Metano atmosférico
Metano en la atmósfera de la Tierra

Concentraciones de metano (CH 4 ) en la atmósfera medidas por el Experimento Avanzado de Gases Atmosféricos Globales (AGAGE) en la atmósfera inferior ( troposfera ) en estaciones de todo el mundo. Los valores se dan como fracciones molares medias mensuales libres de contaminación en partes por mil millones . [1]

El metano atmosférico es el metano presente en la atmósfera de la Tierra . [2] La concentración de metano atmosférico está aumentando debido a las emisiones de metano y está causando el cambio climático . [3] [4] El metano es uno de los gases de efecto invernadero más potentes . [5] : 82  El forzamiento radiativo (FR) del metano sobre el clima es directo, [6] : 2  y es el segundo mayor contribuyente al forzamiento climático causado por el hombre en el período histórico. [6] : 2  El metano es una fuente importante de vapor de agua en la estratosfera a través de la oxidación; [7] y el vapor de agua agrega aproximadamente el 15% al ​​efecto de forzamiento radiativo del metano. [8] El potencial de calentamiento global (GWP) del metano es de aproximadamente 84 en términos de su impacto durante un período de 20 años, y 28 en términos de su impacto durante un período de 100 años. [9] [10]

Desde el comienzo de la Revolución Industrial (alrededor de 1750), la concentración de metano en la atmósfera ha aumentado alrededor de un 160%, y las actividades humanas causaron casi en su totalidad este aumento. [11] Desde 1750, el metano ha contribuido con el 3% de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en términos de masa [12] pero es responsable de aproximadamente el 23% del forzamiento radiativo o climático . [13] [14] [15] Para 2019, las concentraciones globales de metano habían aumentado de 722 partes por mil millones (ppb) en tiempos preindustriales a 1866 ppb. [16] Este es un aumento de un factor de 2,6 y el valor más alto en al menos 800.000 años. [17] : 4  [18] [19]

El metano aumenta la cantidad de ozono (O 3 ) en la troposfera (de 4 millas (6 km) a 12 millas (19 km) desde la superficie de la Tierra) y también en la estratosfera (desde la troposfera hasta 31 millas (50 km) por encima de la superficie de la Tierra). [20] Tanto el vapor de agua como el ozono son GEI, que a su vez contribuyen al calentamiento climático. [6] : 2 

Papel en el cambio climático

La influencia del calentamiento (llamada forzamiento radiativo ) de los gases de efecto invernadero de larga duración casi se ha duplicado en 40 años, siendo el dióxido de carbono y el metano los impulsores dominantes del calentamiento global . [21]
Forzamiento radiativo (influencia del calentamiento) de diferentes contribuyentes al cambio climático hasta 2019, según se informa en el Sexto informe de evaluación del IPCC .

El metano (CH 4 ) en la atmósfera de la Tierra es un poderoso gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global (GWP) 84 veces mayor que el CO 2 en un período de 20 años. [22] [23] El metano no es tan persistente como el CO 2 y disminuye a aproximadamente 28 veces más que el CO 2 en un período de 100 años. [10]

El forzamiento radiativo o climático es el concepto científico utilizado para medir el impacto humano sobre el medio ambiente en vatios por metro cuadrado (W/m 2 ). [24] Se refiere a la "diferencia entre la irradiancia solar absorbida por la Tierra y la energía irradiada de vuelta al espacio" [25] Se estimó que el efecto de forzamiento radiativo directo de los gases de efecto invernadero del metano fue un aumento de 0,5 W/m 2 en relación con el año 1750 (estimación en 2007). [26] : 38 (Figura 2.3) 

En su informe de 2021 "Evaluación global del metano", el PNUMA y el CCAC afirmaron que su "comprensión del efecto del metano en el forzamiento radiativo" mejoró con la investigación de los equipos dirigidos por M. Etminan en 2016, [13] y William Collins en 2018. [6] Esto dio lugar a una "revisión al alza" desde el Quinto Informe de Evaluación (AR5) del IPCC de 2014. La "mejor comprensión" dice que las estimaciones anteriores del "impacto social general de las emisiones de metano" probablemente se subestimaron. [27] : 18 

Etminan et al. publicaron sus nuevos cálculos para el forzamiento radiativo (RF) del metano en un artículo de la revista Geophysical Research Letters de 2016 que incorporaba las bandas de onda corta del CH 4 para medir el forzamiento, no utilizadas en métodos anteriores y más simples del IPCC. Sus nuevos cálculos de RF, que revisaron significativamente los citados en informes anteriores y sucesivos del IPCC para forzamientos de gases de efecto invernadero bien mezclados (WMGHG, por sus siglas en inglés) al incluir el componente de forzamiento de onda corta debido al CH 4 , dieron como resultado estimaciones que eran aproximadamente un 20-25% más altas. [13] Collins et al. dijeron que la mitigación del CH 4 que reduce el metano atmosférico para fines de siglo, podría "hacer una diferencia sustancial en la viabilidad de lograr los objetivos climáticos de París", y nos proporcionaría más "emisiones de carbono permitidas para 2100". [6]

Además del efecto de calentamiento directo y las reacciones normales, el metano se descompone en dióxido de carbono y agua. Esta agua se encuentra a menudo por encima de la tropopausa, donde normalmente llega poca agua. Ramanathan (1998) [28] señala que tanto las nubes de agua como las de hielo, cuando se forman a temperaturas estratosféricas bajas y frías, son extremadamente eficientes para aumentar el efecto invernadero atmosférico. También señala que existe una clara posibilidad de que grandes aumentos de metano en el futuro puedan conducir a un calentamiento de la superficie que aumente de forma no lineal con la concentración de metano.

Los esfuerzos de mitigación para reducir los contaminantes climáticos de vida corta, como el metano y el carbono negro, ayudarían a combatir el "cambio climático a corto plazo" y apoyarían los Objetivos de Desarrollo Sostenible . [29]

Fuentes

Principales fuentes de emisiones globales de metano (2008-2017) según el Proyecto Global de Carbono [30]
Parte de una serie sobre el
Ciclo del carbono
Por regiones
Dióxido de carbono
Formas de carbono
Vías metabólicas
Respiración del carbono
Carbon pumps
Carbon sequestration
Methane
Biogeochemical
Other

Cualquier proceso que resulte en la producción de metano y su liberación a la atmósfera puede considerarse una "fuente". Las fuentes conocidas de metano se encuentran predominantemente cerca de la superficie de la Tierra. [12] Dos procesos principales que son responsables de la producción de metano incluyen microorganismos que convierten anaeróbicamente compuestos orgánicos en metano ( metanogénesis ), que están muy extendidos en los ecosistemas acuáticos , y animales rumiantes .

El metano también se libera en el Ártico, por ejemplo, al descongelarse el permafrost .

El aumento de las emisiones de metano es un importante contribuyente a la creciente concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera de la Tierra y es responsable de hasta un tercio del calentamiento global a corto plazo . [31] [32] Durante 2019, alrededor del 60% (360 millones de toneladas) del metano liberado a nivel mundial provino de actividades humanas, mientras que las fuentes naturales contribuyeron con alrededor del 40% (230 millones de toneladas). [33] [34] La reducción de las emisiones de metano mediante la captura y utilización del gas puede producir beneficios ambientales y económicos simultáneos. [31] [35]

Desde la Revolución Industrial, las concentraciones de metano en la atmósfera se han más que duplicado, y alrededor del 20 por ciento del calentamiento que ha experimentado el planeta puede atribuirse al gas. [36] Alrededor de un tercio (33%) de las emisiones antropogénicas provienen de la liberación de gas durante la extracción y entrega de combustibles fósiles ; principalmente debido a la ventilación y fugas de gas tanto de la infraestructura de combustibles fósiles activa como de pozos huérfanos . [37] Rusia es el principal emisor de metano del mundo proveniente del petróleo y el gas. [38] [39]

La agricultura animal es una fuente igualmente importante (30%); principalmente debido a la fermentación entérica del ganado rumiante , como el ganado vacuno y ovino. Según la Evaluación Global del Metano publicada en 2021, las emisiones de metano del ganado (incluido el vacuno) son las mayores fuentes de emisiones agrícolas en todo el mundo [40] . Una sola vaca puede producir hasta 99 kg de gas metano al año. [41] El ganado rumiante puede producir entre 250 y 500 L de metano al día. [42]

Técnicas de medición

El metano se medía habitualmente mediante cromatografía de gases . La cromatografía de gases es un tipo de cromatografía que se utiliza para separar o analizar compuestos químicos. En general, es menos costosa en comparación con métodos más avanzados, pero requiere más tiempo y mano de obra. [ cita requerida ]

Los métodos espectroscópicos han sido el método preferido para las mediciones de gases atmosféricos debido a su sensibilidad y precisión. Además, los métodos espectroscópicos son la única forma de detectar de forma remota los gases atmosféricos. La espectroscopia infrarroja cubre un amplio espectro de técnicas, una de las cuales detecta gases basándose en la espectroscopia de absorción . Existen varios métodos para los métodos espectroscópicos, incluyendo la espectroscopia de absorción óptica diferencial , la fluorescencia inducida por láser y la transformada de Fourier infrarroja . [ cita requerida ]

[43]

En 2011, la espectroscopia de cavidad circular fue la técnica de absorción IR más utilizada para detectar metano. Se trata de una forma de espectroscopia de absorción láser que determina la fracción molar en el orden de partes por billón.

Vigilancia global

Concentración de metano en el observatorio Mauna Loa de la NOAA hasta julio de 2021: se alcanzó un récord de 1912 ppb en diciembre de 2020. [44]

El CH 4 se ha medido directamente en el medio ambiente desde la década de 1970. [45] [11] La concentración atmosférica de metano de la Tierra ha aumentado un 160% desde los niveles preindustriales de mediados del siglo XVIII. [11]

Las mediciones atmosféricas a largo plazo del metano realizadas por la NOAA muestran que la acumulación de metano casi se triplicó desde los tiempos preindustriales desde 1750. [46] En 1991 y 1998 hubo una tasa de crecimiento repentino del metano que representó una duplicación de las tasas de crecimiento en años anteriores. [46] La erupción del Monte Pinatubo del 15 de junio de 1991 , que midió VEI -6, fue la segunda erupción terrestre más grande del siglo XX. [47] En 2007 se informó que las temperaturas cálidas sin precedentes en 1998, el año más cálido desde que se llevan registros de superficie, podrían haber inducido emisiones elevadas de metano, junto con un aumento en las emisiones de humedales y arrozales y la cantidad de quema de biomasa. [48]

Los datos de 2007 sugirieron que las concentraciones de metano estaban comenzando a aumentar nuevamente. [49] Esto se confirmó en 2010 cuando un estudio mostró que los niveles de metano estaban aumentando durante los 3 años de 2007 a 2009. Después de una década de crecimiento casi nulo en los niveles de metano, "el metano atmosférico promedio global aumentó en [aproximadamente] 7 nmol/mol por año durante 2007 y 2008. Durante la primera mitad de 2009, el CH4 atmosférico promedio global fue [aproximadamente] 7 nmol/mol mayor que en 2008, lo que sugiere que el aumento continuará en 2009". [50] De 2015 a 2019 se han registrado aumentos bruscos en los niveles de metano atmosférico. [51]

En 2010, los niveles de metano en el Ártico se midieron en 1850 nmol/mol, lo que es más del doble de lo que se había registrado en cualquier momento de los últimos 400.000 años. [ cita requerida ] Según el IPCC AR5, desde 2011 las concentraciones siguieron aumentando. Después de 2014, el aumento se aceleró y en 2017 alcanzó las 1.850 (partes por mil millones) ppb. [52] El promedio anual de metano (CH 4 ) fue de 1866 ppb en 2019 y los científicos informaron con "muy alta confianza" que las concentraciones de CH 4 eran más altas que en cualquier otro momento en al menos 800.000 años. [14] El mayor aumento anual se produjo en 2021, y las concentraciones actuales alcanzaron un récord del 260% de las preindustriales, con un porcentaje abrumador causado por la actividad humana. [11]

En 2013, los científicos del IPCC dijeron con "muy alta confianza", que las concentraciones de metano atmosférico CH 4 "excedieron los niveles preindustriales en aproximadamente un 150%, lo que representaba "niveles sin precedentes en al menos los últimos 800.000 años". [14] [53] La concentración promedio global de metano en la atmósfera de la Tierra aumentó aproximadamente un 150% de 722 ± 25 ppb en 1750 a 1803,1 ± 0,6 ppb en 2011. [54] [55] A partir de 2016, el metano contribuyó con un forzamiento radiativo de 0,62 ± 14% Wm −2 , [13] o aproximadamente el 20% del forzamiento radiativo total de todos los gases de efecto invernadero de larga duración y globalmente mezclados. [10] La concentración atmosférica de metano ha seguido aumentando desde 2011 hasta una concentración global promedio de 1911,8 ± 0,6 ppb a partir de 2022. [16] El pico de mayo de 2021 fue de 1891,6 ppb, mientras que el pico de abril de 2022 fue de 1909,4 ppb, un aumento del 0,9%. [55]

Concentraciones atmosféricas anuales de metano de 1990 a 2021.

El consorcio Global Carbon Project elabora el presupuesto mundial de metano. En colaboración con más de cincuenta instituciones de investigación internacionales y cien estaciones de todo el mundo, actualiza el presupuesto de metano cada pocos años. [56]

En 2013, el equilibrio entre las fuentes y los sumideros de metano aún no se comprendía por completo. Los científicos no podían explicar por qué la concentración atmosférica de metano había dejado de aumentar temporalmente. [57]

El enfoque sobre el papel del metano en el cambio climático antropogénico ha adquirido mayor relevancia desde mediados de la década de 2010. [58]

Sumideros naturales o eliminación del metano atmosférico

La cantidad de metano en la atmósfera es el resultado de un equilibrio entre la producción de metano en la superficie de la Tierra (su fuente) y la destrucción o eliminación de metano, principalmente en la atmósfera (su sumidero), en un proceso químico atmosférico . [59]

Otro sumidero natural importante es la oxidación por bacterias metanotróficas o consumidoras de metano en los suelos de la Tierra.

Los modelos informáticos de la NASA de 2005, calculados a partir de la información disponible en ese momento, muestran la cantidad de metano (partes por millón en volumen) en la superficie (arriba) y en la estratosfera (abajo) [59].

Estas simulaciones de modelos de computadora de la NASA de 2005, calculadas con base en datos disponibles en ese momento, ilustran cómo se destruye el metano a medida que asciende.

A medida que el aire se eleva en los trópicos, el metano es transportado hacia arriba a través de la troposfera (la porción más baja de la atmósfera de la Tierra, que se encuentra entre 6,4 y 19 km de la superficie de la Tierra) hasta la estratosfera inferior (la capa de ozono ) y luego a la porción superior de la estratosfera. [59]

Este proceso químico atmosférico es el sumidero de metano más eficaz, ya que elimina el 90% del metano atmosférico. [57] Esta destrucción global del metano atmosférico ocurre principalmente en la troposfera. [57]

Las moléculas de metano reaccionan con los radicales hidroxilo (OH), el "principal eliminador químico de la troposfera" que "controla la vida atmosférica de la mayoría de los gases en la troposfera". [60] A través de este proceso de oxidación del CH4 , el metano atmosférico se destruye y se produce vapor de agua y dióxido de carbono.

Si bien esto disminuye la concentración de metano en la atmósfera, no está claro si conduce a un aumento neto positivo del forzamiento radiativo porque tanto el vapor de agua como el dióxido de carbono son factores de GEI más poderosos en términos de afectar el calentamiento de la Tierra.

Este vapor de agua adicional en la estratosfera causado por la oxidación del CH4 , añade aproximadamente un 15% al ​​efecto de forzamiento radiativo del metano. [61] [7]

En la década de 1980, el problema del calentamiento global se había transformado con la inclusión del metano y otros gases traza distintos del CO2 (CFC, N2O y O3 ) en el calentamiento global, en lugar de centrarse principalmente en el dióxido de carbono. [62] [63] Tanto las nubes de agua como las de hielo, cuando se forman a temperaturas estratosféricas bajas y frías, tienen un impacto significativo al aumentar el efecto invernadero atmosférico. Grandes aumentos en el metano en el futuro podrían conducir a un calentamiento de la superficie que aumente de manera no lineal con la concentración de metano. [62] [63]

El metano también afecta la degradación de la capa de ozono, la capa más baja de la estratosfera, que se encuentra entre 15 y 35 kilómetros (9 a 22 millas) por encima de la Tierra, justo por encima de la troposfera. [64] En 2001, los investigadores de la NASA habían dicho que este proceso se vio potenciado por el calentamiento global, porque el aire más cálido contiene más vapor de agua que el aire más frío, por lo que la cantidad de vapor de agua en la atmósfera aumenta a medida que se calienta por el efecto invernadero. Sus modelos climáticos basados ​​en los datos disponibles en ese momento habían indicado que el dióxido de carbono y el metano potenciaban el transporte de agua a la estratosfera. [65]

El metano atmosférico podría durar unos 120 años en la estratosfera hasta que finalmente se destruya a través del proceso de oxidación de radicales hidroxilo. [66]

Esperanza de vida media

Estimación de la vida útil del metano atmosférico antes de la era industrial (área sombreada); cambios en la vida útil del metano desde 1850 simulados por un modelo climático (línea azul) y el gráfico reconciliado (línea roja). [67]

Existen diferentes formas de cuantificar el período de tiempo durante el cual el metano impacta la atmósfera. Se estima que el tiempo promedio que una molécula física de metano permanece en la atmósfera es de alrededor de 9,6 años. [68] [69] [67] Sin embargo, el tiempo promedio que la atmósfera se verá afectada por la emisión de esa molécula antes de alcanzar el equilibrio, conocido como su "tiempo de vida de perturbación", es de aproximadamente doce años. [29] [70]

La reacción de los átomos de metano y cloro actúa como un sumidero primario de átomos de Cl y es una fuente primaria de ácido clorhídrico (HCl) en la estratosfera. [71]

CH4 + Cl → CH3 + HCl

El HCl producido en esta reacción conduce a la destrucción catalítica del ozono en la estratosfera. [66]

Metanótrofos en suelos y sedimentos

Las liberaciones de metano en el mar de Láptev suelen ser consumidas dentro del sedimento por los metanótrofos . Las áreas con alta sedimentación (arriba) someten a sus comunidades microbianas a una perturbación continua, por lo que son las más propensas a ver flujos activos, ya sea con (derecha) o sin flujo ascendente activo (izquierda). Aun así, la liberación anual puede limitarse a 1000 toneladas o menos. [72]

Los suelos actúan como un importante sumidero de metano atmosférico a través de las bacterias metanotróficas que residen en ellos. Esto ocurre con dos tipos diferentes de bacterias. Las bacterias metanotróficas de "alta capacidad y baja afinidad" crecen en áreas de alta concentración de metano, como suelos anegados en humedales y otros entornos húmedos. Y en áreas de baja concentración de metano, las bacterias metanotróficas de "baja capacidad y alta afinidad" hacen uso del metano en la atmósfera para crecer, en lugar de depender del metano en su entorno inmediato. [73] La oxidación del metano permite que las bacterias metanotróficas utilicen el metano como fuente de energía, reaccionando el metano con el oxígeno y, como resultado, produciendo dióxido de carbono y agua.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O​​

Los suelos forestales actúan como buenos sumideros para el metano atmosférico porque tienen una humedad óptima para la actividad de los metanótrofos y el movimiento de gases entre el suelo y la atmósfera (difusividad del suelo) es alto. [73] Con un nivel freático más bajo, cualquier metano en el suelo tiene que pasar por las bacterias metanótrofas antes de poder llegar a la atmósfera. Sin embargo, los suelos de humedales son a menudo fuentes de metano atmosférico en lugar de sumideros porque el nivel freático es mucho más alto y el metano se puede difundir con bastante facilidad en el aire sin tener que competir con los metanótrofos del suelo. [73]

Las bacterias metanotróficas también se encuentran en los sedimentos submarinos . Su presencia puede limitar eficazmente las emisiones de fuentes como el permafrost submarino en áreas como el mar de Láptev. [72]

Tecnologías de eliminación

La eliminación del metano atmosférico es una categoría de posibles enfoques que se están investigando para acelerar la descomposición del metano que se encuentra en la atmósfera, con el fin de mitigar algunos de los impactos del cambio climático . [74]

El metano atmosférico ha aumentado desde la época preindustrial de 0,7 ppm a 1,9 ppm. [75] Entre 2010 y 2019, las emisiones de metano causaron 0,5 °C (aproximadamente el 30 %) del calentamiento global observado . [76] [77] Las emisiones globales de metano se acercaron a un récord de 600 Tg de CH 4 por año en 2017. [74]

Concentraciones de metano en el pasado geológico

Recopilación de datos paleoclimatológicos del metano

Entre 1996 y 2004, los investigadores del Proyecto Europeo de Perforación de Hielo en la Antártida (EPICA) pudieron perforar y analizar los gases atrapados en los núcleos de hielo de la Antártida para reconstruir las concentraciones de GEI en la atmósfera durante los últimos 800.000 años". [78] Encontraron que antes de hace aproximadamente 900.000 años, el ciclo de eras de hielo seguido de períodos cálidos relativamente cortos duraba unos 40.000 años, pero hace 800.000 años el intervalo de tiempo cambió drásticamente a ciclos que duraban 100.000 años. [78] Hubo valores bajos de GEI en las eras de hielo y valores altos durante los períodos cálidos. [78]

Esta ilustración de la EPA de 2016 que se muestra arriba es una compilación de paleoclimatología que muestra las concentraciones de metano a lo largo del tiempo con base en el análisis de burbujas de gas de [79] EPICA Dome C , Antártida: aproximadamente 797 446 a. C. a 1937 d. C., [80] Law Dome , Antártida: aproximadamente 1008 d. C. a 1980 d. C. [81] Cape Grim , Australia: 1985 d. C. a 2015 d. C. [82] Mauna Loa , Hawái: 1984 d. C. a 2015 d. C. [83] e Islas Shetland , Escocia: 1993 d. C. a 2001 d. C. [84]

El impacto de las concentraciones atmosféricas de metano CH4 en el aumento de la temperatura global puede ser mucho mayor de lo que se estimaba anteriormente.[2] [85]

Se ha sugerido que la liberación masiva y rápida de grandes volúmenes de gas metano desde dichos sedimentos a la atmósfera es una posible causa de los eventos de calentamiento global rápido en el pasado distante de la Tierra, como el Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno [86] y la Gran Mortandad [87] .

En 2001, los científicos del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA y del Centro de Investigación de Sistemas Climáticos de la Universidad de Columbia confirmaron que otros gases de efecto invernadero aparte del dióxido de carbono eran factores importantes en el cambio climático en una investigación presentada en la reunión anual de la Unión Geofísica Americana (AGU). [88] Ofrecieron una teoría sobre el Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno de 100.000 años de duración que ocurrió aproximadamente hace 55 millones de años. Postularon que hubo una vasta liberación de metano que previamente se había mantenido estable a través de "temperaturas frías y alta presión... debajo del fondo del océano". Esta liberación de metano a la atmósfera resultó en el calentamiento de la Tierra. Un artículo de la revista Science de 2009 confirmó la investigación de la NASA de que la contribución del metano al calentamiento global había sido subestimada previamente. [89] [90]

En los primeros tiempos de la historia de la Tierra, el dióxido de carbono y el metano probablemente produjeron un efecto invernadero . El dióxido de carbono habría sido producido por volcanes y el metano por microbios primitivos. Durante este tiempo, apareció la vida más temprana de la Tierra. [91] Según un artículo de 2003 en la revista Geology , estas primeras bacterias antiguas aumentaron la concentración de metano al convertir hidrógeno y dióxido de carbono en metano y agua. El oxígeno no se convirtió en una parte importante de la atmósfera hasta que los organismos fotosintéticos evolucionaron más tarde en la historia de la Tierra. Sin oxígeno, el metano permaneció en la atmósfera durante más tiempo y en concentraciones más altas que en la actualidad. [92]

Referencias

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