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En los últimos años, países, empresas e instituciones de todo el mundo han fijado objetivos de emisiones "netas" como parte de los esfuerzos para hacer frente al cambio climático.

La necesidad de llegar a cero emisiones de dióxido de carbono (CO2) para frenar el aumento de la temperatura media mundial se debe al largo tiempo que el CO2 permanece en la atmósfera y al tiempo de reacción lento del océano.

Pero, ¿qué pasa con el resultado "final"? La lógica es que las emisiones residuales de CO2 -y de otros gases de efecto invernadero cuya eliminación es difícil o muy costosa- pueden equilibrarse retirando el CO2 directamente de la atmósfera y almacenándolo de forma duradera.

Esto puede conseguirse potenciando los "sumideros" naturales de carbono que eliminan el CO2 de la atmósfera, por ejemplo, plantando árboles o restaurando las turberas y los manglares. Otras formas de eliminar el CO2 de la atmósfera son la captura de CO2 en plantas bioenergéticas o los métodos de ingeniería que capturan el CO2 directamente de la atmósfera y lo almacenan bajo tierra o en productos.

La hipótesis que se suele hacer al equilibrar una emisión de CO2 con una eliminación de CO2 es que "una tonelada de entrada es igual a una tonelada de salida", es decir, que el comportamiento del sistema climático en respuesta a las emisiones y las eliminaciones es "simétrico".

Pero esta suposición no se ha comprobado y, aunque probablemente sea razonable en el caso de pequeñas emisiones y absorciones, parece poco probable que se cumpla en el caso de grandes emisiones y absorciones debido a la naturaleza no lineal del sistema terrestre.

En un nuevo artículo, publicado en Nature Climate Change, demostramos que la respuesta del clima a las emisiones y absorciones es realmente "asimétrica", es decir, que la respuesta del ciclo del carbono y del clima a las emisiones de CO2 no es igual y opuesta a las absorciones de CO2 de la misma magnitud.

Emisiones y absorciones

Hemos optado por probar nuestra hipótesis utilizando un modelo climático global de complejidad intermedia, con una representación simplificada de algunos componentes del sistema climático y ejecutado a una resolución espacial más amplia que los modelos de complejidad total.

La ventaja de esta clase de modelos es que son más rápidos de ejecutar y, por tanto, nos permiten realizar más simulaciones y más largas. La ventaja adicional en este caso es que el modelo no representa la variabilidad atmosférica debida a fenómenos como El Niño y La Niña. Esto hace más fácil detectar la " señal " de la respuesta de la Tierra al cambio de CO2.

En el modelo se ha forzado un "pulso" instantáneo de emisiones y absorciones de CO2 que oscila entre 100.000 y 500.000 millones de toneladas (gigatoneladas o GtC) de carbono, lo que equivale a entre 10 y 50 veces las actuales emisiones mundiales de CO2.

La aplicación de emisiones y absorciones instantáneas es una forma "idealizada" de llevar a cabo el experimento, pero es una práctica habitual en la ciencia del clima, ya que se ha demostrado que la respuesta del clima y del ciclo del carbono es independiente de la tasa de emisión o absorción. Utilizamos 100GtC como el menor tamaño de pulso porque es el mínimo forzamiento que puede aplicarse para que una señal de temperatura sea detectable. Este es el caso incluso de un modelo como el utilizado en este estudio que excluye la variabilidad atmosférica, ya que sigue habiendo variabilidad en el sistema acoplado océano-hielo marino-atmósfera.

A partir de estas simulaciones del modelo descubrimos que el cambio en la concentración de CO2 en la atmósfera es asimétrico.

Puede verse en el gráfico siguiente, que muestra un ejemplo del cambio simulado en las concentraciones atmosféricas de CO2 tras la emisión (línea gris sólida) o la eliminación (línea gris discontinua) de 200GtC. La línea azul representa la diferencia entre ambas, que es ligeramente positiva, lo que indica que el aumento de la concentración atmosférica de CO2 tras una emisión es mayor que el descenso tras una eliminación de la misma magnitud.

Cambio en la concentración atmosférica de CO2 tras una emisión de CO2 (línea gris sólida) y una eliminación (línea gris discontinua) de 200 GtC aplicada a partir de un estado climático en equilibrio con el doble de la concentración atmosférica preindustrial de CO2. El aumento de la concentración atmosférica de CO2 tras una emisión es mayor que el descenso tras una eliminación de la misma magnitud (la línea azul muestra la diferencia). Crédito: Kirsten Zickfeld.

Esta diferencia aumenta cuanto más CO2 se emite o se elimina: desde el 3% para una emisión y eliminación de 100GtC hasta el 18% para una emisión y eliminación de 500GtC (en relación con el cambio del CO2 atmosférico 100 años después de la emisión o eliminación).

Esta conclusión implica que se requiere una eliminación adicional de CO2 para compensar una emisión si se quiere que la concentración atmosférica de CO2 permanezca inalterada. O, en otras palabras, que equilibrar una emisión de CO2 con una eliminación de CO2 del mismo tamaño daría lugar a un mayor nivel de CO2 atmosférico que evitar la emisión de CO2 en primer lugar.

La asimetría en la concentración atmosférica de CO2 es el resultado de las diferencias en la forma en que los sumideros de carbono terrestres y oceánicos responden a las emisiones y a las eliminaciones. Algunos procesos clave que determinan la reacción de estos sumideros no son lineales.

Por ejemplo, el efecto de fertilización del CO2, por el que las plantas producen más biomasa bajo una elevada concentración de CO2 atmosférico, se satura a niveles más altos de CO2 atmosférico. También la capacidad del océano para amortiguar el exceso de CO2 -que es clave para la capacidad del océano de absorber más CO2 de la atmósfera- disminuye a niveles más altos de CO2 atmosférico. Debido a estos y otros procesos no lineales, una emisión da lugar a un cambio en la concentración de CO2 en la atmósfera diferente al de una eliminación del mismo tamaño.

Temperatura

¿Y la temperatura de la superficie? Resulta que la reacción de la temperatura a las emisiones y a las extracciones tiene una menor asimetría. Por ejemplo, hay un dos por ciento de diferencia en las temperaturas 100 años después de una emisión o eliminación de 200GtC, en comparación con el siete por ciento en el caso del CO2 atmosférico.

La razón es que las no linealidades del ciclo del carbono se ven compensadas por otro proceso no lineal, es decir, el del efecto de los cambios en el CO2 atmosférico sobre el equilibrio de la radiación de la Tierra. Como consecuencia, un aumento del CO2 atmosférico tiene un efecto radiativo menor que una disminución del CO2 de la misma magnitud.   

La figura siguiente muestra la respuesta de la temperatura global del aire en superficie a 200GtC de emisiones (línea gris sólida) y de eliminaciones (línea gris discontinua). La diferencia entre ambas (mostrada por la línea azul) revela que la diferencia de temperatura es de signo contrario a la diferencia de concentración de CO2 en la atmósfera: el aumento de temperatura tras una emisión es ligeramente menor que el descenso tras una eliminación de la misma magnitud.

El cambio en la temperatura media global del aire en superficie tras una emisión de CO2 (línea gris sólida) y una eliminación (línea gris discontinua) de 200GtC aplicada a un estado de equilibrio climático con el doble de la concentración atmosférica preindustrial de CO2. El calentamiento tras una emisión es ligeramente menor (línea azul) que el enfriamiento tras una eliminación de la misma magnitud. Crédito: Kirsten Zickfeld.

Sin embargo, hay razones para suponer que el signo de la asimetría de la temperatura dependerá del modelo climático utilizado para realizar las simulaciones. La respuesta de la temperatura a una emisión y a una eliminación de CO2 viene determinada por el efecto radiativo del CO2 mencionado anteriormente, pero también por la absorción de calor por parte del océano y las retroalimentaciones climáticas. El grado en que la combinación de estos procesos compensa la no linealidad de la respuesta del ciclo del carbono varía probablemente de un modelo a otro.

En el mundo real

Entonces, ¿tiene la asimetría encontrada en este estudio implicaciones sobre cómo se equilibran las emisiones y absorciones de CO2 en el mundo real?

Aunque las emisiones y absorciones totales de hasta 500GtC utilizadas en este estudio son coherentes con los escenarios de la literatura, las emisiones y absorciones en estos escenarios se producen simultáneamente y no en "mundos" separados de emisiones y absorciones de CO2.

Como resultado de la aplicación de las emisiones y las absorciones por separado, la concentración atmosférica de CO2 diverge más fuertemente en nuestras simulaciones del modelo de lo que lo haría en el mundo real, amplificando la asimetría.

Sin embargo, las respuestas del ciclo del carbono y del clima difieren mucho entre modelos, y el análisis preliminar de las simulaciones con un conjunto de modelos complejos del sistema terrestre indica que la magnitud de la asimetría del ciclo del carbono y de la temperatura podría ser sustancialmente mayor que la encontrada en este estudio.

En conclusión, los resultados de este estudio sugieren que equilibrar una emisión de CO2 con una eliminación de CO2 podría conducir a un resultado climático diferente al de evitar la emisión de CO2, pero la magnitud de este efecto sigue siendo incierta y requiere una mayor cuantificación

Fuente: Zickfeld, K. et al. (2021) Asymmetry in the climate–carbon cycle response to positive and negative CO2 emissions, Nature Climate Change, doi:10.1038/s41558-021-01061-2

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