Ecología y Medio Ambiente
El Cambio Climático y la Capa de Ozono

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El cuarto planeta era el de un hombre de negocios, el cual se encontraba tan ocupado que ni siquiera levantó la cabeza para ver al principito cuando llegó. La verdad no es aquello que es demostrable. La verdad es aquello que es inevitable - Antoine de Saint-Exupery

Introducción
 

La posibilidad de un cambio en los patrones climáticos del planeta y la destrucción actual de la capa de ozono son fenómenos que forman parte de lo que conocemos como el cambio ambiental global.

Un cambio global se define de dos formas: a) es aquel fenómeno que altera las capas de fluidos del sistema de la Tierra (la atmósfera y los océanos) y que, por lo tanto, se experimenta a escala planetaria; y b) aquel que ocurre en sitios particulares, pero tan ampliamente distribuido, que constituye un cambio a nivel global (Vitousek, 1992). Ejemplos del primer tipo son el cambio en la composición de la atmósfera (como los aumentos en la concentración de bióxido de carbono y de metano), el cambio climático, la destrucción de la capa de ozono en la estratósfera y el aumento de la incidencia de radiación ultravioleta. Dentro del segundo están la pérdida de la diversidad biológica, el cambio en el uso del suelo (por ejemplo, la destrucción de los bosques para uso agropecuario), los cambios en la química atmosférica (como la lluvia ácida y el aumento en la concentración de ozono en la tropósfera) y las invasiones biológicas. El denominador común de todos estos componentes es el ser humano y sus actividades, tales como las productivas, el desarrollo de ciertas tecnologías, la expansión de las tierras agrícolas y urbanas (cuyo resultado es la desforestación de ecosistemas naturales), el creciente e ineficiente uso de los combustibles fósiles y la emisión de toxinas y gases traza a la atmósfera como consecuencia de estos procesos.

No podemos asegurar todavía, sin controversia, que el clima del planeta ya esté cambiando como resultado de las actividades humanas. Existen evidencias de que el nivel global del océano ha aumentado a una tasa de 15 a 25 centímetros por siglo en los últimos cien años, probablemente debido al derretimiento de las capas polares y a la expansión térmica del agua oceánica (Takahashi et al, 1992). También, la temperatura promedio global del aire muestra un aumento aproximado de 0.5^º C desde 1880. Aunque el aumento concomitante del co₂ (de 0.028% a 0.035%) y de la temperatura en los últimos cien años sugiere una relación causal, es un hecho que esta magnitud de calentamiento ha ocurrido numerosas veces en la historia de la Tierra. Por lo tanto, la tendencia documentada podría representar un evento de variabilidad natural que no tenga relación aún con las actividades humanas en el planeta.

El cambio climático
 

Los modelos de circulación general con los que se estudian los fenómenos climáticos predicen que los cambios en los gases de invernadero y de los aerosoles pueden, en conjunto, ocasionar cambios regionales y globales en el clima y en las variables relacionadas con éste como son la temperatura, la precipitación, la humedad del suelo y el nivel del océano (ipcc, 1995). Las simulaciones recientes con estos modelos, incorporando el efecto de enfriamiento de los aerosoles con azufre (bióxido de azufre emitido por las actividades industriales), han podido replicar por primera vez, en términos generales, el aumento progresivo en la temperatura planetaria desde la mitad del siglo pasado al presente (Hadley Centre, 1995). Las simulaciones de tipo regional han sido mucho menos precisas. Sin embargo, está claro que mientras unas regiones se beneficiarán por aumentos en la precipitación otras serán perjudicadas por una disminución. Igualmente, no todas las regiones del planeta sufrirán aumentos similares en la temperatura, posiblemente por el efecto de enfriamiento de los aerosoles de origen industrial. Sin duda, a mediano y largo plazos, el cambio climático tiene el mayor potencial para alterar el funcionamiento de la Tierra porque además interactúa fuertemente con los otros componentes del cambio global (Vitousek, 1992).

A pesar de la imposibilidad para determinar de manera inequívoca que el clima del planeta ya está cambiando como resultado de las actividades de la sociedad, la situación actual ha puesto a la humanidad en una posición sin precedentes: se espera que en el lapso de una sola generación, el ambiente que hace posible la vida en la Tierra cambie más rápidamente que en ningún periodo comparable de la historia del planeta (Rosswall, 1991). El aumento de la temperatura media global de 0.2^º C por década, predicho para el próximo siglo por los modelos más recientes, seguramente rebasará la capacidad adaptativa de los ecosistemas naturales, ya que equivale aproximadamente a un cambio de 10 kilómetros de latitud por año (Hadley Centre, 1995). Muchas especies, particularmente vegetales, no podrán enfrentar con éxito esta tasa de cambio. Los sectores de la sociedad involucrados en la toma de decisiones tienen la necesidad de actuar a pesar de las incertidumbres científicas. Los cambios ambientales inducidos por un cambio climático no pueden ser revertidos rápidamente, si acaso lo pueden ser, debido a que los tiempos de los procesos del sistema climático van de las décadas a las centurias (ipcc 1995). Además, tanto los sistemas ecológicos naturales como los socieconómicos y la salud humana son sensibles a la magnitud y a la velocidad del cambio climático.

Ante este escenario uno puede preguntarse: ¿Por qué los científicos se preocupan del aumento de los llamados gases de invernadero y por qué los vinculan con un cambio climático? ¿Cuáles son los principales gases de invernadero y cuál es el origen de su aumento en la atmósfera?

Los gases de invernadero son transparentes a las radiaciones solares (longitud de onda corta) pero absorben la radiación infrarroja (de longitud de onda larga) emitida por la Tierra y la retienen en la parte baja de la atmósfera (tropósfera) (ver Gay et al, 1991, para tener una descripción más detallada de este fenómeno). Un aumento sustancial en la concentración de estos gases puede, por lo tanto, producir el calentamiento de la superficie terrestre y afectar de manera considerable el clima del planeta (Schneider, 1989). Estos gases están en la tropósfera en concentraciones muy bajas. Basta considerar que el 99.9% de los gases atmosféricos lo constituyen el nitrógeno, el oxígeno y otros gases nobles inertes que no son gases de invernadero (Graedel y Crutzen, 1989). Ante la creciente preocupación respecto de un calentamiento global, se cree que el fenómeno de invernadero es algo que está ocurriendo como resultado de las actividades humanas o que ocurrirá en el futuro. Esta idea es equivocada. Estos gases han jugado un papel fundamental en la regulación de la temperatura del planeta desde sus orígenes, a pesar que la composición de la atmósfera ha estado sujeta a cambios debidos a los procesos geoquímicos en un principio y, después, a los procesos biológicos resultantes de la evolución de la vida (ver Jaramillo, 1994).

Los gases de invernadero en la actualidad
 

Es necesario señalar que, a excepción de los clorofluorocarburos, los gases que se mencionan a continuación son, en primera instancia, producto de procesos naturales que existían millones de años antes que la vida humana. En particular, varios de ellos son emitidos como resultado de la actividad biológica de los microorganismos del suelo.

Bióxido de carbono. Este gas, importante componente de nuestra atmósfera desde hace miles de millones de años, tuvo su origen en la actividad volcánica del planeta que lo lanzaba a la atmósfera. El bióxido de carbono es, posiblemente, el componente atmosférico más afectado por las actividades humanas. De acuerdo con las predicciones de los modelos climáticos globales, cerca del 55% del calentamiento predicho para el próximo siglo se debe al bióxido de carbono, 20% a los clorofluorocarburos (cfc) y el 25% restante al metano (ch₄) y al óxido nitroso (n₂o) (Takahashi et al, 1992). El aumento de co₂ en la atmósfera ha sido bien documentado. Las mediciones efectuadas en Mauna Loa, Hawaii desde 1957 han mostrado un aumento de 315 partes por millón (ppm; 0.0315%) a 350 ppm en 1988. Los resultados obtenidos con núcleos de hielo han mostrado concentraciones de 280 ppm al principio de la era industrial (1880). Esto significa un incremento del 25% en poco más de cien años y la tasa de aumento actual es de 0.4% por año. Aunque se han documentado concentraciones similares a la actual en el registro geológico, ésta constituye el nivel más alto de los últimos 160 mil años y la velocidad de cambio parece mucho mayor (Bolin, 1989). Las causas de este incremento incluyen el uso industrial y doméstico de combustibles que contienen carbono (petróleo, carbón, gas natural y leña), la desforestación ^__ que provoca la descomposición de la materia orgánica^__  y la quema de la biomasa vegetal (cuadro 1). Sin embargo, es el uso indiscriminado e ineficiente de los combustibles fósiles el principal generador de la tendencia actual. La quema de dichos combustibles ha aumentado a una tasa de 4.3% anual desde la Revolución Industrial, excepto en algunos periodos como las guerras mundiales y la Gran Depresión. Desde la perspectiva del ciclo global del carbono, los flujos antropogénicos son pequeños si se les compara con los que ocurren naturalmente entre la atmósfera, los ecosistemas terrestres y los océanos, pero son suficientes para aumentar el contenido de co₂ en la atmósfera a una tasa aproximada de 3.2 % por año (Jarvis y Dewar, 1993).

Metano. Este gas es, después del bióxido de carbono, el compuesto de carbono más abundante en la atmósfera (Schlesinger, 1991). Se emite de manera natural por la fermentación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas (sin oxígeno) tal como ocurre en los humedales, los sedimentos lacustres y en el aparato digestivo de los rumiantes y las termitas. Su concentración en la tropósfera está aumentando cerca de 1% por año, que es una tasa mucho más alta que la del co₂, y se ha duplicado en los últimos 240 años, hasta alcanzar su nivel actual de 1.7 partes por millón. La concentración de metano muestra variaciones latitudinales ^__ es mayor en el hemisferio norte^__  y fuertes oscilaciones estacionales.

El metano (ch₄) tiene una capacidad de absorción de radiación infrarroja 20 veces mayor por molécula que el bióxido de carbono (Silver y DeFries, 1990), por lo que el aumento de este gas en la tropósfera tiene el potencial para contribuir de manera significativa a un cambio climático global. Aunque existe incertidumbre, se piensa que la creciente superficie cultivada con arroz así como la quema de la biomasa vegetal están contribuyendo de manera importante a dicho aumento (cuadro 1). El crecimiento del hato ganadero y de las poblaciones de termitas han sido descartados como fuentes importantes a nivel mundial. Por otro lado, la mayor concentración también puede deberse a una disminución de la capacidad limpiadora de la atmósfera por el incremento en las emisiones de monóxido de carbono, contaminante que es altamente reactivo con los radicales que elimina el metano. Los cambios en el uso de la tierra en el trópico también pueden haber reducido la tasa de consumo de metano por parte del suelo contribuyendo así al aumento.

Oxido nitroso. El óxido nitroso (n₂o) tiene como origen natural los procesos microbianos tanto en los ecosistemas terrestres como marinos, en los que se produce como resultado de la nitrificación (conversión de amonio a nitratos o nitritos) y la desnitrificación (conversión de nitratos a óxido nitroso y nitrógeno molecular). Su concentración ha aumentado a una tasa anual de 0.2 a 0.3% en los últimos 20 a 30 años hasta alcanzar una concentración actual de 330 partes por billón (Matson y Vitousek, 1990). El n₂o es 250 veces más efectivo por molécula que el bióxido de carbono para absorber la radiación infrarroja (Silver y DeFries, 1990) por lo que, al igual que en el caso del metano, su aumento tiene consecuencias importantes para el cambio climático planetario. Una característica de este gas es que además de funcionar como gas de invernadero en la tropósfera, dada su larga residencia en la atmósfera (cuadro 1), puede llegar a la estratósfera, donde se oxida a óxido nítrico que reacciona con el ozono y lo destruye (Matson y Vitousek, 1990). Las causas de su aumento no son bien conocidas pero se cree que la quema de la vegetación, el uso indiscriminado de fertilizantes nitrogenados y la conversión de tierras en los trópicos constituyen las fuentes de emisión más importantes (cuadro 1).

Clorofluorocarburos. Estos compuestos conocidos como cfc son, en contraste con los anteriores, netamente antropogénicos ya que se producen como propelentes de aerosoles, refrigerantes y solventes (cuadro 1). Tienen la propiedad de ser prácticamente inertes (no reaccionan químicamente con ningún compuesto) en la tropósfera y por ello llegan a la estratósfera en donde son los principales responsables de la destrucción del ozono. Sin embargo, en la tropósfera pueden contribuir también de manera significativa al calentamiento del planeta ya que los dos más comunes (cfc-11 y cfc-12) tienen de 17,500 a 20 mil veces la capacidad del bióxido de carbono por molécula para absorber la radiación infrarroja (Silver y DeFries, 1990). Su concentración está aumentando a una tasa de 5% por año, lo que aunado a su larga permanencia en la atmósfera (cuadro 1) los hace de crucial importancia. Es por esto que la comunidad internacional ha generado acuerdos (como el Protocolo de Montreal) para controlar la producción de dichos compuestos.

La capa de ozono

Como se acaba de mencionar las actividades humanas están aumentando la emisión de gases como el óxido nitroso y los cfc que tienen la capacidad para destruir el ozono (o₃) una vez que llegan a la estratósfera. El ozono es un gas altamente reactivo y está presente en toda la atmósfera, aunque el 90% del total se localiza en la estratósfera (Ashmore y Bell, 1991). Es el único gas atmosférico importante que absorbe radiaciones de longitud de onda menor a los 300 nanómetros (nm), lo cual limita la cantidad de radiación ultravioleta (uv) que llega a la superficie de la Tierra. Es justamente dicha propiedad  la que permitió, en parte, la evolución de muchas formas de vida que hoy vemos en el planeta. Asimismo, es precisamente la capa de ozono estratosférico la que está sufriendo el adelgazamiento como consecuencia de la emisión de compuestos antropogénicos a la atmósfera.

Cada mes de septiembre se produce una pérdida alarmante de ozono estratosférico en la Antártida, que llega a representar una disminución de casi el 100% en altitudes entre los 15 y 20 kilómetros y de 50% o más del ozono total en la columna vertical de las partes altas de la atmósfera (Rowland, 1991). El hoyo de ozono se ha expandido de la Antártida y ha alcanzado la parte sur de Chile y Argentina. También se han registrado adelgazamientos importantes de la capa de ozono en las regiones templadas y polares del hemisferio norte. Por ejemplo, en 1995 se midieron reducciones del 20% en Canadá. Cuando el hoyo de ozono se deshace en el verano austral, bolsas de aire con concentración reducida de ozono flotan hacia el norte y pueden afectar áreas densamente pobladas, como ya sucedió en Australia (Roy et al, 1990). Adicionalmente, se ha documentado una erosión generalizada de la capa de ozono en las latitudes medias (30^° a 60^°) y es más evidente en el hemisferio sur que en el norte. 

La causa principal de la pérdida de ozono es la reacción de éste con el cloro liberado por fotolisis (ruptura por incidencia de radiación uv) de los compuestos clorofluorocarbonados (cfc), debido a su creciente concentración en la estratósfera (Rowland, 1991). En la tropósfera, los cfc son transparentes a la radiación solar, insolubles, inertes y tienen una vida de cien años o más. Por ello, pueden viajar intactos verticalmente hasta la estratósfera, reaccionar con el ozono y destruirlo.

La destrucción del ozono tiene dos tipos de consecuencias: climáticas y biológicas. El ozono estratosférico absorbe la radiación ultravioleta y genera un gradiente creciente de temperatura con la altitud. La pérdida de ozono puede alterar dicho gradiente y disminuir la temperatura de tal forma que los patrones de vientos sobre la superficie terrestre cambien. Ya existe evidencia de que la temperatura global promedio a 50 kilómetros de altitud ha bajado 1.7° C en la última década (Rowland, 1991). Desde el punto de vista biológico-humano, el aumento en la penetración de radiación uv por la pérdida de ozono puede provocar un aumento en la incidencia de cáncer en la piel y del número de pacientes con cataratas así como una supresión parcial del sistema inmunológico. Otras consecuencias biológicas, tanto en los ecosistemas naturales como en los agropecuarios estarán mediadas por la respuesta de las plantas al aumento de radiación uv. Las investigaciones en este contexto indican que hay efectos directos e indirectos tales como la inhibición de la fotosíntesis, daño al material genético, y cambios en  la morfología, la fenología (periodos de floración, fructificación, etcétera), la acumulación de biomasa y en los compuestos secundarios (Caldwell et al, 1995). Sin embargo, es aún incierto como se traducen estas respuestas en los ecosistemas en condiciones naturales y como interactuará el incremento en radiación uv con los otros factores del cambio global. La solución del problema de los cfc no será sencilla. Estudios recientes sugieren que algunos de los compuestos  que los han reemplazado reaccionan en la atmósfera y producen compuestos ácidos que se precipitan con la lluvia afectando el crecimiento de las plantas en ecosistemas como los humedales.

Aunque las predicciones regionales del cambio climático no son precisas, es necesario enfatizar que estamos alterando significativamente las variables clave del sistema (como serían los cambios en la concentración atmosférica de los gases de invernadero). Estas modificaciones, aunadas a la destrucción paulatina de la capa de ozono y las posibles interacciones resultantes, nos plantean un panorama preocupante para el desarrollo de la sociedad en el futuro cercano.

El caso de México

La información referente a las emisiones de gases de invernadero en el país es, en general, todavía escasa aunque recientemente se ha impulsado su estudio mediante un proyecto apoyado por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente. Masera y colaboradores (ver bibliografía) han hecho estimaciones de las emisiones de bióxido de carbono, han diseñado escenarios posibles dadas las tendencias actuales y los patrones alternativos y han explorado estrategias para reducirlas. Aquí se presenta una parte muy pequeña del diagnóstico general y se invita al lector a consultar los trabajos originales para conocer la dimensión real del diagnóstico y las posibles soluciones.

De acuerdo con cálculos realizados, México está considerado como uno de los veinte países con mayores emisiones de gases de invernadero (Masera, 1991). De éstos el 80% corresponde al bióxido de carbono, el 8% al metano y el 12% a los clorofluorocarbonos. Existe incertidumbre en las estimaciones por la falta de mediciones precisas de algunas variables clave. Sin embargo, está claro que las emisiones netas per cápita (aproximadamente una tonelada de carbono por año) son menores a las de los países industrializados (de dos a cuatro toneladas por año). Para el caso del bióxido de carbono (co₂), más del 60% de las emisiones del país provienen de la producción de energía (cuadro 3). De ésta, el petróleo representa el 42%. La otra fuente importante es la desforestación que alcanza el 35% del total. Dada la importancia del sector energético, las estrategias para reducir las emisiones de co₂ involucran la sustitución de combustibles por aquellos que emitan menos co₂ por unidad de energía (por ejemplo gas natural, energía solar, biomasa e hidroenergía) y una mayor eficiencia en la producción y consumo de la energía. Es particularmente en este último rubro en el que la sociedad y sus hábitos juegan un papel estratégico para reducir las emisiones del país y hacer un mejor uso de la energía generada. En el sector agrícola y forestal, el énfasis en el manejo intensivo de los ecosistemas tropicales, el manejo de policultivos, el uso múltiple de los recursos y planes efectivos de reforestación son alternativas que tendrían efectos rápidos para beneficio del país.

La producción de escenarios más precisos acerca de la emisión de gases de invernadero en México, implica el desarrollo de investigaciones que cuantifiquen, para nuestro país, algunas variables clave para los cálculos (por ejemplo mejores estimaciones de las tasas de desforestación, la cuantificación de los almacenes de carbono en la vegetación, etcétera). En muchos casos, dicha investigación ya se está llevando a cabo.

Cuadro 1. Principales gases de invernadero cuya concentración está aumentando en la atmósfera como consecuencia de diversas actividades humanas (modificado de Graedel y Crutzen, 1989).