Clima

En este episodio, los personajes se encuentran en el lugar de una protesta climática, en la que participa uno de los cuatro. Sus opiniones difieren sobre el origen del calentamiento global, que uno de ellos cree que también podría ser natural. Acuden a una física presente en la manifestación, a la que interrogan sobre el tema. Ella les invita a realizar experimentos en su laboratorio para demostrar tanto el concepto de radiación infrarroja como la influencia del CO2 en ella. Más tarde, los personajes escenifican estos experimentos en una representación teatral en el corazón de una nueva manifestación sobre el clima. Proponen una representación del balance de radiación del sistema terrestre que permite plantear el problema de la relación entre la adición de CO2, la radiación infrarroja y las consecuencias para el incremento de la temperatura atmosférica.

Todos los experimentos representados en el cómic están disponibles en forma de fotos y vídeos (en los documentos editables asociados a la secuencia propuesta en la última sección). Las opciones que componen el enfoque propuesto se basan en los puntos de vista de los alumnos y en las dificultades identificadas en la investigación didáctica sobre el tema. Al comenzar con experimentos sobre los fenómenos fundamentales que subyacen al calentamiento global, este enfoque pretende ayudar a crear confianza en el conocimiento sobre el clima, por delante de las consideraciones más técnicas sobre los modelos climáticos y las simulaciones. En efecto, a pesar del consenso científico sobre el origen enteramente humano del calentamiento global, éste sigue siendo cuestionado por una parte considerable de la población.

Los orígenes del cambio climático y la opinión pública

Según una encuesta internacional EDF-IPSOS realizada en 2023 (24.000 personas en 30 países), el 8% de los encuestados sigue negando la existencia misma del cambio climático, y el 27% considera que es principalmente de origen natural. La proporción es aún mayor (32%) para el grupo de edad de 16 a 24 años en 2022. Además de este 32%, el 10% de los jóvenes niega la realidad del calentamiento global. Este total del 42% de escepticismo climático entre los jóvenes de 16 a 24 años es especialmente alarmante para la comunidad docente.

Dificultades para comprender el efecto invernadero

Se han detectado varios problemas a la hora de interpretar los diagramas del efecto invernadero, algunos de los cuales se deben a problemas inherentes a la propia elección de las representaciones. Entre ellos, la idea de que los gases de efecto invernadero (GEI) forman una especie de "capa" o "tapa" en la atmósfera, formando una "barrera" contra la que "rebota" parte del calor o la radiación emitida por la Tierra, "atrapando" así la "energía del Sol". Esto se refuerza a veces con la representación de la radiación infrarroja "volviendo a la Tierra" a la manera de un reflejo óptico (que no tiene nada que ver con el fenómeno de emisión de radiación por la atmósfera). Esta noción lleva implícita una idea de cronología, según la cual la radiación sale del suelo, la atmósfera le impide salir y luego vuelve a la superficie terrestre, contribuyendo a calentarla "un poco más". Este razonamiento de tipo cronológico es incompatible con los diagramas más frecuentemente asociados a los balances instantáneos, es decir, en los que los valores de las potencias de radiación se consideran al mismo tiempo, y en los que la temperatura es constante. Otro aspecto problemático, señalado tanto por los alumnos como en los recursos de divulgación, es la falta de distinción entre los distintos tipos de radiación (solar, infrarroja terrestre, infrarroja atmosférica). Esto contribuye a la idea de que la radiación procedente del suelo puede "rebotar" o quedar "atrapada".

La confusión entre los distintos tipos de radiación puede estar relacionada con la dificultad de introducir el concepto de radiación infrarroja, punto sobre el que se hacen propuestas más adelante.

¿Pueden los gases interactuar realmente con la radiación infrarroja?

Para demostrar la capacidad de emisión y absorción de la radiación infrarroja, el método más habitual consiste en utilizar imágenes de cámaras de infrarrojos con objetos más o menos calientes y más o menos transparentes. Sin embargo, estas observaciones sólo se realizan con objetos sólidos. Desde un punto de vista físico, los gases no comparten todas las propiedades de los sólidos, así que ¿por qué deberían tener las mismas propiedades cuando se trata de interacciones con la radiación? ¿Hasta qué punto es aceptable para los estudiantes la extrapolación de los sólidos a los gases?

En el marco de este proyecto se realizó una encuesta sobre el tema. Tras una introducción a la radiación infrarroja emitida o absorbida por los sólidos, se pidió a los alumnos su opinión a priori sobre las capacidades de los gases. Los resultados fueron prácticamente los mismos para la emisión y la absorción: más de 3/4 de los alumnos de secundaria (N=208) y 2/3 de los de bachillerato (N=280) respondieron o bien que los gases no pueden emitir ni absorber radiaciones, o bien que no lo sabían. Ante esta constatación, se plantea la cuestión de cómo introducir estos fenómenos sin desvelarlos, dado el carácter crucial de este punto para establecer el vínculo entre las emisiones de CO2 y el calentamiento climático.

Los primeros experimentos históricos que ponen de relieve la interacción entre el CO2 y la radiación infrarroja se remontan a mediados del siglo XIX, realizados de forma independiente por Eunice Newton Foot en Estados Unidos y John Tyndall en Inglaterra. La primera estimación cuantitativa de la posible influencia del CO2 en la temperatura global fue propuesta por Svante Arrhenius, químico sueco, en su artículo "On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground" (Arrhenius, 1896). Se basa en la determinación del espectro de absorción de la atmósfera a partir de observaciones de la Luna en diferentes longitudes de onda, suponiendo que la Luna tiene un espectro de emisión próximo al de la superficie terrestre. 

Los primeros modelos climáticos surgieron en los años 50 y desde entonces se han ido perfeccionando, teniendo en cuenta cada vez más variables y las relaciones entre ellas. La relación entre la potencia de la radiación infrarroja y el nivel de gases de efecto invernadero se describe localmente en cada punto de la atmósfera mediante las llamadas ecuaciones de "transferencia radiativa", que tienen en cuenta la temperatura a una altitud determinada. Estas ecuaciones, junto con las de los demás fenómenos implicados, se incorporan a los modelos climáticos. Gracias a estos modelos, es posible simular el clima del pasado sin tener en cuenta determinados factores, con el fin de determinar su influencia en relación con otros. En concreto, cuando se simula el cambio climático desde 1850 sin tener en cuenta el aumento de los niveles de GEI y aerosoles debido a las actividades humanas, se obtiene una temperatura media globalmente estable (véase la curva azul de la figura siguiente). Cuando se tienen en cuenta los factores humanos, las simulaciones obtenidas se aproximan mucho al cambio de temperatura media observado desde 1850 (curva naranja). Estas simulaciones muestran que todo el calentamiento actual es atribuible a la actividad humana.

El objetivo del episodio es presentar el problema del origen del calentamiento global (capítulo 1) y ofrecer algunas respuestas (capítulos 2 y 3). El enfoque didáctico elegido, tanto para el cómic como para los recursos, se basa en tres opciones principales, diferentes de las más utilizadas en los recursos didácticos sobre el tema.

Equilibrio de la radiación entre el Sistema Tierra y el Espacio

El análisis del balance de radiación de la Tierra se ha limitado al del sistema terrestre en su conjunto, es decir, en la interfaz con el Espacio.    

Se trata de una opción diferente a la de muchas representaciones existentes del efecto invernadero, que también esquematizan las interacciones entre la atmósfera y la superficie terrestre. Con tales diagramas, se puede demostrar que no es posible extraer ninguna conclusión cualitativa sobre la influencia de la adición de gases de efecto invernadero en la temperatura (véase el Apéndice A). Además de ser más fácilmente accesible, el balance de radiación en la interfase con el espacio permite no descuidar los numerosos fenómenos de la física de la atmósfera que implican transferencias de energía distintas de las que se producen por radiación.

Utilización del concepto de "potencia radiante"

Centrarse en el equilibrio de las radiaciones que entran y salen del Espacio permite un razonamiento en el que el concepto de energía no es necesario. En efecto, la noción de "potencia de radiación" basta para llegar a una conclusión, y puede vincularse más fácilmente a una referencia empírica, generalizando la noción de luminosidad. Esta elección didáctica evita añadir a la complejidad del contenido las dificultades conocidas de comprensión de la energía. No obstante, el enfoque propuesto sigue siendo compatible con una reformulación o un estudio más profundo en términos de energía, en los contextos en que resulte apropiado.

Identificación de las interacciones entre la radiación infrarroja y el CO₂

El núcleo del enfoque didáctico propuesto, expuesto en los capítulos 2 y 3, se basa en experimentos para demostrar la influencia del CO2 en la radiación infrarroja, en función de su temperatura. Estos experimentos se han realizado con una cámara infrarroja de laboratorio cuyo rango de sensibilidad (3-5 micrómetros) cubre una parte del espectro de absorción/emisión del CO2 (lo que no ocurre con las cámaras más corrientes de las que a veces disponen los centros escolares). Estas observaciones constituyen una referencia empírica accesible a los alumnos con escaso o nulo conocimiento de los conceptos de longitud de onda e intensidad espectral, basada en la interpretación cualitativa de las imágenes de la cámara de infrarrojos, similares a las obtenidas para los sólidos. El experimento se propone utilizando globos de aire y CO2 a una temperatura inferior a la del tejido de fondo, con el fin de crear una situación análoga a la del sistema terrestre, donde el CO2 de la atmósfera es, por término medio, mucho más frío que el de la superficie de la Tierra. 

Una interpretación física más precisa de las observaciones infrarrojas de los globos está disponible en el documento descargable que figura a continuación (véase el Apéndice B).

El paso clave del enfoque didáctico consiste en utilizar estas observaciones para extrapolar la influencia de la adición de CO2 a la atmósfera sobre el balance de radiación de la Tierra. Esta extrapolación requiere considerar el efecto potencial de otras características de la atmósfera, relativas a la situación de los globos (por ejemplo, el hecho de que la atmósfera ya contenga cierta cantidad de CO2, así como vapor de agua, o que su temperatura disminuye con la altitud). Extrapolar la observación sobre el caso del globo de CO2 frío en relación con el caso de la atmósfera implica, por tanto, suponer que estas diferencias no modifican cualitativamente la dirección de variación de la potencia infrarroja saliente, aunque todas estas características influyen en el valor cuantitativo de esta disminución. Aunque no sea necesariamente posible discutir todas estas diferencias con los alumnos, todas ellas pueden justificarse desde un punto de vista físico, algunas de ellas de forma bastante accesible, como se presenta en el Apéndice C.

Balance de radiación y evolución de la temperatura

Partiendo de una comprensión básica de la relación entre el balance de radiación y el cambio de temperatura (ilustrada a continuación con un ejemplo sencillo), la conclusión anterior permite predecir cómo cambiará la temperatura del sistema terrestre cuando se añade CO2.

Apéndice A, B y C

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Introducción a la radiación infrarroja

Dado que este concepto es fundamental en el planteamiento propuesto, ¿cómo se puede presentar a los alumnos que no están familiarizados con él? Aunque en general están familiarizados con las imágenes de las cámaras de infrarrojos, suelen pensar que ésta les permite "ver la temperatura". La observación siguiente pone en duda esta interpretación: si así fuera, el cristal y la cubierta de plástico deberían aparecer de color azul.

A veces, los alumnos suponen que el vidrio y la cubierta de plástico han sido calentados por el cuerpo más caliente que hay cerca. Los vídeos de movimientos muestran que no es así, como los disponibles en las diapositivas de la secuencia didáctica propuesta a continuación. 

Estas observaciones demuestran que lo que detecta la cámara tiene dos puntos en común con la luz: la capacidad de reflejarse (1) y de atravesar determinados materiales (2). Estos puntos en común nos permiten introducir un nuevo concepto: "radiación" como generalización de "luz". La luz puede considerarse entonces como un caso de radiación "visible" (en el sentido de perceptible por nuestros ojos), mientras que el tipo de radiación emitida por un objeto sólo es perceptible con este tipo de cámara. Al igual que la luz puede ser más o menos potente, las radiaciones invisibles también pueden serlo. La noción de "luminosidad" de la luz (o "potencia luminosa") puede generalizarse como "potencia de radiación". El caso de un metal calentado hasta la incandescencia ilustra el vínculo entre radiación visible e invisible:

A partir de cierta temperatura, el metal emite tanto radiación visible (1) como invisible (2), que es detectada por la cámara. Cuanto más se aleja de la llama, más rojo oscuro es la luz emitida (3).  Después de esta zona roja, sólo queda la radiación invisible (2), que se denomina radiación "infrarroja". Por lo tanto, la cámara utilizada para detectar esta radiación puede denominarse "cámara de infrarrojos". Mide la potencia de la radiación infrarroja en cada punto de la imagen, que se representa mediante un tono de color. La potencia de la radiación infrarroja emitida por un objeto aumenta con su temperatura. 

Prerrequisitos

El enfoque didáctico propuesto pretende ser accesible con un mínimo de prerrequisitos de comprensión de la física. Requiere el conocimiento de los siguientes fenómenos: 

- Comprender el mecanismo de la visión (la luz que va de un objeto al ojo), que conocemos, no es evidente para los alumnos jóvenes (de Hosson y Kaminski, 2006). La comprensión de este fenómeno es necesaria para interpretar de forma similar las imágenes obtenidas con la cámara de infrarrojos.

- Comprender el sistema terrestre y el espacio exterior: el hecho de que la atmósfera es una mezcla de gases, incluido el CO2, por término medio más fría que la superficie, y que el espacio exterior está vacío de materia.

- Identificar el CO2 como un gas emitido a la atmósfera por la actividad humana, principalmente a través de la combustión de combustibles fósiles.

- Ser capaz de establecer el vínculo cualitativo entre una escala de colores, los valores de una magnitud física (potencia de radiación) y la anchura de una flecha que represente dicha magnitud.
   

Para empezar

La secuencia didáctica puede comenzar con la lectura individual de todo el episodio antes de la primera sesión, o sólo del capítulo 1 en clase como lectura en grupo.

Capítulo 1 y la definición del problema

El resto del trabajo girará en torno a la siguiente pregunta, planteada en el Capítulo 1: ¿Cómo podemos explicar el papel del CO2 en el calentamiento global? Esta pregunta puede dividirse en dos cuestiones intermedias: 

- ¿Cuáles son las posibles causas del calentamiento de un objeto físico cualquiera?

- ¿Cómo podría influir el CO2 en estas causas?

La primera pregunta introduce el concepto de radiación infrarroja y el balance de radiación, mientras que la segunda permite formular hipótesis sobre el efecto de la adición de CO2 en este balance, lo que conduce a los experimentos sobre el globo de CO2 observado en infrarrojo.

Introducción a la radiación infrarroja y capítulo 2

Tras una construcción progresiva del concepto como la presentada anteriormente (ver sección de recursos complementarios), la lectura en clase del capítulo 2 puede proporcionar a los alumnos otras situaciones experimentales para estudiar, con vasos de agua fría y caliente (todos los experimentos representados en el cómic están disponibles en forma de fotos y vídeos en los documentos editables asociados a la secuencia propuesta). Esta situación es una oportunidad para que los alumnos trabajen la representación de la potencia de radiación a través de flechas. 

Al final del capítulo 2, se presenta el experimento del globo. Se puede pedir a los alumnos que lo interpreten como un ejercicio. A continuación, al comienzo del capítulo 3 puede verse como una corrección o repetición de este ejercicio, antes de deducir las consecuencias para la temperatura de la Tierra.

Representación del balance de radiación del Sistema Terrestre

Para responder a la pregunta planteada en el capítulo 3, debemos examinar el concepto de balance de radiación. Para ello, podemos volver a la pregunta inicial, aplicada a la Tierra: ¿Cuáles son las posibles causas del calentamiento global? Sabemos que la temperatura del suelo depende de la exposición a la radiación solar, y también que existe un vínculo entre la temperatura de un objeto y la potencia de la radiación infrarroja que emite. Podemos preguntarnos cuál es el vínculo entre estos diferentes tipos de radiación y la temperatura. Esto nos lleva a establecer un balance de todas las radiaciones emitidas y recibidas por un sistema, denominado "balance de radiación", con el fin de comparar su potencia. La analogía y el experimento presentados anteriormente (apartado de aproximación conceptual) nos ayudan a comprender el vínculo existente entre la naturaleza del balance (equilibrado o desequilibrado) y la evolución de la temperatura del sistema.

 Capítulo 3 y pistas progresivas para responder a la pregunta final

Todos los elementos introducidos hasta ahora nos ayudan a comprender la influencia del CO2 en la temperatura de la Tierra. Las últimas páginas del capítulo 3 (p.81-90) proporcionan pistas progresivas sobre las consecuencias de la adición de CO2 a la atmósfera. Una forma de trabajar esta última parte es hacer una lectura en grupo de este último capítulo (episodio proyectado en la pizarra), dejando que los alumnos encuentren la respuesta, y añadiendo progresivamente información adicional para ayudarles si no son capaces de hacerlo. Para ello, los alumnos deben tener a mano las conclusiones intermedias de la secuencia.  

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