”, en el que sus tres átomos forman una línea con el átomo de carbono en el centro, equidistante de los otros. La molécula también tiene estados “excitados”, en los que sus átomos ondulan o se balancean.

efecto invernadero

Un fotón de luz de 15 micras contiene la energía exacta necesaria para que el átomo de carbono gire alrededor del punto central en una especie de movimiento de hula-hula. Los científicos del clima han culpado durante mucho tiempo a este estado de hula-hula del efecto invernadero, pero, como anticipó Ångström, el efecto requiere una cantidad de energía demasiado precisa, como han descubierto Wordsworth y su equipo. El estado de hula-hula no puede explicar la disminución relativamente lenta de la tasa de absorción de fotones más allá de las 15 micras, por lo que no puede explicar el cambio climático por sí solo.

La clave, según han descubierto, es otro tipo de movimiento, en el que los dos átomos de oxígeno se mueven repetidamente hacia y desde el centro de carbono, como si estiraran y comprimieran un resorte que los conecta. Este movimiento requiere demasiada energía para ser inducido por los fotones infrarrojos de la Tierra por sí solos.

Pero los autores han encontrado que la energía del movimiento de estiramiento es casi el doble de la del movimiento de hula-hula, por lo que ambos estados de movimiento se mezclan. Existen combinaciones especiales de ambos movimientos que requieren un poco más o un poco menos de la energía exacta del movimiento del hula-hula.

Este fenómeno único se llama resonancia de Fermi en honor al famoso físico Enrico Fermi, quien lo dedujo en un artículo de 1931. Pero su conexión con el clima de la Tierra solo se ha establecido por primera vez el año pasado en un artículo de Shine y su estudiante, y el artículo de esta primavera es el primero en exponerlo por completo.

“El momento en que escribimos los términos de esta ecuación y vimos que todo encajaba, fue increíble”, dijo Wordsworth. “Es un resultado que finalmente nos muestra cuán directamente se vincula la mecánica cuántica con la visión de conjunto”.

En cierto modo, dice, el cálculo nos ayuda a entender el cambio climático mejor que cualquier modelo informático. “Parece ser algo fundamentalmente importante poder decir en un campo que podemos demostrar a partir de principios básicos de dónde proviene todo”.

Joanna Haigh, física atmosférica y profesora emérita del Imperial College de Londres, está de acuerdo y añade que el artículo agrega poder retórico a la defensa del cambio climático al mostrar que está “basado en conceptos fundamentales de la mecánica cuántica y la física establecida”.

En enero de este año, el Laboratorio de Monitoreo Global de la NOAA informó que la concentración de CO₂ en la atmósfera aumentó desde su nivel preindustrial de 280 partes por millón a un récord de 419,3 partes por millón en 2023, lo que ha provocado un calentamiento estimado de 1 grado Celsius hasta el momento.

El artículo original, Physicists Pinpoint the Quantum Origin of the Greenhouse Effect, se publicó el 7 de agosto de 2024 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López

El artículo El origen cuántico del efecto invernadero se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.