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
—
Qué necesitás traer
- Clase 7: Entra visible, sale infrarrojo
- Unidad 4 del programa
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.
Desarrollo
Leer la explicación
El hecho a explicar
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 $\mathrm{O_2}$?
Qué es vibrar
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).
El criterio de absorción
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 por molécula
| 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.
Por qué la manta no alcanza
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:
- Absorción: la molécula absorbe infrarrojo y vibra.
- Reemisión: la molécula vuelve a emitir esa radiación, en cualquier dirección: hacia el espacio, hacia otra molécula o de vuelta hacia la superficie (UCAR, The Greenhouse Effect).
Gas de efecto invernadero
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.
Ozono e invernadero no son lo mismo
Ozono estratosférico
UVAbsorbe ultravioleta que llega del Sol
Problema
El agujero de ozono deja pasar más UV
Gases de efecto invernadero
IRAbsorben 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: cuáles son y de dónde vienen
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). |
¿Todos los GEI calientan igual? El potencial de calentamiento global
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).
Calculadora de PCG: CO₂ equivalente
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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- Con los valores de la clase: ¿a cuántas toneladas de CO₂e equivalen 2 t de metano?
- ¿Qué conviene reducir: 10 t de CO₂ o 1 t de CH₄?
Simulador creado por el prof. Federico Garberi. Funciona sin internet una vez cargado y no guarda respuestas.
¿Y el nitrógeno, el oxígeno y el vapor de agua?
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.
Animación
Descripción de la animación
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.
Exploración: simulación «Moléculas y luz»
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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Preguntas guía
- Con el CO₂: ¿qué pasa con el infrarrojo? ¿Y con la luz visible?
- Con el N₂ y el O₂ y el infrarrojo: ¿pasa lo mismo que con el CO₂? ¿Qué tiene que ver con que no sean gases de efecto invernadero?
- Con el O₃ (ozono) y el ultravioleta: ¿qué le pasa a la molécula? ¿Por qué el ultravioleta puede hacer eso y el infrarrojo no?
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.
Otra simulación: «Moléculas y radiación» (del profe)
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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- Con el NO₂ y la luz visible: ¿pasa de largo como con el CO₂? ¿Qué tiene que ver con el color del smog?
- Con el H₂O y las microondas: ¿vibra o gira?
Simulador creado por el prof. Federico Garberi. Funciona sin internet una vez cargado y no guarda respuestas.
Simuladores para esta clase
Opcional: simuladores interactivos que van con el tema de esta clase. Se pueden abrir antes o después de la explicación.
En esta clase
Moléculas y luz (PhET)
Mandale distintas radiaciones a las moléculas del aire y mirá cuáles la absorben.
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En esta clase
Moléculas y radiación
Simulador del prof. Federico Garberi: moléculas del aire, cuatro radiaciones y un desafío.
Abrir el simulador →
En esta clase
Calculadora de PCG (CO₂ equivalente)
Simulador del prof. Federico Garberi: pasá cantidades de gases a CO₂ equivalente.
Abrir el simulador →
Clase 6
El espectro electromagnético
Recorré el espectro con un deslizador, del ultravioleta a las microondas.
Abrir el simulador →
Láminas para descargar
Por qué el CO₂ sí y el N₂ no
No es una manta
Actividades
1. Agregar CO₂ o agregar N₂
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:
- usar el criterio de absorción (distribución de carga al vibrar);
- nombrar los dos pasos, absorción y reemisión;
- decir qué parte de la radiación reemitida llega a la superficie.
2. El gas más abundante
Afirmación a defender: el $\mathrm{N_2}$ es el gas más abundante de la atmósfera y aun así no contribuye al efecto invernadero.
Autoevaluación
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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