Potencial de calentamiento global

El potencial de calentamiento global ( GWP ) es un índice que mide cuánta radiación térmica infrarroja absorbería un gas de efecto invernadero durante un período de tiempo determinado después de haber sido añadido a la atmósfera (o emitido a la atmósfera). El GWP hace que diferentes gases de efecto invernadero sean comparables con respecto a su "eficacia en causar forzamiento radiativo ". ^{[1] : 2232} Se expresa como un múltiplo de la radiación que sería absorbida por la misma masa de dióxido de carbono (CO ₂ ) añadido, que se toma como gas de referencia. Por lo tanto, el GWP tiene un valor de 1 para el CO ₂ . Para otros gases , depende de la intensidad con la que el gas absorbe la radiación térmica infrarroja, la rapidez con la que el gas abandona la atmósfera y el período de tiempo considerado.

Por ejemplo, el metano tiene un PCA a lo largo de 20 años (PCA-20) de 81,2 ^[2], lo que significa que, por ejemplo, una fuga de una tonelada de metano equivale a emitir 81,2 toneladas de dióxido de carbono medidas a lo largo de 20 años. Como el metano tiene una vida atmosférica mucho más corta que el dióxido de carbono, su PCA es mucho menor a lo largo de períodos de tiempo más largos, con un PCA-100 de 27,9 y un PCA-500 de 7,95. ^{[2] : 7SM-24}

El dióxido de carbono equivalente (CO ₂ e o CO ₂ eq o CO ₂ -e o CO ₂ -eq) se puede calcular a partir del PCG. Para cualquier gas, es la masa de CO ₂ que calentaría la Tierra tanto como la masa de ese gas. Por lo tanto, proporciona una escala común para medir los efectos climáticos de diferentes gases. Se calcula como PCG multiplicado por la masa del otro gas.

El potencial de calentamiento global (GWP) se define como un "índice que mide el forzamiento radiativo posterior a la emisión de una unidad de masa de una sustancia dada, acumulada durante un horizonte temporal elegido, en relación con la de la sustancia de referencia, el dióxido de carbono (CO ₂ ). El GWP representa, por tanto, el efecto combinado de los diferentes tiempos que estas sustancias permanecen en la atmósfera y su eficacia para causar forzamiento radiativo". ^{[1] : 2232}

A su vez, el forzamiento radiativo es un concepto científico utilizado para cuantificar y comparar los impulsores externos del cambio en el balance energético de la Tierra . ^{[3] : 1–4} El forzamiento radiativo es el cambio en el flujo de energía en la atmósfera causado por factores naturales o antropogénicos del cambio climático , medido en vatios por metro cuadrado. ^[4]

A medida que los gobiernos desarrollan políticas para combatir las emisiones de fuentes de alto PCA, los responsables de las políticas han optado por utilizar la escala de PCA de 100 años como estándar en los acuerdos internacionales. La Enmienda de Kigali al Protocolo de Montreal establece la reducción gradual global de los hidrofluorocarbonos (HFC), un grupo de compuestos de alto PCA. Requiere que los países utilicen un conjunto de valores de PCA100 iguales a los publicados en el Cuarto Informe de Evaluación (AR4) del IPCC. ^[5] Esto permite a los responsables de las políticas tener un estándar para la comparación en lugar de cambiar los valores de PCA en nuevos informes de evaluación. ^[6] Existe una excepción al estándar de PCA100: la Ley de Liderazgo Climático y Protección Comunitaria del estado de Nueva York requiere el uso de PCA20, a pesar de ser un estándar diferente al de todos los demás países que participan en la reducción gradual de los HFC. ^[5]

El potencial de calentamiento global (GWP) depende tanto de la eficiencia de la molécula como gas de efecto invernadero como de su vida atmosférica. El GWP se mide en relación con la misma masa de CO2 _y se evalúa para una escala de tiempo específica. ^[8] Por lo tanto, si un gas tiene un forzamiento radiativo alto (positivo) pero también una vida corta, tendrá un GWP alto en una escala de 20 años, pero uno pequeño en una escala de 100 años. Por el contrario, si una molécula tiene una vida atmosférica más larga que el CO2 _, su GWP aumentará cuando se considere la escala de tiempo. Se define que el dióxido de carbono tiene un GWP de 1 en todos los períodos de tiempo.

El metano tiene una vida atmosférica de 12 ± 2 años. ^{[9] : Tabla 7.15} El informe del IPCC de 2021 enumera el GWP como 83 en una escala de tiempo de 20 años, 30 en 100 años y 10 en 500 años. ^{[9] : Tabla 7.15} La disminución del GWP en tiempos más largos se debe a que el metano se descompone en agua y CO ₂ a través de reacciones químicas en la atmósfera. De manera similar, el tercer GEI más importante, el óxido nitroso (N ₂ O), es un gas común emitido a través de la parte de desnitrificación del ciclo del nitrógeno . ^[10] Tiene una vida útil de 109 años y un nivel de GWP aún más alto, de 273 en 20 y 100 años.

En la siguiente tabla se dan ejemplos de la vida atmosférica y el PCA relativo al CO2 _{para varios gases de efecto invernadero:}

Las estimaciones de los valores de GWP a lo largo de 20, 100 y 500 años se compilan y revisan periódicamente en informes del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático . El informe más reciente es el Sexto Informe de Evaluación del IPCC (Grupo de Trabajo I) de 2023. ^[9]

El IPCC enumera muchas otras sustancias que no se muestran aquí. ^{[13] [9]} Algunas tienen un alto potencial de calentamiento global, pero solo una baja concentración en la atmósfera.

Los valores que se dan en la tabla suponen que se analiza la misma masa del compuesto; se obtendrán diferentes proporciones de la conversión de una sustancia en otra. Por ejemplo, la quema de metano para convertirlo en dióxido de carbono reduciría el impacto del calentamiento global, pero en un factor menor que 25:1 porque la masa de metano quemado es menor que la masa de dióxido de carbono liberado (proporción 1:2,74). ^[14] Para una cantidad inicial de 1 tonelada de metano, que tiene un PCA de 25, después de la combustión habría 2,74 toneladas de CO ₂ , cada tonelada de las cuales tiene un PCA de 1. Esto es una reducción neta de 22,26 toneladas de PCA, lo que reduce el efecto del calentamiento global en una proporción de 25:2,74 (aproximadamente 9 veces).

Los valores que se proporcionan en la siguiente tabla corresponden a 2007, cuando se publicaron en el Cuarto Informe de Evaluación del IPCC . ^{[21] [17]} Estos valores todavía se utilizan (a partir de 2020) para algunas comparaciones. ^[22]

El PCA de una sustancia depende del número de años (indicado por un subíndice) durante el cual se calcula el potencial. Un gas que se elimina rápidamente de la atmósfera puede tener inicialmente un gran efecto, pero a medida que se va eliminando, pierde importancia a lo largo de períodos de tiempo más largos. Así, el metano tiene un potencial de 25 en 100 años (PCA ₁₀₀ = 25), pero de 86 en 20 años (PCA ₂₀ = 86); por el contrario, el hexafluoruro de azufre tiene un PCA de 22.800 en 100 años, pero de 16.300 en 20 años (tercer informe de evaluación del IPCC). El valor del PCA depende de cómo se desintegra la concentración de gas en la atmósfera con el tiempo. A menudo, esto no se conoce con precisión y, por lo tanto, los valores no deben considerarse exactos. Por este motivo, al citar un PCA es importante dar una referencia al cálculo.

El PCG de una mezcla de gases se puede obtener a partir del promedio ponderado por fracción de masa de los PCG de los gases individuales. ^[23]

Por lo general, los reguladores utilizan un horizonte temporal de 100 años. ^{[24] [25]}

El vapor de agua contribuye al calentamiento global antropogénico, pero, tal como se define el PCG, es insignificante para el H ₂ O: una estimación arroja un PCG a 100 años entre -0,001 y 0,0005. ^[26]

El H ₂ O puede funcionar como gas de efecto invernadero porque tiene un espectro de absorción infrarrojo profundo con más bandas de absorción y más amplias que el CO ₂ . Su concentración en la atmósfera está limitada por la temperatura del aire, de modo que el forzamiento radiativo por vapor de agua aumenta con el calentamiento global (retroalimentación positiva). Pero la definición de GWP excluye los efectos indirectos. La definición de GWP también se basa en las emisiones, y las emisiones antropogénicas de vapor de agua ( torres de refrigeración , irrigación ) se eliminan a través de la precipitación en cuestión de semanas, por lo que su GWP es insignificante.

Al calcular el PCG de un gas de efecto invernadero, el valor depende de los siguientes factores:

• La absorción de la radiación infrarroja por el gas dado.
• el horizonte temporal de interés (período de integración)
• La vida atmosférica del gas

Un PCA elevado se correlaciona con una gran absorción de infrarrojos y una larga vida atmosférica. La dependencia del PCA de la longitud de onda de absorción es más complicada. Incluso si un gas absorbe radiación de manera eficiente a una determinada longitud de onda, esto puede no afectar mucho a su PCA, si la atmósfera ya absorbe la mayor parte de la radiación a esa longitud de onda. Un gas tiene el mayor efecto si absorbe en una "ventana" de longitudes de onda donde la atmósfera es bastante transparente. La dependencia del PCA en función de la longitud de onda se ha determinado empíricamente y se ha publicado como un gráfico. ^[30]

Dado que el PCG de un gas de efecto invernadero depende directamente de su espectro infrarrojo, el uso de la espectroscopia infrarroja para estudiar los gases de efecto invernadero es de importancia central en el esfuerzo por comprender el impacto de las actividades humanas en el cambio climático global .

Así como el forzamiento radiativo proporciona un medio simplificado para comparar entre sí los diversos factores que se cree que influyen en el sistema climático, los potenciales de calentamiento global (PCG) son un tipo de índice simplificado basado en propiedades radiativas que se pueden utilizar para estimar los posibles impactos futuros de las emisiones de diferentes gases sobre el sistema climático en un sentido relativo. El PCG se basa en una serie de factores, incluida la eficiencia radiativa (capacidad de absorción de infrarrojos) de cada gas en relación con la del dióxido de carbono, así como la tasa de desintegración de cada gas (la cantidad eliminada de la atmósfera durante un número determinado de años) en relación con la del dióxido de carbono. ^[31]

La capacidad de forzamiento radiativo (RF) es la cantidad de energía por unidad de superficie y por unidad de tiempo que absorbe el gas de efecto invernadero y que, de otro modo, se perdería en el espacio. Puede expresarse mediante la fórmula:

$${\displaystyle {\mathit {RF}}=\sum _{i=1}^{100}{\text{abs}}_{i}\cdot F_{i}/\left({\text{l}}\cdot {\text{d}}\right)}$$donde el subíndice i representa un intervalo de número de onda de 10 centímetros inversos . Abs _i representa la absorbancia infrarroja integrada de la muestra en ese intervalo, y F _i representa la RF para ese intervalo. ^{[ cita requerida ]}

El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) proporciona los valores generalmente aceptados para el PCA, que cambiaron ligeramente entre 1996 y 2001, excepto para el metano, cuyo PCA casi se duplicó. Una definición exacta de cómo se calcula el PCA se puede encontrar en el Tercer Informe de Evaluación de 2001 del IPCC. ^[32] El PCA se define como la relación entre el forzamiento radiativo integrado en el tiempo de la liberación instantánea de 1 kg de una sustancia traza en relación con el de 1 kg de un gas de referencia:

$${\displaystyle {\mathit {GWP}}\left(x\right)={\frac {a_{x}}{a_{r}}}{\frac {\int _{0}^{\mathit {TH}}[x](t)\,dt}{\int _{0}^{\mathit {TH}}[r](t)\,dt}}}$$donde TH es el horizonte temporal sobre el que se considera el cálculo; a _x es la eficiencia radiativa debida a un aumento unitario en la abundancia atmosférica de la sustancia (es decir, Wm ⁻² kg ⁻¹ ) y [x](t) es la disminución dependiente del tiempo en la abundancia de la sustancia después de una liberación instantánea de la misma en el tiempo t=0. El denominador contiene las cantidades correspondientes para el gas de referencia (es decir, CO ₂ ). Las eficiencias radiativas a _x y a _r no son necesariamente constantes a lo largo del tiempo. Si bien la absorción de radiación infrarroja por muchos gases de efecto invernadero varía linealmente con su abundancia, algunos importantes muestran un comportamiento no lineal para las abundancias actuales y futuras probables (por ejemplo, CO ₂ , CH ₄ y N ₂ O). Para esos gases, el forzamiento radiativo relativo dependerá de la abundancia y, por lo tanto, del escenario futuro adoptado.

Dado que todos los cálculos de GWP son una comparación con el CO2 _, que no es lineal, todos los valores de GWP se ven afectados. Suponer lo contrario, como se hace anteriormente, conducirá a GWP más bajos para otros gases que un enfoque más detallado. Para aclarar esto, si bien el aumento de CO2 _tiene cada vez menos efecto sobre la absorción radiativa a medida que aumentan las concentraciones de ppm, los gases de efecto invernadero más potentes, como el metano y el óxido nitroso, tienen frecuencias de absorción térmica diferentes al CO2 _que no se llenan (saturan) tanto como el CO2 _, por lo que el aumento de ppm de estos gases es mucho más significativo.

El equivalente de dióxido de carbono (CO ₂ e o CO ₂ eq o CO ₂ -e) de una cantidad de gas se calcula a partir de su PCA. Para cualquier gas, es la masa de CO ₂ que calentaría la Tierra tanto como la masa de ese gas. ^[33] Por lo tanto, proporciona una escala común para medir los efectos climáticos de diferentes gases. Se calcula como el PCA multiplicado por la masa del otro gas. Por ejemplo, si un gas tiene un PCA de 100, dos toneladas del gas tienen un CO ₂ e de 200 toneladas, y 9 toneladas del gas tienen un CO ₂ e de 900 toneladas.

A escala global, los efectos de calentamiento de uno o más gases de efecto invernadero en la atmósfera también pueden expresarse como una concentración atmosférica equivalente de CO ₂ . El CO ₂ e puede entonces ser la concentración atmosférica de CO ₂ que calentaría la tierra tanto como una concentración particular de algún otro gas o de todos los gases y aerosoles en la atmósfera. Por ejemplo, el CO ₂ e de 500 partes por millón reflejaría una mezcla de gases atmosféricos que calentarían la tierra tanto como lo harían 500 partes por millón de CO _{2 .} ^{[34] [35]} El cálculo de la concentración atmosférica equivalente de CO ₂ de un gas de efecto invernadero atmosférico o aerosol es más complejo e involucra las concentraciones atmosféricas de esos gases, sus PCA y las relaciones entre sus masas molares y la masa molar de CO ₂ .

Los cálculos de CO ₂ e dependen de la escala de tiempo elegida, normalmente 100 años o 20 años, ^{[36] [37]} ya que los gases se descomponen en la atmósfera o se absorben naturalmente, a diferentes ritmos.

Las siguientes unidades se utilizan comúnmente:

• Según el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas ( IPCC ): mil millones de toneladas métricas = n×10 ⁹ toneladas de CO2 _equivalente (GtCO2 _eq ) ^[38]
• En la industria: millones de toneladas métricas de dióxido de carbono equivalente (MMTCDE) ^[39] y MMT CO ₂ eq. ^[22]
• Para vehículos: gramos de dióxido de carbono equivalente por milla (gCO2e _/ milla) o por kilómetro (gCO2e _/ km) ^{[40] [41]}

Por ejemplo, la tabla anterior muestra que el GWP del metano durante 20 años es 86 y el del óxido nitroso es 289, por lo que las emisiones de 1 millón de toneladas de metano u óxido nitroso equivalen a emisiones de 86 o 289 millones de toneladas de dióxido de carbono, respectivamente.

En virtud del Protocolo de Kyoto , en 1997 la Conferencia de las Partes estandarizó la presentación de informes internacionales al decidir (véase la decisión número 2/CP.3) que los valores de PCA calculados para el Segundo Informe de Evaluación del IPCC se utilizarían para convertir las diversas emisiones de gases de efecto invernadero en equivalentes de CO ₂ comparables . ^{[42] [43]}

Tras algunas actualizaciones intermedias, en 2013 esta norma fue actualizada por la reunión de Varsovia de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC, decisión número 24/CP.19) para exigir el uso de un nuevo conjunto de valores de PCG a 100 años. Publicaron estos valores en el Anexo III y los tomaron del Cuarto Informe de Evaluación del IPCC , que se había publicado en 2007. ^[21] Esas estimaciones de 2007 todavía se utilizan para comparaciones internacionales hasta 2020, ^[22] aunque las últimas investigaciones sobre los efectos del calentamiento han encontrado otros valores, como se muestra en las tablas anteriores.

Aunque los informes recientes reflejan una mayor precisión científica, los países y las empresas siguen utilizando los valores del Segundo Informe de Evaluación (SAR) ^{[16] y del Cuarto Informe de Evaluación del IPCC por motivos de comparación en sus informes de emisiones. El} Quinto Informe de Evaluación del IPCC ha omitido los valores de 500 años, pero ha introducido estimaciones del PCG que incluyen la retroalimentación del clima y el carbono (f) con una gran cantidad de incertidumbre. ^[13]

El Potencial de Cambio de Temperatura Global (GTP, por sus siglas en inglés) es otra forma de comparar los gases. Mientras que el GWP estima la radiación térmica infrarroja absorbida, el GTP estima el aumento resultante en la temperatura superficial promedio del mundo, durante los próximos 20, 50 o 100 años, causado por un gas de efecto invernadero, en relación con el aumento de temperatura que causaría la misma masa de CO2. _[ ^13] El cálculo del GTP requiere modelar cómo el mundo, especialmente los océanos, absorberán calor. ^[24] El GTP se publica en las mismas tablas del IPCC que el GWP. ^[13]

Se ha propuesto otra métrica llamada GWP* (pronunciada "GWP star" ^[44] ) para tener mejor en cuenta los contaminantes climáticos de vida corta (SLCPs) como el metano. Un aumento permanente en la tasa de emisión de un SLCP tiene un efecto similar al de una emisión única de una cantidad de dióxido de carbono, porque ambos aumentan el forzamiento radiativo de forma permanente o (en el caso del dióxido de carbono) prácticamente de forma permanente (ya que el CO ₂ permanece en el aire durante mucho tiempo). Por lo tanto, el GWP* asigna a un aumento en la tasa de emisión de un SLCP una cantidad supuestamente equivalente (toneladas) de CO ₂ . ^[45] Sin embargo, el GWP* ha sido criticado tanto por su idoneidad como métrica como por características de diseño inherentes que pueden perpetuar injusticias e inequidad. Los países en desarrollo cuyas emisiones de CCVC están aumentando son "penalizados", mientras que los países desarrollados como Australia o Nueva Zelanda que tienen emisiones constantes de CCVC no son penalizados de esta manera, aunque pueden ser penalizados por sus emisiones de CO ₂ . ^{[46] [47] [44]}

• Contabilidad del carbono
• Huella de carbono
• Intensidad de emisión

• Schimel, D.; Alves, D.; Enting, I.; Heimann, M.; et al. (1995). "Capítulo 2: Forzamiento radiativo del cambio climático". Cambio climático 1995: La ciencia del cambio climático . Contribución del Grupo de trabajo I al segundo informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC SAR WG1). págs. 65–132.
• Forster, P.; Ramaswamy, V.; Artaxo, P.; Berntsen, T.; et al. (2007). "Capítulo 2: Cambios en los componentes atmosféricos y forzamiento radiativo" (PDF) . Cambio climático 2013: la base científica física . Contribución del Grupo de trabajo I al Cuarto Informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. págs. 129–234.
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• Lista de potenciales de calentamiento global y tiempos de vida atmosféricos de la EPA de EE. UU.
• GWP y los diferentes significados de CO2e explicados