Manta
Qué hace
Frena el paso del aire caliente alrededor del cuerpo
¿Guarda la energía?
Se la describe como si la «guardara»
Hacia dónde va la energía
—
Clase 8 · Efecto invernadero Sin empezar
Idea central. Una molécula absorbe radiación infrarroja solamente si al vibrar cambia la distribución de carga; por eso el CO₂ absorbe y el N₂ no.
Recordatorio corto: la superficie de la Tierra emite radiación infrarroja (clase 7). De la Unidad 4 necesitás las fórmulas de las sustancias y la idea de que los átomos de una molécula están unidos por enlaces.
La mayor parte del gas de la atmósfera es nitrógeno ($\mathrm{N_2}$) y oxígeno ($\mathrm{O_2}$), y esos dos gases no absorben la radiación infrarroja que emite la Tierra. En cambio, gases que están en cantidades mucho menores, como el dióxido de carbono, el vapor de agua, el metano y el óxido nitroso, sí la absorben (UCAR Center for Science Education, The Greenhouse Effect).
Eso pide una explicación: si no es la cantidad, ¿qué tienen esas moléculas que no tengan las de $\mathrm{N_2}$ y $\mathrm{O_2}$?
Los átomos de una molécula no están quietos: los enlaces se estiran y se acortan, y los ángulos se abren y se cierran. Eso es una vibración molecular. Hay dos formas básicas:
| Tipo de vibración | Qué hacen los átomos |
|---|---|
| Estiramiento | Los átomos unidos se acercan y se alejan a lo largo del enlace |
| Flexión | La molécula se dobla: cambia el ángulo entre los enlaces |
En una molécula con más de dos átomos, el estiramiento puede ser simétrico (los dos extremos se alejan del centro a la vez) o asimétrico (uno se acerca mientras el otro se aleja).
Dentro de una molécula hay zonas con un poco más de carga negativa y zonas con un poco más de carga positiva. Esa es su distribución de carga. El criterio es este:
Una molécula absorbe radiación infrarroja solo si, al vibrar, cambia su distribución de carga.
Fuente: LibreTexts Chemistry, Infrared: Theory («un criterio para la absorción infrarroja es un cambio neto en la distribución de carga de la molécula mientras vibra»). La expresión «distribución de carga» reemplaza a «momento dipolar», que queda fuera de esta clase.
| Molécula | Forma, en palabras | Vibraciones posibles | ¿Cambia la distribución de carga al vibrar? | ¿Absorbe IR? |
|---|---|---|---|---|
| $\mathrm{N_2}$ | Dos átomos iguales en línea | Solo estiramiento | No: los dos átomos son iguales y la carga sigue repartida igual | No |
| $\mathrm{O_2}$ | Dos átomos iguales en línea | Solo estiramiento | No, por la misma razón | No |
| $\mathrm{CO_2}$ | Tres átomos en línea, el carbono en el medio | Estiramiento simétrico, estiramiento asimétrico y flexión | En el simétrico no; en el asimétrico y en la flexión sí | Sí |
| $\mathrm{H_2O}$ | Tres átomos en ángulo, como una V | Estiramiento simétrico, estiramiento asimétrico y flexión | Sí, en las tres | Sí |
| $\mathrm{CH_4}$ | Un carbono en el centro y cuatro hidrógenos alrededor | — | Sí | |
| $\mathrm{N_2O}$ | Tres átomos en línea | — | Sí | |
El caso del $\mathrm{CO_2}$ muestra que el criterio no es «tener tres átomos»: el mismo $\mathrm{CO_2}$ tiene una vibración que no absorbe (la simétrica, donde los cambios de los dos lados se compensan) y otras que sí. Lo que decide es si la vibración cambia la distribución de carga.
Se suele decir que los gases de efecto invernadero «atrapan el calor como una manta». La imagen falla en lo principal. Lo que ocurre son dos pasos:
Qué hace
Frena el paso del aire caliente alrededor del cuerpo
¿Guarda la energía?
Se la describe como si la «guardara»
Hacia dónde va la energía
—
Qué hace
Absorbe infrarrojo y lo vuelve a emitir
¿Guarda la energía?
No: la reemite
Hacia dónde va la energía
En todas las direcciones; una parte vuelve a la superficie
La parte que vuelve hacia abajo es la que explica que la superficie esté más templada. Una manta no emite radiación hacia vos: por eso es una analogía que falla.
Absorbe ultravioleta que llega del Sol
Problema
El agujero de ozono deja pasar más UV
Absorben infrarrojo que emite la Tierra
Problema
Más gas, más infrarrojo reemitido hacia la superficie
Fuentes: OMS, Radiation: Ultraviolet (UV); UCAR, The Greenhouse Effect.
Los gases de efecto invernadero (GEI) son los componentes gaseosos de la atmósfera que absorben y emiten radiación infrarroja, y por eso contribuyen al efecto invernadero. El principal es el dióxido de carbono, pero no es el único.
| Gas | De dónde sale | Por qué importa |
|---|---|---|
| Dióxido de carbono (CO₂) | Quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), deforestación y cambios en el uso del suelo. | Es el principal contribuyente al calentamiento global, por su abundancia y porque permanece mucho tiempo en la atmósfera. |
| Metano (CH₄) | Actividades agropecuarias (sobre todo la fermentación entérica del ganado), descomposición de residuos orgánicos en basurales, producción y transporte de combustibles fósiles. | Hay menos que CO₂, pero atrapa calor de forma mucho más eficaz: unas 25 veces más que el CO₂ en un período de 100 años. |
| Óxido nitroso (N₂O) | Fertilizantes nitrogenados en la agricultura, procesos industriales, quema de biomasa y de combustibles fósiles. | Unas 300 veces más potente que el CO₂ para atrapar calor en 100 años. |
| Gases fluorados | Usos industriales y comerciales: refrigerantes, solventes, propulsores de aerosoles y agentes espumantes. | Están en cantidades pequeñas, pero su potencial de calentamiento es muy alto: hasta miles de veces el del CO₂. |
| Vapor de agua (H₂O) | El ciclo natural del agua (evaporación y condensación). | Es el GEI más abundante, pero su cantidad depende sobre todo de la temperatura: si la atmósfera se calienta, puede contener más vapor, y eso amplifica el efecto invernadero (clase 12). |
No. Para comparar el efecto de cada gas se usa una escala: el potencial de calentamiento global (PCG). Compara el impacto de un gas con el del CO₂ en un período determinado, generalmente 100 años. El CO₂ tiene PCG = 1 por definición. El PCG de un gas depende de dos cosas: cuánto calor absorbe y cuánto tiempo permanece en la atmósfera.
| Gas de efecto invernadero | PCG |
|---|---|
| Dióxido de carbono (CO₂) | 1 |
| Metano (CH₄) | 21 |
| Óxido nitroso (N₂O) | 296 |
| Fluorocarburos | 120 a 12.000 |
| Clorofluorocarbonos (CFC) | 5.700 a 11.900 |
| Hexafluoruro de azufre (SF₆) | 22.200 |
Ojo con los números: en la tabla de la presentación el metano vale 21 y el óxido nitroso 296, mientras que en la diapositiva anterior aparecen redondeados como «unas 25 veces» y «unas 300 veces». Para esta clase alcanza con el orden de magnitud: el metano calienta decenas de veces más que el CO₂ por unidad de masa, el óxido nitroso cientos y los gases fluorados miles. Con el PCG cualquier emisión se puede expresar como CO₂ equivalente, la unidad de la huella de carbono (clase 23).
Con la calculadora podés hacer la cuenta CO₂e = masa × PCG con los valores de la tabla de arriba («Valores de la clase») o con los del IPCC AR5, y cambiar los números a mano. En «Actividades e industrias» los factores de emisión son valores de ejemplo para la clase, no datos oficiales.
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Simulador creado por el prof. Federico Garberi. Funciona sin internet una vez cargado y no guarda respuestas.
El nitrógeno y el oxígeno forman el 99 % de los gases de la atmósfera, pero por la forma y el tipo de sus moléculas no pueden retener la energía: es lo que vimos arriba, al vibrar no cambian su distribución de carga. Por eso no tienen relación con el efecto invernadero.
El vapor de agua sí es un gas de efecto invernadero y participa del fenómeno. Pero su concentración es muy variable, no depende directamente de la actividad humana y permanece muy poco tiempo en la atmósfera; por eso no se lo cuenta entre los GEI responsables del cambio climático.
Fuente: presentación del docente Un invernadero gigante (Canva), diap. 12 a 17.
En la pantalla hay dos moléculas. A la izquierda, una de nitrógeno, $\mathrm{N_2}$: dos esferas iguales unidas por un enlace. A la derecha, una de dióxido de carbono, $\mathrm{CO_2}$: tres esferas en fila, con el carbono en el medio y un oxígeno a cada lado. Un cartel fijo aclara que los colores solo sirven para distinguir los elementos.
Primero llega a la molécula de nitrógeno una onda de radiación infrarroja, dibujada como una línea ondulada con su rótulo. La molécula vibra: sus dos átomos se acercan y se alejan una y otra vez. Alrededor de la molécula hay una sombra que representa cómo está repartida su carga, y esa sombra no cambia mientras vibra, porque los dos átomos son iguales. La onda sigue de largo sin quedarse. Un rótulo dice que, como la distribución de carga no cambia, el nitrógeno no absorbe el infrarrojo.
Después la onda llega a la molécula de dióxido de carbono, que puede vibrar de tres maneras, mostradas una por vez. En la primera, los dos oxígenos se alejan del carbono al mismo tiempo, en forma simétrica: la sombra de carga no cambia y la molécula no absorbe. En la segunda, un oxígeno se acerca mientras el otro se aleja: la sombra de carga oscila de un lado a otro, y la onda desaparece al llegar, porque la molécula la absorbe. En la tercera, la molécula se dobla como una V que se abre y se cierra: otra vez la carga cambia y la molécula absorbe.
Luego aparece el rótulo «absorbe y vuelve a emitir». Desde la molécula de dióxido de carbono salen nuevas ondas infrarrojas en distintas direcciones: hacia arriba, hacia los costados y también hacia abajo, hacia una franja que representa la superficie de la Tierra. La molécula no se agranda ni se «llena»: no guarda la energía, la reemite.
La animación termina con el criterio escrito en pantalla: una molécula absorbe radiación infrarroja solo si, al vibrar, cambia su distribución de carga. Por eso el dióxido de carbono absorbe y el nitrógeno no.
Fuentes de la animación: LibreTexts Chemistry, Infrared: Theory; UCAR, The Greenhouse Effect. Esquema, no está a escala real.
Antes de tocar: ¿qué creés que le pasa a una molécula de CO₂ cuando le llega radiación infrarroja? ¿Y a una de N₂?
Elegí una molécula (N₂, O₂, CO, CO₂, H₂O, NO₂, O₃, CH₄) y una fuente de luz (microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta), y encendé la lámpara.
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Para cerrar: probá también CH₄ y H₂O con infrarrojo. ¿Cuáles de las 8 moléculas se comportan como gases de efecto invernadero?
Simulación «Moléculas y luz» de PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, con licencia CC BY 4.0.
Es parecida a la de PhET, con las mismas moléculas del aire y cuatro tipos de radiación. Tiene un botón para disparar un solo fotón, contadores y un desafío de 5 preguntas al final. Está en castellano y en ruso (botón ES/RU).
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Simulador creado por el prof. Federico Garberi. Funciona sin internet una vez cargado y no guarda respuestas.
Opcional: simuladores interactivos que van con el tema de esta clase. Se pueden abrir antes o después de la explicación.
En esta clase
Mandale distintas radiaciones a las moléculas del aire y mirá cuáles la absorben.
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En esta clase
Simulador del prof. Federico Garberi: moléculas del aire, cuatro radiaciones y un desafío.
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En esta clase
Simulador del prof. Federico Garberi: pasá cantidades de gases a CO₂ equivalente.
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Clase 6
Recorré el espectro con un deslizador, del ultravioleta a las microondas.
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Imaginá dos experimentos: en uno se agrega $\mathrm{CO_2}$ a la atmósfera; en el otro, la misma cantidad de $\mathrm{N_2}$. Explicá por escrito por qué solo el primero cambiaría la temperatura media de la superficie. Tu explicación tiene que:
Afirmación a defender: el $\mathrm{N_2}$ es el gas más abundante de la atmósfera y aun así no contribuye al efecto invernadero.
Diez preguntas, porque es la clase con más ideas nuevas del bloque. Al elegir una opción aparece una explicación: leela aunque hayas acertado.
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