Ciclos de retroalimentación: ¿cómo el ser humano ha logrado afectar el clima de la Tierra?

DATOS BÁSICOS

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Curso	3° Medio 4° Medio
Ámbito/ Asignatura	Ciencias Naturales
Núcleo/ Eje	Cambio climático: del saber a la acción sostenible
Objetivo curricular	OA1: Analizar, con base en datos científicos actuales e históricos, el fenómeno del cambio climático global, considerando los patrones observados, sus causas probables, efectos actuales y posibles consecuencias futuras sobre la Tierra, los sistemas naturales y la sociedad. OA5: Investigar y aplicar conocimientos de la física (como mecánica de fluidos, electromagnetismo y termodinámica) para la comprensión de fenómenos y procesos que ocurren en sistemas naturales, tales como: los océanos, el interior de la Tierra, la atmósfera, las aguas dulces y los suelos.
Tiempo estimado de la actividad	4 sesiones de 30 minutos
Desarrollado por	Joaquín Morales* para Itrend *Licenciado en Ciencias Exactas y Magíster en Filosofía de las Ciencias

INTRODUCCIÓN

Se sugiere comenzar la clase preguntando a las y los estudiantes qué han escuchado, leído o aprendido sobre el cambio climático. 

Luego, se procederá a construir una definición cada vez más precisa del fenómeno. Para esto, primero será necesario hacer una distinción entre los conceptos de tiempo y clima. 

Tiempo y clima

Hablamos de tiempo para denotar una configuración particular de la presión, temperatura, humedad, entre otros elementos del clima en un lugar y momentos determinados. El tiempo puede variar en periodos breves como días, horas o incluso minutos, y es lo que se encargan de pronosticar en la sección de El Tiempo que suelen transmitir después de las noticias en la televisión. En cambio, el clima es el promedio de diversas mediciones del tiempo a lo largo de periodos extensos, del orden de algunas décadas usualmente. Así, nos informa sobre las variaciones estacionales y los patrones climáticos de un territorio, los cuales caracterizan los distintos tipos de clima que podemos encontrar en la Tierra (ecuatorial, tropical, meditarraneo, desértico, polar, etc.). 

En síntesis, el tiempo se refiere al día a día, mientras que el clima caracteriza ampliamente el comportamiento de un territorio a lo largo del tiempo. Por ejemplo, el miércoles 23 de junio de 2021 el tiempo estuvo especialmente lluvioso en Santiago de Chile, cayeron cerca de 4,9 mm.¹, lo cual no corresponde a una lluvia fuerte y probablemente para alguien que estuvo ahí no fue relevante, pero si lo vemos en términos climáticos debemos considerar que el año 2021 fue uno de los 5 años más secos registrados desde 1914² y además se enmarca dentro de la megasequía que ha caracterizado al clima del territorio chileno en la última década, por lo que en ese contexto tal lluvia sí cobra una especial relevancia. 

Cambio climático

Ya sabiendo la diferencia entre tiempo y clima, podemos precisar, en primera instancia, que el cambio climático se refiere a un cambio en el tiempo promedio a lo largo de varios años³ y no a cambios repentinos o momentáneos. Es decir, “si este invierno fuera menos frío que el anterior”, estaría más cerca de ser una predicción de Los Prisioneros que una consecuencia del cambio climático si no sucediera en una cadena de varios años como efectivamente está pasando. Es probable que este invierno no sea menos frío que el anterior -y aquí estaremos congelándonos, diría Jorge González-, pero sí es un hecho que en promedio los últimos inviernos han sido menos fríos que los anteriores. Esto debido a un fenómeno que denominamos calentamiento global. 

El cambio climático y el calentamiento global no son lo mismo, en realidad el primero es consecuencia del segundo. El calentamiento global corresponde a un aumento general de la temperatura de la Tierra producto del aumento de la emisión de gases de efecto invernadero y la alteración progresiva de diversos ciclos naturales por parte del ser humano desde la Revolución Industrial en adelante⁴. Y, por su lado, el cambio climático corresponde a las diversas consecuencias de este calentamiento. Dada la diversidad de consecuencias, hacer la distinción entre los dos conceptos nos permite entender cómo, por ejemplo, uno de los efectos posibles del calentamiento global podrían ser olas de bajas temperaturas en ciertos lugares de la Tierra. Por lo tanto, el cambio climático no refiere solamente a que estos inviernos serán menos fríos que los anteriores, sino a que el aumento de la temperatura global producirá -y está produciendo- la alteración de diversos ciclos naturales, propiciando una intensificación en la frecuencia de los desastres de origen natural, extinciones masivas de especies, derretimiento de glaciares y una amplia gama de consecuencias. En este punto, con los conceptos que hemos distinguido, podemos dar entonces con una definición más precisa de lo que es el cambio climático tal como está estipulada en la Ley Marco de Cambio Climático promulgada en Chile el 30 de mayo de 2022: corresponde al cambio de clima atribuido directa o indirectamente a la actividad humana que altera la composición de la atmósfera mundial y que se suma a la variabilidad natural del clima observada durante períodos de tiempo comparables³.

Causas del cambio climático

El cambio climático se le atribuye principalmente al calentamiento global, el cual a su vez tiene como antecedente el drástico aumento en las emisiones de gases de efecto invernadero. Se tiene la certeza de que este aumento está dado casi totalmente por la acción humana puesto que, si bien la naturaleza también los produce en, por ejemplo, las erupciones volcánicas, éstas producen solamente el 1% de las emisiones que contaminan la atmósfera anualmente. De modo que, el aumento de las emisiones de estos gases ha terminado alterando el proceso natural, llamado efecto invernadero, en que la atmósfera retiene parte del calor del sol propiciando las condiciones de temperatura idóneas para albergar la vida en la Tierra (de no ser por este efecto nuestro planeta se encontraría a una temperatura de -18°C)⁵. Más específicamente, luego de que la luz solar impacta la Tierra, la radiación térmica reflejada por la superficie terrestre es absorbida y reflejada por los gases de efecto invernadero presentes en la atmósfera (vapor de agua, dióxido de carbono, metano, óxido de nitrógeno, ozono y clorofluorocarbonos) reteniendo esta energía dentro del planeta y, en consecuencia, aumentando su temperatura. El ser humano contribuye al calentamiento global directamente con las emisiones de gases de efecto invernadero por medio de la quema de combustibles fósiles y la deforestación principalmente, y también contribuye indirectamente al momento de que el aumento de temperatura consecuente termina alterando otros ciclos naturales que también producen un aumento de temperatura global, como son el ciclo del carbono y el ciclo hielo-albedo⁶.

Consecuencias del cambio climático

La importancia del cambio climático es indiscutible debido a las múltiples formas en que afecta a la vida en la Tierra. Uno de los efectos más conocidos es el derretimiento de glaciares, el cual a su vez conlleva el aumento del nivel del mar, propiciando inundaciones que dejan a estados insulares en riesgo de desaparición. Por otro lado, el desequilibrio de los ciclos naturales conlleva que las condiciones climáticas se vuelvan más extremas, provocando tanto olas de calor como una intensificación de las heladas, haciendo más frecuente la nieve en lugares donde no lo era. En general, propicia la aparición de fenómenos meteorológicos más violentos, sequías, incendios, extinciones masivas de especies animales y vegetales, desbordamientos de ríos y lagos, destrucción de los medios de subsistencia para comunidades humanas y, en consecuencia de esto último, forzará las migraciones masivas haciendo aparecer la figura de refugiados climáticos⁵.

Dada la importancia de comprender la forma en que el ser humano contribuye a la aceleración del cambio climático, el objetivo de esta cápsula es que las y los estudiantes analicen un ciclo natural muy específico de gran relevancia en el calentamiento global, a saber, el ciclo hielo-albedo. Nos preguntaremos: ¿cómo funciona el ciclo de retroalimentación hielo-albedo?, ¿hay alguno de sus componentes que pueda considerarse como una causa principal?, ¿cómo afecta este ciclo al clima global? y, finalmente, ¿cómo incide el ser humano en su intensificación?

Objetivos generales

1. Conocer las principales características del fenómeno del cambio climático global.
2. Analizar, con base en datos científicos, el funcionamiento de los ciclos de retroalimentación presentes en la naturaleza, con especial énfasis en el ciclo de retroalimentación hielo-albedo y sus consecuencias en el clima global.

A lo largo de la cápsula pero especialmente hacia el final de la actividad, se espera poder plantear la siguiente reflexión con las y los estudiantes. El funcionamiento cíclico de los sistemas de la tierra nos permite comprender cómo una “ligera” alteración en los ciclos naturales de la Tierra puede desencadenar una serie de cambios que aumentan exponencialmente y terminan cambiando radicalmente las condiciones de los sistemas naturales. Por lo que, si bien alguien podría afirmar que como seres humanos no tenemos las capacidades para dañar directamente el enorme ecosistema terrestre, sí hemos logrado, por medio de la alteración de diversos subsistemas y ciclos naturales, usar la propia fuerza de la Tierra en su contra. 

DESARROLLO

Para adentrarnos en la comprensión del ciclo hielo-albedo, primero debemos comprender qué es un ciclo de retroalimentación positiva. Un ciclo de retroalimentación se da cuando la salida (producto o resultado) de un proceso vuelve a ingresar como entrada (causa o antecedente), lo que resulta en una cadena de eventos que se repiten. En resumidas cuentas, el efecto se convierte en causa generando un ciclo. Por ejemplo, el aumento del derretimiento de los hielos marinos produce que mayor superficie del mar quede expuesta a la radiación solar y al absorber mayor radiación el mar sube de temperatura produciendo que aumente el derretimiento de los hielos marinos.

Diagrama 1: Ciclo del hielo

Este es un ejemplo de retroalimentación positiva ya que el sistema se termina reforzando, es decir, el aumento del derretimiento de los hielos produce mayor derretimiento. En caso contrario sería un ciclo negativo (si produjera una regulación del derretimiento de los hielos y no un aumento), pero este último tipo de retroalimentación no será trabajada en esta cápsula.

Se sugiere solicitar ejemplos a las y los estudiantes. Es probable que mencionen el ciclo del agua, el cual es un buen ejemplo para desarrollar la idea de ciclo, no obstante hay que aclarar que no constituye un ciclo de retroalimentación puesto que es estable, es decir, la cantidad de lluvia que caiga no producirá al final del ciclo  un aumento de las lluvias, como sucedería en un ciclo positivo. 

Para llevar a un terreno más concreto la idea, desarrollaremos el ciclo de retroalimentación positiva del carbono y cómo el humano contribuye a su aceleración. Es importante dejar bien en claro en qué elementos del ciclo incide el ser humano ya que la siguiente actividad consistirá en que las y los estudiantes puedan realizar un análisis similar en relación al ciclo del hielo-albedo.

Como introducción, ver el video que se encuentra en el cuadro a la derecha sobre el ciclo del carbono hasta el minuto 2:18. 

Para profundizar en este ciclo, consideraremos brevemente una investigación realizada por el Doctor en Ciencias del Mar Saúl Álvarez-Borrego⁶. En ella se plantean diversas ideas respecto a la relación entre el carbono y el mar. Particularmente, afirma que en la superficie de la región más fría del océano, justo arriba de las aguas más profundas, se disuelven grandes cantidades de CO₂ en el agua, que luego se hunden a grandes profundidades para no estar más en contacto con la atmósfera por mucho tiempo. La regulación natural del CO₂ es bastante eficiente, de hecho, a escalas geológicas, el 99% del CO₂ proveniente de las erupciones volcánicas ha sido removido de la atmósfera por procesos biológicos. Esto se debe a que el CO₂ sigue un trayecto desde los volcanes a la atmósfera, pasando de la atmósfera al agua, donde luego es consumido por el plancton para terminar sedimentado en el fondo marino generando, entre otras cosas, las rocas calcáreas y los combustibles fósiles. Es por ello que, a lo largo de la historia, la atmósfera se ha presentado rica en oxígeno y pobre en CO₂. Si no hubiesen existido los océanos y la “bomba biológica” que contienen, la concentración de CO₂ en la atmósfera sería mucho más elevada y la temperatura media de nuestro planeta sería comparable con la de Venus, cuya elevada concentración de CO₂ lo hace tan caliente que el agua no permanece líquida en su superficie. Los procesos biológicos comandados por el plancton dentro del océano depositan en los fondos marinos aproximadamente 0.1×10^9 toneladas de carbono al año, y aunque esto ha sido muy efectivo en la escala geológica, habilitando las condiciones necesarias para la vida como la conocemos, está muy lejos de absorber en el corto plazo las ~7×10^9 toneladas de carbono producidas anualmente por el ser humano. Si bien las aguas frías logran absorber grandes cantidades de CO₂, el calentamiento de las aguas frías causa que miles de millones de toneladas de CO₂ pasen del agua a la atmósfera. En los últimos 200 años, la sociedad humana ha introducido a la atmósfera aproximadamente 400 mil millones de toneladas de carbono a la atmósfera, a través de procesos como la deforestación, quema de combustibles fósiles, fabricación de cemento y cambios en el uso de suelo. De esta inmensa cantidad, el 30% ha sido absorbido por el agua (aumentando considerablemente su acidez) y el restante 70% se ha quedado en la atmósfera generando un aumento de ~110 ppm en la presión parcial del CO₂ (pCO₂ ) en el aire. El valor del pCO₂ en la atmósfera durante la era pre-industrial se encontraba cerca de los 280 ppm, un valor que había permanecido estable, presentando variaciones menores a 20 ppm, durante los últimos 11000 años. La influencia del ser humano, desde la revolución industrial hasta ahora, en el aumento del CO₂ presente en la atmósfera, ha generado que un valor que se mantuvo estable durante 11000 años tuviera un cambio dramático en tan sólo 200 años. 

De la investigación de Álvarez-Borrego observamos que el carbono se absorbe con mayor efectividad en las aguas frías, de modo que la misma abundancia de carbono perpetúa su propio aumento al propiciar el calentamiento de las aguas. Es decir, si a mayor temperatura del agua, menor absorción de carbono, entonces se forma un ciclo de retroalimentación: aumenta la temperatura del mar, se absorbe menos carbono, se intensifica el efecto invernadero, aumenta la temperatura global, aumenta la temperatura del mar, se absorbe menos carbono … etc.

Diagrama 2: Ciclo del carbono

El ser humano contribuye a esta rueda como un niño que empuja esos típicos juegos de rueda giratoria de los parques para hacerla girar más rápido. Según la analogía, el empuje debe ser realizado tangencialmente desde algún punto de la circunferencia. Para el ciclo del carbono y con los datos que poseemos, tenemos, según la investigación de Álvarez-Borrego, que hay un impulso antropogénico en el aumento de la presión parcial de CO₂ (como se muestra en el diagrama 3). Claro que es posible argumentar que la influencia antropogénica influye en los demás elementos del ciclo, no obstante este factor es mucho más específico y poseemos datos que sostienen la cantidad en que hemos incidido. Para los demás factores, es probable que encontremos una diversidad de formas en que el ser humano incide y no una magnitud en particular. De todos modos, la finalidad de esta explicación no es mostrar una causa final del cambio climático, sino reflexionar con datos científicos precisos acerca de la influencia del ser humano en este fenómeno. 

Diagrama 3: Ciclo del carbono, se indica dónde interviene el ser humano

ACTIVIDAD

Entregar documento adjunto a las y los estudiantes. Allí encontrarán extractos de una investigación denominada “Black carbon footprint of human presence in Antarctica”⁷ publicada en la importante revista científica Nature. Esta investigación fue realizada por un equipo interdisciplinario entre quienes se encuentra el Dr. Francisco Fernandoy, académico de la Universidad Nacional Andrés Bello, investigador responsable del Laboratorio de Análisis Isotópico y miembro del Comité Nacional de Investigación Antártica (CNIA). El objetivo de la actividad es que los estudiantes extraigan información útil y datos precisos relacionados al ciclo hielo-albedo para que luego: (1) construyan el diagrama correspondiente a este ciclo e (2) indiquen en cuál o cuáles de sus elementos existe influencia antropogénica fundada en datos científicos. Además, se sugiere guiar la reflexión con las siguientes preguntas: ¿qué elementos componen el ciclo hielo-albedo?, ¿es alguno de ellos una causa principal?, ¿cómo afecta al clima global? y ¿cómo incide el ser humano en la aceleración del ciclo?

 

Extracto de investigación: “Black carbon footprint of human presence in Antarctica”

 

 

Para introducir la actividad se recomienda ver el video de la columna de la derecha donde se explica de manera breve qué es el ciclo de retroalimentación hielo-albedo. 

Se espera que los estudiantes puedan organizar el ciclo según la siguiente lógica: disminuye la superficie de hielo, disminuye el albedo, aumenta la temperatura absorbida, disminuye la superficie de hielo … etc. Además, basándose en la investigación adjunta se obtienen datos suficientes para afirmar que el ser humano contribuye a este ciclo en la disminución de la superficie de nieve mediante el aumento de la huella de carbono negro en consecuencia de su presencia en la Antártica. Cualquier otro planteamiento del ciclo o cualquier otro factor que se considere como acelerado directamente por el ser humano es, de hecho, esperable que las y los estudiantes lleguen a mencionar para enriquecer la reflexión final. 

Finalmente, con el diagrama realizado, podemos relacionar ambos ciclos para enfatizar en la complejidad del sistema climático terrestre y en que como humanidad poseemos hoy en día una gran responsabilidad con el medio ambiente.

Diagrama 4: Ciclos del carbono y del hielo-albedo en relación con las aceleraciones antropogénicas correspondientes

REFERENCIAS

1. Montes, C. (2021). Por quinto año consecutivo la Región Metropolitana registra lluvias durante tres días seguidos en junio. La Tercera. Recuperado de LaTercera.com [16 de agosto de 2022].
2. Matus, J. (3 de enero de 2022). El 2021 termina como el año más seco de la historia. CR². Recuperado de cr2.cl [16 de agosto de 2022].
3. Ley N.° 21455. Ley Marco de Cambio Climático (30 de mayo de 2022). Recuperado de bcn.cl [16 de agosto de 2022].
4. Black, R. (26 de septiembre de 2013). Las cicatrices del calentamiento global desde la revolución industrial. BBC News Mundo. Recuperado de bbc.com [16 de agosto de 2022].
5. Acciona (2020). ¿Qué es el Cambio Climático?. Recuperado de acciona.com [16 de agosto de 2022].
6. Alvarez-Borrego, S. (2007). Principios generales del ciclo del carbono en el océano. México: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, Instituto Nacional de Ecología y Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada. Link.
7. Cordero, R. et al. (2022). Black carbon footprint of human presence in Antarctica. Nature Communications. Link.

 

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