Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (30 page)

Los animales aprovechan este aporte libre de oxígeno respirándolo y dejando que se combine con sustancias tales como el hidrógeno y el carbono en una especie de proceso de combustión muy lenta que proporciona la energía utilizada para vivir. Así, la evolución de las formas de vida animal, respirando oxígeno y empleando energía química en abundancia (si se compara con las plantas), empezó a suceder después de la difusión del oxígeno en la atmósfera.

La respiración, que es como se llama el proceso de combustión mediante oxígeno, aportó una ventaja tan enorme que, después de 1.500 millones de años en los que la vida en la Tierra se limitaba a organismos unicelulares, toda una variedad de seres animales pluricelulares irrumpió en el escenario de la evolución con gran rapidez, en un intervalo de unos cien millones de años, hace algo menos de dos mil millones de años. La razón de este éxito es que la energía química de que se dispone gracias a la respiración (combustión lenta) se obtiene con rapidez y de una manera sencilla, aunque hay que tener en cuenta que se dispone de ella porque la fotosíntesis realizada en las plantas ha usado un procedimiento más lento y más complicado para tomar energía de la luz solar y utilizarla en la producción de oxígeno libre, entre otras cosas. Actualmente incluso las plantas usan también la respiración, además de la fotosíntesis, en sus procesos químicos, sin embargo, en un claro ejemplo del modo en que la evolución tiene que seguir modelando las formas existentes, en vez de volver al principio y comenzar de nuevo, continúan expulsando el oxígeno liberado en la fotosíntesis, y luego respiran oxígeno del aire durante la respiración.

El hecho de que formas de vida emergieran de los océanos y se trasladaran a tierra se debió también a la presencia de oxígeno en la atmósfera, aunque sucedió por otra razón bastante distinta. Antes de que hubiera oxígeno en el aire, toda la energía de la luz solar podía alcanzar la superficie de la Tierra. Gran parte de esta energía se encuentra en forma de radiación ultravioleta, y esta radiación es perjudicial para la vida; concretamente, los fotones de la luz ultravioleta tienen la cantidad de energía necesaria para romper algunas de las cadenas químicas que forman las moléculas de ADN (siendo ésta la razón por la que los rayos ultravioletas causan cáncer de piel). Pero los rayos ultravioletas también reaccionan con el oxígeno, en una serie de reacciones que producen una forma de oxígeno dotada de tres átomos del mismo en cada molécula, en vez de dos.
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En esencia, lo que hacen los rayos ultravioletas es romper cada molécula de oxígeno, produciendo dos átomos libres que pueden integrarse cada uno de ellos en otra molécula de oxígeno. La forma triatómica del oxígeno se llama ozono, el cual, como resultado de estas reacciones, ha formado una capa en la atmósfera, situada aproximadamente entre los quince y los cincuenta kilómetros sobre el nivel del mar, y que se llama estratosfera (pero que no nos engañe este amplio intervalo de altitudes; el aire es tan poco denso en la estratosfera que si todo el ozono que contiene se llevara al nivel del mar, la presión de la atmósfera lo aplastaría reduciéndolo a una capa de sólo tres milímetros de espesor). También el propio ozono absorbe a su vez la radiación ultravioleta, por lo que la concentración de ozono de la estratosfera permanece equilibrada, ya que el ozono por una parte se crea y por otra se destruye en reacciones que utilizan la luz solar (se parece bastante a una bañera en la que los grifos están abiertos, pero el agua se va al mismo tiempo por el sumidero, de tal modo que el agua de la bañera permanece constante, aunque las moléculas de agua que contiene la bañera no sean nunca las mismas).

La vida emergió, trasladándose a tierra firme bajo la capa protectora de ozono, y son los propios seres vivos quienes mantienen esta capa protectora de ozono, ya que la fotosíntesis continúa aportando oxígeno al aire, mientras la respiración de los animales (y las plantas), así como otros procesos de oxidación (tales como los incendios forestales), retiran oxígeno del aire. Al final del siglo
XX
existe, con razón, una considerable preocupación por el daño que los gases producidos en los procesos industriales del ser humano, y que nunca habían existido anteriormente (los CFC), están causando en la capa de ozono. Estos gases son extremadamente inertes, por lo que no se destruyen en ningún proceso químico o biológico que tenga lugar cerca del suelo. Finalmente, entran en la estratosfera, donde sus moléculas se rompen por la acción de los rayos ultravioletas (otro ejemplo de lo poderosos y dañinos que pueden ser los fotones de la radiación ultravioleta) y liberan cloro, que destruye el ozono. El famoso agujero de la capa de ozono situado sobre la Antártida y su contrapartida sobre el Ártico se han producido directamente como resultado de la presencia de los CFC en la atmósfera. Aunque se ha conseguido hacer más lenta la emisión de estos dañinos compuestos, hay tal cantidad de estas materias potencialmente perjudiciales que ya se encuentran en el aire o abriéndose camino hacia la capa de ozono, que pasarán décadas antes de que la capa de ozono se recupere, aunque no se emitieran ya más gases CFC.

Después de explicarlo, es realmente obvio el modo en que los organismos vivos interaccionan con la atmósfera en un proceso de retroalimentación que mantiene aproximadamente constante la mezcla de gases que respiramos hoy en día. Algo más sorprendente, sin embargo, es el hecho de que esta clase de proceso de retroalimentación también relaciona la vida con la actividad tectónica que se produce en nuestro planeta. El dióxido de carbono del aire se disuelve en el agua de lluvia, formando anhídrido carbónico, que desgasta las rocas que contienen compuestos de calcio, silicio y oxígeno (silicatos de calcio). Esta actividad química libera iones de calcio e hidrocarbonatos (un ion de hidrocarbonato es, lógicamente, un ion de carbonato que lleva unido un átomo de hidrógeno), que finalmente van a parar al mar, donde son utilizados por organismos, tales como el plancton, para formar sus conchas cretáceas, hechas principalmente de carbonato cálcico. Cuando estas criaturas mueren, sus conchas caen al fondo del mar, constituyendo estratos de sedimentos ricos en carbonatos. En los primeros tiempos de la Tierra, este proceso tuvo que ser responsable de que la atmósfera de dióxido de carbono se volviera menos densa. Sin embargo, dado que la actividad geológica empuja la fina corteza del fondo marino hasta situarla bajo los bordes de la corteza continental, que es más espesa, los carbonatos son introducidos bajo los continentes y más profundamente en el interior de la Tierra, cuando se calientan y se funden. A presiones y temperaturas elevadas, cuando se forman nuevas rocas de silicatos, se libera dióxido de carbono y el gas se abre camino hacia la superficie y sale a la atmósfera durante las erupciones volcánicas.

Estos procesos geológicos necesitan mucho tiempo para desarrollar un ciclo completo del carbono. Sin embargo, una vez que el sistema está funcionando, la cantidad de dióxido de carbono que los volcanes liberan a la atmósfera cada milenio es aproximadamente constante, y a largo plazo se cuadra el balance con la cantidad de dióxido de carbono que se pierde por la combinación de los procesos biológicos y geológicos. Pero ¿qué sucede si la temperatura del planeta cambia? Si desciende la temperatura, se evapora menos agua de los océanos, por lo que hay menos lluvia, menos erosión de las rocas, y se toma menos dióxido de carbono del aire. Como la acción de los volcanes continúa siendo constante, la concentración de dióxido de carbono aumenta, incrementando el efecto invernadero y calentando así la Tierra, con lo que aumentan las lluvias una vez más, hasta que se restablece el equilibrio. De manera similar, si el planeta se calienta por alguna razón (por ejemplo, un aumento de producción de calor en el Sol), habrá más lluvias y más erosión, con lo que se retira más dióxido de carbono del aire y se reduce así el efecto invernadero.

Esto es un ejemplo de retroalimentación negativa, es decir, una influencia estabilizadora en el medio ambiente de la Tierra. El aumento de temperatura del Sol reduce la fuerza del efecto invernadero producido por el dióxido de carbono. También resulta que los seres vivos desempeñan un papel en este proceso geológico de estabilización. El modo en que ha evolucionado el clima de nuestro planeta y el modo en que ha evolucionado la vida están tan íntimamente ligados que este proceso se denomina a veces «coevolución» de la vida y el clima.

En un momento de osadía, James Lovelock sugirió que la mejor forma de entender estos procesos es considerar todo el planeta, incluyendo las actividades biológica y geológica, como un único organismo vivo, que él llamó Gaia. Ésta es aún una teoría controvertida, aunque ha estado presente desde la década de los setenta. Pero, incluso sin aceptar la idea de que la Tierra está literalmente viva, algunos científicos planetarios han opinado que el planteamiento de Lovelock, que tiene en cuenta la contribución biológica en retroalimentaciones geológicas y climáticas de muchas clases, es un método fructífero para llegar a comprender cómo se ajusta el medio ambiente de nuestro planeta mediante un conjunto de controles y equilibrios naturales.

Ahora parece quedar fuera de duda que al menos es aceptable lo que se podría llamar una versión «moderada» de la teoría de Gaia: que la vida no sólo se ve afectada por el entorno físico, sino que también ella afecta al entorno físico, siquiera en escalas de tiempo geológicas, y a menudo (en realidad, habitualmente) de tal manera que se mantienen las condiciones adecuadas para la vida. Los distintos ciclos en los que interviene el dióxido de carbono están entre los aspectos más importantes de esta relación entre los seres vivientes y el entorno físico, por lo que hemos de tener presente que extrayendo combustibles fósiles del suelo y quemándolos, así como talando bosques tropicales que toman dióxido de carbono del aire para la fotosíntesis, estamos alterando el equilibrio natural de un proceso que constituye un factor clave para regular la temperatura de la Tierra.
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No obstante, antes de que analicemos un poco más detalladamente este efecto invernadero humano (o «antropogénico»), debemos echar un rápido vistazo a lo que sucedía con el clima antes de la intervención del ser humano.

Ya hemos comentado cómo se ha visto afectado el clima de la Tierra por los largos y lentos procesos asociados con la deriva continental, cuando se producían épocas de glaciación, al pasar los continentes en su deriva por uno o ambos polos. Pero ahora queremos concentrarnos en analizar el estado en que se encuentra la Tierra actualmente y cómo ha estado durante varios millones de años anteriores al momento presente, durante el tiempo en que nuestra propia especie, el Homo sapiens, ha surgido y entrado en una etapa evolutiva.

La fuerza que hace funcionar toda la maquinaria meteorológica es, por supuesto, el Sol; pero el mayor aporte de energía solar no se recibe en la parte más alta de la atmósfera, sino en su parte inferior. La mayor parte de la energía procedente del Sol pasa libremente a través de la atmósfera y calienta la superficie de la Tierra. A su vez, es la superficie caliente de la Tierra (tierra o mar) la que calienta la parte inferior de la atmósfera. Así, la capa más caliente del aire se encuentra junto al suelo o al nivel del mar y, a medida que se asciende a través de la atmósfera, la temperatura desciende. La temperatura media al nivel del mar es de 15° C, pero desciende tan rápidamente que al llegar a la estratosfera, a aproximadamente quince kilómetros sobre el nivel del mar, se baja a una gélida temperatura de -60° C.

En la estratosfera (la capa de ozono) la temperatura vuelve a subir de nuevo, porque se absorbe energía en forma de rayos ultravioletas procedentes del Sol. Por consiguiente, en la parte más alta de la estratosfera, a unos cincuenta kilómetros sobre el nivel del mar, la temperatura del aire desciende al punto de congelación del agua, 0° C. Por encima de la estratosfera existe otra capa donde se produce enfriamiento. Se conoce como la mesosfera, que se extiende hasta una altitud de ochenta kilómetros. A altitudes aún mayores, los tenues gases que rodean la Tierra se ven afectados por partículas energéticas emitidas por el Sol, así como por rayos cósmicos que llegan desde las profundidades del espacio, y a duras penas se corresponden con lo que consideraríamos como aire. Lo que tiene importancia en cuanto a dirigir la evolución de la situación meteorológica es la troposfera, la capa en la que se decide el tiempo meteorológico y la estratosfera, que actúa como una tapadera de la troposfera.

La estratosfera actúa como una tapadera porque es una capa en la que la temperatura aumenta con la altitud. El viejo adagio «el aire caliente asciende» es verdadero sólo si el aire situado sobre el aire caliente es un aire más frío que el que asciende. Cuando el calor del Sol calienta la superficie de la Tierra, el aire caliente de la superficie se eleva a través de la troposfera, expandiéndose y enfriándose mientras sube. Pero no puede elevarse entrando en la estratosfera, ya que aquí la temperatura es más elevada que en la parte superior de la troposfera.
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Este calentamiento solar alcanza su máximo en los trópicos, donde el Sol a mediodía está casi vertical sobre la superficie terrestre. En latitudes más altas el Sol queda más bajo sobre el horizonte, por lo que el efecto de calentamiento es menor, del mismo modo que, en cualquier latitud, por la mañana temprano o al final de la tarde es también menor que al mediodía. La razón de esto es que, cuando los rayos del Sol chocan con la superficie de la Tierra con un ángulo menor, se extienden por un área más amplia; una ejemplificación de ello es lo que sucede enfocando una linterna hacia un pedazo de cartulina. Si la cartulina se coloca perpendicular al haz de luz de la linterna, la luz forma sobre la superficie de la cartulina una mancha redonda, pequeña pero brillante. Sin embargo, si inclinamos la cartulina de modo que no esté perpendicular al haz, la luz se extiende formando una mancha alargada y más débil. Lo que sucede es que la misma cantidad de luz está cubriendo un área mayor, por lo que todas las zonas de la mancha alargada se iluminan más débilmente, a pesar de que la cantidad total de luz es la misma.

El aire caliente que se eleva en los trópicos es también húmedo, porque contiene vapor de agua evaporado del mar. Cuando el aire asciende y se enfría, esta humedad cae en forma de lluvia, siendo ésta la razón por la cual los trópicos son muy húmedos. El aire que se ha elevado desde la superficie da la vuelta en lo alto de la troposfera y se adentra a ambos lados del ecuador. Cuando ya se ha enfriado, vuelve cayendo hacia el suelo. El aire descendente se calienta de nuevo, porque está siendo aplastado por la presión que ejerce el aire que le sigue por detrás (el mismo efecto se produce en una bomba de bicicleta, porque el aire que está dentro de la bomba se calienta cuando lo comprimimos para empujarlo al interior del neumático). El aire caliente absorbe humedad, por lo que allí donde llega al suelo se forman franjas desérticas, que es lo que sucede a ambos lados del ecuador, por ejemplo, en el desierto del Sáhara. Parte de este aire seco fluye de nuevo hacia el ecuador a la altura de la superficie terrestre, ocasionando los vientos alisios y absorbiendo mientras tanto humedad; otra parte de este aire desarrolla ciclos más conectivos, que en conjunto se llevan aire caliente del ecuador y lo conducen hacia los polos, produciendo los vientos predominantes en latitudes más altas, incluidos los vientos del oeste que llegan del Atlántico y determinan el clima en las islas Británicas.