Pregunta del lector: Escuché que el dióxido de carbono constituye el 0.04 por ciento de la atmósfera del mundo. ¡No 0.4 por ciento o 4 por ciento, sino 0.04 por ciento! ¿Cómo puede ser tan importante en el calentamiento global si es un porcentaje tan pequeño?
A menudo me preguntan cómo el dióxido de carbono puede tener un efecto importante en el clima global cuando su concentración es tan pequeña, solo 0.041 por ciento de la atmósfera de la Tierra. Y las actividades humanas son responsables de solo el 32 por ciento de esa cantidad.
Estudio la importancia de los gases atmosféricos para contaminación del aire y cambio climático. La clave de la fuerte influencia del dióxido de carbono en el clima es su capacidad de absorber el calor emitido por la superficie de nuestro planeta, evitando que escape al espacio.
La 'Curva de Keeling' rastrea la acumulación de CO2 en la atmósfera de la Tierra. (Scripps Institution of Oceanography/ CC BY 4.0)
Ciencia temprana del invernadero
Los científicos que identificaron por primera vez la importancia del dióxido de carbono para el clima en la década de 1850 también se sorprendieron por su influencia. Trabajando por separado, John Tyndall en Inglaterra y Eunice Foote En los Estados Unidos se descubrió que el dióxido de carbono, el vapor de agua y el metano absorbieron calor, mientras que los gases más abundantes no lo hicieron.
Los científicos ya habían calculado que la Tierra tenía aproximadamente 59 grados Fahrenheit (33 grados Celsius) más cálido de lo que debería ser, dada la cantidad de luz solar que llega a su superficie. La mejor explicación para esa discrepancia fue que la atmósfera retuvo el calor para calentar el planeta.
Tyndall y Foote mostraron que el nitrógeno y el oxígeno, que en conjunto representan el 99 por ciento de la atmósfera, esencialmente no tuvieron influencia en la temperatura de la Tierra porque no absorbieron el calor.
Más bien, descubrieron que los gases presentes en concentraciones mucho más pequeñas eran completamente responsables de mantener las temperaturas que hacían habitable la Tierra, al atrapar el calor para crear un efecto invernadero natural.
Una manta en la atmósfera
La Tierra recibe constantemente energía del Sol y la irradia de regreso al espacio. Para que la temperatura del planeta permanezca constante, el calor neto que recibe del Sol debe equilibrarse con el calor saliente que emite.
Dado que el Sol está caliente, emite energía en forma de radiación de onda corta principalmente en las longitu des de onda ultravioleta y visible. La Tierra es mucho más fría, por lo que emite calor como radiación infrarroja, que tiene longitudes de onda más largas.
El dióxido de carbono y otros gases que atrapan el calor tienen estructuras moleculares que les permiten absorber la radiación infrarroja. Los enlaces entre los átomos en una molécula pueden vibrar de maneras particulares, como el tono de una cuerda de piano. Cuando la energía de un fotón corresponde a la frecuencia de la molécula, se absorbe y su energía se transfiere a la molécula.
El dióxido de carbono y otros gases que atrapan el calor tienen tres o más átomos y frecuencias que corresponde a la radiación infrarroja emitida por la Tierra. El oxígeno y el nitrógeno, con solo dos átomos en sus moléculas, no absorben la radiación infrarroja.
La mayor parte de la radiación de onda corta entrante del Sol atraviesa la atmósfera sin ser absorbida.
Pero la mayoría de la radiación infrarroja saliente es absorbida por los gases que atrapan el calor en la atmósfera. Luego pueden liberar o re-irradiar ese calor. Algunos regresan a la superficie de la Tierra, manteniéndola más caliente de lo que sería de otra manera.
La radiación solar (amarilla) y el calor radiante (rojo) interactúan con la Tierra. (NASA)
Investigación sobre transmisión de calor.
Durante la Guerra Fría, se estudió ampliamente la absorción de radiación infrarroja por muchos gases diferentes. El trabajo fue dirigido por la Fuerza Aérea de los EE. UU., Que estaba desarrollando misiles de búsqueda de calor y necesitaba comprender cómo detectar el calor que pasa por el aire.
Esta investigación permitió a los científicos comprender el clima y la composición atmosférica de todos los planetas del Sistema Solar al observar sus firmas infrarrojas. Por ejemplo, Venus tiene aproximadamente 870 F (470 C) porque su espesa atmósfera es 96.5 por ciento de dióxido de carbono.
También informó el pronóstico del tiempo y los modelos climáticos, permitiéndoles cuantificar cuánta radiación infrarroja se retiene en la atmósfera y regresa a la superficie de la Tierra.
La gente a veces me pregunta por qué el dióxido de carbono es importante para el clima, dado que el vapor de agua absorbe más radiación infrarroja y los dos gases absorben en varias de las mismas longitudes de onda.
La razón es que la atmósfera superior de la Tierra controla la radiación que escapa al espacio. La atmósfera superior es mucho menos densa y contiene mucho menos vapor de agua que cerca del suelo, lo que significa que agregar más dióxido de carbono influye significativamente cuánta radiación infrarroja escapa al espacio.
Observando el efecto invernadero
¿Alguna vez has notado que los desiertos a menudo son más fríos por la noche que los bosques, incluso si sus temperaturas promedio son las mismas? Sin mucho vapor de agua en la atmósfera sobre los desiertos, la radiación que emiten escapa fácilmente al espacio.
En regiones más húmedas, la radiación de la superficie queda atrapada por el vapor de agua en el aire. Del mismo modo, las noches nubladas tienden a ser más cálidas que las noches claras porque hay más vapor de agua.
La influencia del dióxido de carbono se puede ver en los cambios pasados en el clima. Los núcleos de hielo de los últimos millones de años han demostrado que las concentraciones de dióxido de carbono fueron altas durante los períodos cálidos, alrededor del 0,028 por ciento.
Durante las glaciaciones, cuando La Tierra tenía aproximadamente 7 a 13 F (4-7 C) más frío que en el siglo XX, el dióxido de carbono compuesto solo alrededor del 0.018 por ciento del ambiente
Aunque el vapor de agua es más importante para el efecto invernadero natural, los cambios en el dióxido de carbono han provocado cambios en la temperatura en el pasado. En contraste, los niveles de vapor de agua en la atmósfera responden a la temperatura.
A medida que la Tierra se calienta, su la atmósfera puede contener más vapor de agua, cual amplifica el calentamiento inicial en un proceso llamado "retroalimentación de vapor de agua". Variaciones en dióxido de carbono han sido por lo tanto el influencia de control sobre los cambios climáticos pasados.
Pequeño cambio, grandes efectos
No debería sorprender que una pequeña cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera pueda tener un gran efecto. Tomamos píldoras que son una pequeña fracción de nuestra masa corporal y esperamos que nos afecten.
Hoy el nivel de dióxido de carbono es más alto que en cualquier otro momento de la historia humana. Los científicos coinciden ampliamente en que la temperatura media de la superficie de la Tierra ya ha aumentado en aproximadamente 2 F (1 C) desde la década de 1880, y que los aumentos causados por los humanos en el dióxido de carbono y otros gases que atrapan el calor son extremadamente probable que sea responsable.
Sin acción para controlar las emisiones, el dióxido de carbono podría alcanzar el 0.1 por ciento de la atmósfera para 2100, más del triple del nivel anterior a la Revolución Industrial. Esto sería un cambio más rápido que las transiciones en el pasado de la Tierra eso tuvo enormes consecuencias.
Sin acción, esta pequeña porción de la atmósfera causará grandes problemas.
Clima explicado es una colaboración entre The Conversation, Stuff y el New Zealand Science Media Center para responder sus preguntas sobre el cambio climático. 
Jason West, Profesor de Ciencias Ambientales e Ingeniería, Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.
Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.