Por qué el CO2 nos tiene sudando

Para comprender la culpabilidad del CO2 en esta historia necesitamos describir a tres personajes: la radiación electromagnética, la estructura molecular del CO2 y la conservación de la energía.

Radiación electromagnética

La luz, las ondas de radio, los rayos ultravioleta, las microondas, son ejemplos de campos electromagnéticos que oscilan con una cierta frecuencia y viajan a la velocidad de la luz: en resumen, radiación. Nuestros ojos son sensibles a un pequeño rango de frecuencias. Distintas combinaciones de éstas dan origen a todos los colores habidos y por haber. Los colores se pueden describir por su frecuencia o por su longitud de onda. Si la onda es más pequeña que 0.4 micrómetros (un micrómetro es la millonésima parte de un metro) el color ya no puede verse. Es lo que llamamos rayos ultravioleta. Por otra parte, si la onda es más grande que 0.75 micrómetros tampoco la podemos ver, es la región que llamamos infrarrojo.

Lo que podemos ver.

Una forma de producir radiación electromagnética es calentando un objeto. La superficie del sol está a unos 6000 grados Celsius. Debido a esto, la ley de Planck nos dice que sol irradia mayormente en lo que son los colores visibles. El color del sol (y de toda estrella) es consecuencia directa de su temperatura.

Cuando la luz del sol incide en la tierra, ésta se calienta. Nuevamente, la ley de Planck nos dice que en virtud de su temperatura, la tierra también emite radiación. Pero la tierra es más fría que el sol, por lo tanto la radiación que produce es menos energética, se encuentra en el rango infrarrojo.

La molécula de CO2

Como lo dice la fórmula, el CO2 está hecho de un átomo de carbono y dos de oxígeno. Están dispuestos linealmente con el carbono en el medio. Usualmente uno se imagina a los átomos unidos rígidamente entre sí. Sin embargo, siendo realistas, las moléculas vibran. La fuerza electrostática que une a los átomos se comporta más bien como un resorte. En este gif animado vemos cómo vibran las moléculas de nitrógeno, oxígeno y CO2.

El nitrógeno y el oxígeno molecular tienen sólo dos átomos y vibran de una sola manera. El CO2 tiene tres átomos, lo cual le da la versatilidad de vibrar de tres formas diferentes. Cada forma o modo de vibración tiene una frecuencia única, determinada por la masa de los átomos y la fuerza de su enlace químico. Aquí viene el detalle clave: las frecuencias de vibración del CO2 están en el rango infrarrojo.

La energía sólo se transforma

Cuando el sol calienta la tierra y esta a su vez emite en infrarrojo, las moléculas de CO2 en la atmósfera absorben la radiación que corresponde a la frecuencia en la que vibran. Este es un ejemplo del efecto de resonancia. La energía transportada en infrarrojo es transformada a energía de vibración molecular, lo cual no es más que una forma sofisticada de describir algo que todos conocemos: temperatura. A mayor cantidad de vibración y movimiento molecular, mayor es la temperatura.

Ahora que ya sabemos lo que hace cada personaje, podemos adivinar el final de la historia: mientras más CO2 haya en la atmósfera, mayor será la absorción de la radiación infrarroja que emana de la tierra. Si no hubiera CO2, la radiación escapa al espacio y el planeta sería más frío. El CO2 funciona como una cobija que no deja escapar la energía de la luz infrarroja, esa energía se convierte en calor y por lo tanto aumenta la temperatura. Ese es el efecto de invernadero.

El mismo análisis se puede extender a otros gases en la atmósfera. De hecho, resulta que el vapor de agua (molécula que también tiene tres átomos) también es un gas de invernadero. Pero a diferencia del CO2, el vapor de agua se produce en los océanos y no por actividad humana. Todavía más, el vapor no se queda indefinidamente en la atmósfera, pues se elimina cuando se condensa y llueve.

La atmósfera se compone de nitrógeno y oxígeno en un 99%. Las frecuencias de vibración de estos gases están fuera del rango infrarrojo y por eso es que no son gases de invernadero. La cantidad de CO2 es mucho menor, del orden de centenas de partes por millón, pero es lo suficiente para alterar la temperatura del planeta.

Es debido a las propiedades físicas de la molécula de CO2 y al hecho de que es producido en grandes cantidades por actividad humana que dicho gas es una amenaza para el clima del planeta.