Invernadero y casa de hielo Tierra

Existen varias teorías sobre cómo puede surgir un efecto invernadero en la Tierra. Los indicadores climáticos geológicos señalan una fuerte correlación entre un estado de efecto invernadero y altos niveles de CO₂ _. [ ^{1 ] Sin} embargo, es importante reconocer que los altos niveles de CO₂ _se han interpretado tradicionalmente como una retroalimentación al clima de la Tierra, en lugar de como un factor independiente, pero se han identificado factores geológicos que influyen en el CO₂ y el cambio climático. _[ ^{12 ] Otros} fenómenos probablemente han desempeñado un papel clave en la influencia del clima global al alterar las corrientes oceánicas y atmosféricas ^{[ 13 ]} y aumentar la cantidad neta de radiación solar absorbida por la atmósfera terrestre. ^{[ 14 ]} Dichos fenómenos pueden incluir, entre otros, cambios tectónicos que resultan en la liberación de gases de efecto invernadero (como CO₂ _y CH₄ ₎ a través de la actividad volcánica . ^{[ 15 ]} Los volcanes emiten grandes cantidades de CO₂ _y metano a la atmósfera cuando están activos, lo que puede atrapar suficiente calor como para causar un efecto invernadero. En una Tierra con efecto invernadero, las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO₂ ₎ y el metano (CH₄ ₎ son más altas, atrapando la energía solar en la atmósfera a través del efecto invernadero. El metano, el componente principal del gas natural, es responsable de más de un tercio del calentamiento global actual. ^{[ 16 ]} Si bien tiene un potencial de calentamiento global 80 veces mayor que el CO₂ _en los 20 años posteriores a su introducción en la atmósfera (debido a un efecto invernadero más fuerte), tiene una vida media relativamente corta en la atmósfera de 10 a 20 años. ^{[ 17 ]} Un aumento en la constante solar aumenta la cantidad neta de energía solar absorbida por la atmósfera terrestre, ^{[ 14 ]} y los cambios en la oblicuidad y excentricidad de la Tierra aumentan la cantidad neta de radiación solar absorbida por la atmósfera terrestre. ^{[ 14 ]}

Está bien establecido que existe una fuerte correlación entre los bajos niveles _de CO₂ y un estado glacial, ^{[ 22 ]} con evidencia de que el equilibrio entre las fuentes geológicas _de CO₂ , la meteorización y el enterramiento de carbono es responsable de las transiciones seculares de climas de invernadero y glaciales ^{[ 12 ]} y un papel claro de los cambios en el almacenamiento de carbono oceánico ^{[ 23 ]} en impulsar la mayor parte del CO₂ _del Cuaternario y el cambio climático. ^{[ 24 ]} Sin embargo, otros factores como el forzamiento solar, orbital y de placas tectónicas también influyen en el clima ^{[ 14 ] [ 25 ] [ 13 ]} y el ciclo global del carbono.

Entre los posibles impulsores de los estados glaciales anteriores se incluyen el movimiento de las placas tectónicas y la apertura y el cierre de los pasos oceánicos. ^{[ 26 ]} Estos parecen desempeñar un papel crucial en la transición de la Tierra a un estado glacial, ya que los cambios tectónicos dan lugar al transporte de agua fría y profunda, que circula hacia la superficie oceánica y contribuye al desarrollo de la capa de hielo en los polos. ^{[ 9 ]} Ejemplos de cambios en las corrientes oceánicas como resultado de la dinámica de las placas tectónicas incluyen la apertura del Paso de Tasmania hace 36,5 millones de años, que separó Australia y la Antártida, ^{[ 27 ] [ 28 ]} y la apertura del Paso Drake hace 32,8 millones de años por la separación de Sudamérica y la Antártida , ^{[ 28 ]} se cree que ambos permitieron el desarrollo de la capa de hielo antártica . El cierre del Istmo de Panamá y del estrecho de Indonesia hace aproximadamente 3 a 4 millones de años también puede contribuir al estado glacial actual de la Tierra. ^{[ 29 ]}

_{Una de las} hipótesis que impulsaron la Edad de Hielo del Ordovícico fue la evolución de las plantas terrestres. Según este paradigma, el rápido aumento de la biomasa fotosintética eliminó gradualmente _el CO₂ de la atmósfera y lo reemplazó con niveles crecientes de O₂ , lo que provocó un enfriamiento global. ^{[ 30 ]}

Una de las hipótesis que impulsaron la Edad de Hielo del Cuaternario es la colisión del subcontinente indio con Eurasia para formar el Himalaya y la meseta tibetana . ^{[ 21 ]} Bajo ese paradigma, el levantamiento continental resultante reveló enormes cantidades de roca de silicato sin meteorizar CaSiO₃ , que reaccionó conCO₂paraproducir_CaCO₃3 (cal) ySiO₂ (sílice). ElCaCO₃ fue finalmente transportado al océano y absorbido por el plancton, que luego murió y se hundió hasta el fondo del océano, lo que efectivamente eliminóCO₂de la atmósfera. ^{[ 21 ]}

Dentro de los estados glaciales se encuentran los períodos " glaciales " e " interglaciales ", en los que las capas de hielo se acumulan o retroceden. Durante un período glacial, solo alrededor del 20% del tiempo se pasa en períodos interglaciales o más cálidos. ^{[ 31 ]} Las simulaciones de modelos sugieren que el estado climático interglacial actual continuará durante al menos otros 100 000 años debido a las emisiones _de CO₂ , incluida la desglaciación completa del hemisferio norte. ^{[ 32 ]}

Las principales causas de los períodos glaciales e interglaciales son las variaciones en el movimiento de la Tierra alrededor del Sol . ^{[ 31 ]} Los componentes astronómicos, descubiertos por el geofísico serbio Milutin Milanković y ahora conocidos como ciclos de Milankovitch , incluyen la inclinación axial de la Tierra, la excentricidad orbital (o forma de la órbita ) y la precesión (o bamboleo) de la rotación de la Tierra . La inclinación del eje tiende a fluctuar de 21,5° a 24,5° y viceversa cada 41.000 años en el eje vertical. El cambio afecta la estacionalidad en la Tierra, ya que un cambio en la radiación solar llega a ciertas áreas del planeta con mayor frecuencia en una inclinación mayor, y una inclinación menor crea un conjunto de estaciones más uniforme en todo el mundo. Los cambios se pueden observar en los núcleos de hielo, que también contienen evidencia de que durante los períodos glaciales (en la máxima extensión de las capas de hielo), la atmósfera tenía niveles más bajos de dióxido de carbono ( CO ₂ ). Eso puede deberse a cambios en la circulación física del océano, la productividad biológica y la química ácido - base . ^{[ 33 ]}

Una "Tierra bola de nieve" es el polo opuesto de una Tierra con efecto invernadero, donde la superficie terrestre está completamente congelada. Sin embargo, técnicamente, una Tierra bola de nieve no posee capas de hielo continentales como durante el período glacial. Se ha sugerido que la "Gran Edad de Hielo Infracámbrica " ​​fue el escenario de un mundo así, y en 1964, el científico W. Brian Harland presentó su descubrimiento de indicios de glaciares en latitudes bajas (Harland y Rudwick). Esto se convirtió en un problema para Harland debido a la idea de la "Paradoja de la Bola de Nieve Desbocada" (una especie de efecto bola de nieve ), según la cual, una vez que la Tierra entra en la ruta para convertirse en una Tierra bola de nieve, jamás podrá abandonar ese estado.

En 1992, el geólogo Joseph Kirschvink propuso una solución a la paradoja y explicó cómo la Tierra pudo entrar y salir del período de la Tierra bola de nieve. Dado que los continentes se encontraban entonces agrupados en latitudes bajas y medias, había menos agua oceánica disponible para absorber la mayor cantidad de energía solar que incidía en los trópicos. Además, se produjo un aumento de las precipitaciones, ya que una mayor superficie terrestre expuesta a la radiación solar podría haber provocado meteorización química, lo que contribuiría a la eliminación de CO₂ _de la atmósfera. Ambas condiciones podrían haber causado una caída sustancial en los niveles atmosféricos de CO₂, _lo que resultó en un enfriamiento de las temperaturas y un aumento del albedo del hielo (reflectividad del hielo ante la radiación solar incidente), lo que a su vez incrementaría el enfriamiento global (una retroalimentación positiva). Este podría haber sido el mecanismo que condujo a la entrada en el estado de Tierra bola de nieve.

Kirschvink explicó que la forma de salir del estado de Tierra Bola de Nieve podría estar relacionada nuevamente con el dióxido de carbono. Una posible explicación es que, durante la Tierra Bola de Nieve, la actividad volcánica no se detendría, sino que acumularía CO₂ atmosférico _. Al mismo tiempo, la capa de hielo global impediría la meteorización química (en particular la hidrólisis ), responsable de la eliminación de CO₂ _de la atmósfera. Por lo tanto, el CO₂ _se acumularía en la atmósfera. Una vez que la acumulación atmosférica de CO₂ _alcanzara un umbral, la temperatura aumentaría lo suficiente como para que las capas de hielo comenzaran a derretirse. Esto, a su vez, reduciría el efecto albedo del hielo, lo que a su vez reduciría aún más la capa de hielo y permitiría la salida de la Tierra Bola de Nieve. Al final de la Tierra Bola de Nieve, antes de que se restableciera el equilibrio entre la actividad volcánica y la meteorización química, que para entonces se reanudaba lentamente, el CO₂ _en la atmósfera se había acumulado lo suficiente como para provocar que las temperaturas alcanzaran un pico de hasta 60  °C, lo que sumió a la Tierra en un breve estado de invernadero húmedo.

Aproximadamente en el mismo período geológico de la Tierra Bola de Nieve (se debate si fue la causa o la consecuencia de la Tierra Bola de Nieve), tuvo lugar el Gran Evento de Oxigenación (GEO). El evento conocido como la Explosión Cámbrica le siguió y produjo los inicios de organismos bilaterales numerosos, así como una mayor diversidad y movilidad en la vida multicelular. ^{[ 34 ]}

Algunos biólogos afirman que una Tierra completamente cubierta de nieve no podría haberse dado, ya que la vida fotosintética no habría sobrevivido bajo muchos metros de hielo sin luz solar . Sin embargo, se ha observado que la luz solar penetra metros de hielo en la Antártida . La mayoría de los científicos ahora creen que una Tierra completamente cubierta de nieve es probablemente imposible. No obstante, se considera posible una Tierra con hielo fangoso, con puntos de apertura cerca del ecuador .

Estudios recientes podrían haber vuelto a complicar la idea de una Tierra bola de nieve. En octubre de 2011, un equipo de investigadores franceses anunció que el dióxido de carbono durante la última "Tierra bola de nieve" especulada podría haber sido menor de lo que se afirmó originalmente, lo que plantea un desafío para determinar cómo la Tierra salió de ese estado y si se trató de una Tierra bola de nieve o de una Tierra bola de aguanieve. ^{[ 35 ]}

El Eoceno , que tuvo lugar entre 56,0 y 33,9 millones de años atrás, fue el período de temperaturas más cálidas de la Tierra en 100 millones de años. ^{[ 36 ]} Sin embargo, el período de "superinvernadero" se convirtió finalmente en un período glacial a finales del Eoceno. Se cree que la disminución del CO₂ _causó este cambio, pero es posible que mecanismos de retroalimentación positiva hayan contribuido al enfriamiento.

El mejor registro disponible de una transición de un período glacial a un período cálido en el que existió vida vegetal corresponde al período Pérmico , que tuvo lugar hace unos 300 millones de años. Una transición importante se produjo durante los siguientes 40 millones de años y provocó que la Tierra pasara de ser un planeta húmedo y helado, donde las selvas tropicales cubrían los trópicos, a un lugar cálido, seco y ventoso donde poca vida podía sobrevivir. La profesora Isabel P. Montañez, de la Universidad de California, Davis , quien investigó este período, descubrió que el clima era "altamente inestable" y que estaba "marcado por fluctuaciones en el dióxido de carbono". ^{[ 37 ]}

La transición Eoceno-Oligoceno fue la más reciente y ocurrió hace aproximadamente 34 millones de años. Dio como resultado un rápido enfriamiento global, la glaciación de la Antártida y una serie de eventos de extinción biótica. El evento de recambio de especies más drástico asociado con este período es la Gran Coupure , un período en el que las especies de mamíferos europeos que habitaban en los árboles y se alimentaban de hojas fueron reemplazadas por especies migratorias de Asia. ^{[ 38 ]}

La paleoclimatología es una rama de la ciencia que intenta comprender la historia de las condiciones de invernadero y glaciación a lo largo del tiempo geológico. El estudio de núcleos de hielo , dendrocronología , sedimentos oceánicos y lacustres ( varvas ), palinología ( paleobotánica ), análisis de isótopos (como datación radiométrica y análisis de isótopos estables) y otros indicadores climáticos permite a los científicos crear modelos de los balances energéticos pasados ​​de la Tierra y el clima resultante. Un estudio ha demostrado que los niveles de dióxido de carbono atmosférico durante la era Pérmica oscilaron entre 250 partes por millón , que es cercano a los niveles actuales, hasta 2000 partes por millón. ^{[ 37 ]} Los estudios sobre sedimentos lacustres sugieren que el Eoceno "invernadero" o "superinvernadero" estaba en un "estado permanente de El Niño " después de que el calentamiento de 10 °C de las temperaturas superficiales del océano profundo y de latitudes altas detuviera la Oscilación del Sur de El Niño del Océano Pacífico . ^{[ 39 ]} Se propuso una teoría para el Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno sobre la disminución repentina de la composición isotópica del carbono del reservorio global de carbono inorgánico en 2,5 partes por millón. ^{[ 40 ]} Una hipótesis planteada para esta caída de isótopos fue el aumento de los hidratos de metano , cuyo desencadenante sigue siendo un misterio. El aumento del metano atmosférico , que resulta ser un gas de efecto invernadero potente pero de corta duración, aumentó las temperaturas globales en 6 °C con la ayuda del dióxido de carbono, menos potente.