Sobre tiempo, clima y cambio climático
Marcelo Barreiro, PhD
Instituto de Física Facultad de Ciencias Universidad de la RepúblicaIntroducción
¿Qué significa estudiar el clima? Quizás la mejor explicación haya sido dada por E. M. Lorenz:
The study of climate can assume many forms. Meteorologists have tended to think of the climate, and the changes that is continually undergoes, as special aspects of the weather. Oceanographers are likely to include ocean currents among the significant climate features, and they may seek the roots of climate changes in oceanic behavior. Geologists may attribute prehistoric climatic variations to changes in land forms and ultimately to the drifting of the continents. Within more recent years the concept of a "climate system" has become firmly established. The basis for this view is the realization that the underlying ocean and land surfaces (and the ice, snow, lakes, rivers, and living things that are often found between these surfaces and the atmosphere) are not mere inert boundary conditions to be taken for granted in seeking explanations for the atmosphere's behavior. On the contrary, they posses their own internal dynamics, and for them the atmosphere is one of the boundary conditions. Taken together with the atmosphere they form a larger system that may logically be studied as a single entity.
– Preface, Physics of Climate, Peixoto and Oort, 1992
El clima terrestre varía en muchas escalas de tiempo diferentes, desde variaciones interanuales hasta cambios seculares. Mi interés es entender los mecanismos físicos responsables de estas variaciones con el fin último de poder predecir futuras variaciones climáticas.
Para entender el funcionamiento del clima es necesario comprender las circulaciones oceánica y atmosférica, así como su interacción. La interacción océano-atmósfera da lugar a fenómenos muy interesantes como el fenómeno de El Niño, el cual no existiría en ausencia de uno de los dos medios. Los avances en la última década han permitido que hoy día se emitan predicciones climáticas estacionales basadas en el uso de modelos numéricos que resuelven las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de la atmósfera, el océano y la biósfera terrestre. Estas predicciones se dan en forma estadística y expresan la probabilidad de que la temperatura y/o la precipitación acumulada en un mes (o estación) vaya a estar por encima/debajo de la climatología (promedio sobre un período de tiempo de al menos 50 años). No obstante las predicciones climáticas están recién en su infancia (similar al estado de las predicciones del tiempo en 1960), y una mejor comprensión de los mecanismos físicos involucrados ayudará a mejorar esta situación.
Como menciono más arriba el clima también tiene variaciones en escalas de tiempo de décadas, cientos y miles de años. A lo largo de la historia de la Tierra estas variaciones han reflejado la gran no-linealidad del sistema climático. La existencia de una miríada de procesos de retroalimentación internas al sistema climático hace que una pequeña perturbación (por ejemplo, cambio en la distribución de radiación solar debido a variaciones en la órbita terrestre) pueda amplificarse y generar una respuesta no esperada en el clima. Encima de estas variaciones climáticas naturales existe la respuesta al forzante antropogénico en forma de gases de invernadero emitidos a la atmósfera en los últimos 200 años. ¿Cómo evolucionará el clima en el futuro? Una forma de responder esta pregunta es mirar hacia el pasado. Eso nos permitirá comprender cuáles son los mecanismos más importantes que dieron lugar a las variaciones climáticas en los últimos millones de años. El estudio de paleoclimas ofrece una ventana hacia el pasado que puede ser fundamental para entender el futuro.
Capítulo 1
Sí, la temperatura global terrestre ha aumentado en el
último siglo
El tiempo cambia día a día e incluso más rápido, en cuestión de horas. Eso lo sabemos todos. ¿Quién no ha salido de su casa con el paraguas en la mano y antes de querer saberlo ya se está sacando la campera porque hay un sol que raja las piedras? ¿Quién no ha tenido que suspender actividades por una tormenta repentina? Y el asadito del domingo, ¿lo podremos hacer, o será mejor programar una buena pasta con los amigos? Todas estas situaciones reflejan lo cambiante que es el tiempo y su influencia en nuestra vida cotidiana.
Con esta definición queda claro que si hoy está muy cálido, no es debido un calentamiento global, sino simplemente por la variabilidad interna de la atmósfera que crea condiciones distintas día a día. Asimismo, si el invierno de este ano es mas frio que los anteriores esto es debido a la variabilidad del sistema climático en su conjunto (particularmente atmósfera y océano en estas escalas de tiempo). Ahora, si a lo largo de muchos años observamos que los veranos en los últimos 20 años tienden a ser mas cálidos que durante los 60 años anteriores podemos empezar a sospechar que existe una tendencia climática hacia climas mas cálidos. Aun así, es difícil afirmar que los últimos 20 años mas cálidos no formen parte de un ciclo de variabilidad climática con escalas de tiempo largas. Esta dificultad en determinar variabilidades de tendencias más largas es inherente al sistema climático, el cual está formado por muchos componentes (atmósfera, océano, biósfera, hielos, etc.) que interactúan entre si y varían en todas las escalas temporales. Por ello, para definir que existe un cambio climático es necesario tener una serie larga de observaciones que permitan distinguir entre ciclos y tendencias.
En el mundo hay pocos lugares en los cuales existen series observacionales de temperatura suficientemente largas. Y la mayoría son del hemisferio norte, donde alguna de ellas llega a tener 250 años de largo. Por otro lado, los datos observacionales están propensos a los errores que los observadores cometan en la medición y a errores propios de los instrumentos. Para disminuir los errores en las mediciones se promedia un gran número de series de temperatura sobre todo el globo. De esta forma los errores y el ruido de las series disminuye de tal forma de poder obtener una señal más robusta. Este promediado fue realizado usando todas las series temporales de temperatura del globo, y ha mostrado en forma muy convincente que durante los últimos 100 años la Tierra se ha calentado en promedio alrededor de 0.6C.
Es importante destacar que el calentamiento global es un promedio y no indica el calentamiento de ningún lugar en particular. Es más, el calentamiento terrestre no es homogéneo. El calentamiento es mayor sobre los continentes que sobre los océanos debido a la gran inercia térmica de los 5 km de profundidad de agua que conforman los océanos. Incluso hay ciertas regiones de los océanos que se han enfriado en los últimos 100 años pues los océanos son un sistema dinámico que responde de manera complicada al incremento de radiación.
La temperatura global se usa como medida de cambios climáticos, pero muy importante son los cambios asociados. Los cambios observados en el último siglo incluyen un cambio en las precipitaciones en el cono sur de Sudamérica. No solo llueve más en esta región, sino que también ha cambiado la forma de llover. Se ha detectado que en los últimos 50 años hay una tendencia en la contribución de las precipitaciones por días muy húmedos. Es decir, cuando llueve, llueve más. A su vez, en Uruguay, y en el litoral en particular, se ha observado una tendencia a la disminución de la ocurrencia de noches muy frías, consistente con la idea de que las temperaturas han aumentado. Es importante señalar que los cambios observados en regiones pequeñas son más difíciles de detectar y por lo tanto tienen menor confiabilidad. Cambios globales robustos incluyen un aumento del nivel del mar de 2-3mm/año en los últimos 120 años y un incremento del calor acumulado en los océanos. Asimismo, la mayor parte de los glaciares mundiales han retrocedido en los últimos 30 años. Nótese que no todos los glaciares retroceden y esto es igualmente consistente con la idea de un calentamiento global. El crecimiento de los glaciares necesita de temperaturas frías y de abundante precipitación en forma de nieve. Si la temperatura aumenta y las precipitaciones se mantienen constantes el glaciar disminuye en su tamaño. Sin embargo, si las precipitaciones aumentan con el calentamiento pueden evitar el retroceso del glaciar e inclusive hacerlo crecer. Este último caso es lo que ocurre en Escandinavia, donde los glaciares han crecido. Este ejemplo destaca la importancia de mirar el cambio climático a nivel global y no a nivel regional: si únicamente se consideraran los cambios en los países escandinavos y sin conocer la física del crecimiento de los glaciares podríamos decir que existe un enfriamiento global.
Otros cambios climáticos detectados incluyen el comienzo más temprano de la primavera y cambios en la flora de ciertas regiones. No obstante, nos preguntamos, ¿es este calentamiento inusual? Quizás el clima de hace 500 años también era muy cálido! Para responder estas preguntas hay que remontarse atrás en el tiempo y de eso hablaremos en el siguiente capítulo...
Capítulo 2
Aumento de temperatura de superficie en los últimos 80
años
En este corto capitulo solo nos detendremos en observar más de cerca los cambios en la temperatura de superficie terrestre en los últimos 80 años. Como se puede observar en la figura la mayor parte del planeta se calentó, en particular Asia muestra un calentamiento que en ciertas regiones excede los 2 C. Australia en su mayoría muestra una tendencia entre 0.5 y 1 C en los 8 últimas décadas. Nótese que los continentes de Sudamérica y África muestran grandes zonas de color gris, indicando la falta de datos. Nuestra región muestra un calentamiento entre 0.5 y 1 C. Es bueno resaltar que si bien el calentamiento global medio fue de 0.86 en los últimos 80 años existen zonas donde el calentamiento fue nulo como la región centro-este de EE.UU. o en el sur de la Patagonia donde inclusive hay una tendencia hacia el enfriamiento.
Es interesante comparar la figura de arriba con la de abajo. La figura inferior también muestra la tendencia en la temperatura de superficie para el período 1930-2007 pero fue calculada usando una base de datos anterior disponible en 2008 (la figura superior fue calculada en diciembre de 2012). En general el patrón de calentamiento es similar entre las dos figuras, lo cual es esperable. No obstante, la tendencia global calculada con la base de datos nueva da un mayor calentamiento en los últimos 80 años. Además, a nivel regional hay diferencias notables. Una de las regiones que muestra mayor cambio entre las dos bases de datos es el sudeste de Sudamérica, que incluye Uruguay. Hace unos 4 años la base de datos evidenciaba una tendencia al enfriamiento al sur de Brasil y Paraguay, mientras que el norte de Uruguay no mostraba tendencia y el sur una tendencia cercana a 0.5 C. Esto contrasta con las tendencias que muestra la nueva base de datos, mencionado más arriba. Estas diferencias ponen de manifiesto la importancia de generar bases de datos de calidad, camino que recién ha comenzado a recorrerse en nuestro país.
Capítulo 3
En el capítulo anterior vimos que el clima en los últimos 100 años se ha calentado en promedio unos .6 Celsius. Pero el clima siempre está cambiando, desde que la Tierra nació, hace unos 5000 millones de años.
¿Qué tiene de inusual que la temperatura promedio de la Tierra haya aumentado? Quizás sea un calentamiento cíclico y en unas décadas el clima vuelva a enfriarse. Pero, la pregunta que hay que plantearse es: ¿cuál es la causa de este calentamiento?
Desde el comienzo de la revolución industrial, el hombre ha desarrollado una tecnología que puede cambiar el clima terrestre de muchas maneras, la emisión de dióxido de carbono es la más clara... eso ya se sabe desde hace mucho tiempo. Aquí la palabra clave es "puede" ya que no es lo mismo una eventual posibilidad a la realidad de que el hombre se convierta en agente de cambio climático. Si se comprueba que al menos una parte del cambio climático observado es debido a la acción del hombre eso ya está poniendo a la raza humana en una posición muy delicada ya que no solo nosotros habitamos la Tierra. Una infinidad de organismos habitan el mismo planeta y su hábitat depende directamente del clima. Si cambiamos el clima, entonces el hábitat de muchas especies se verá perturbado y en ciertos casos posiblemente destruido para siempre. Así, nuestra especie tiene la responsabilidad de mantener el hábitat de todos los organismos que habitan la Tierra, y por eso nos hemos convertido en los administradores del planeta. ¡Debemos tomar conciencia de esta gran responsabilidad!
Para responder a las preguntas anteriores la única vía es mirar hacia el pasado. Cuanto más comprendamos la evolución terrestre mas entenderemos las causas de los cambios climáticos que hemos venido observando en los últimos años y podremos discernir si son causados por el hombre o por la variabilidad propia del clima. Para ayudarnos a entender los procesos físicos involucrados en los cambios los científicos que estudian el clima hacen uso de modelos numéricos del clima. Estos modelos climáticos están construidos en base a las ecuaciones matemáticas que describen los procesos atmosféricos, oceánicos, de la biósfera terrestre y oceánica, y de la evolución de los hielos. Debido a la complejidad de las ecuaciones matemáticas que describen los procesos de interacción entre los componentes del sistema climático, los modelos se resuelven numéricamente en grandes clusters de computadoras con más de 100 procesadores. Estos modelos, es bueno tenerlo claro desde el
comienzo, no son la panacea. Aun hoy, luego de décadas estudiando el clima, desconocemos muchos procesos que pueden ser de gran importancia en la evolución climatice. Así, nuestro imperfecto conocimiento de la física, química y biología del sistema climático impiden una descripción completa de la evolución del mismo. No obstante, los modelos matemáticos son instrumentos fundamentales que en los últimos años nos han permitido aprender mucho sobre el funcionamiento de la atmósfera y el océano y que seguirá así en los próximos años [¿qué seguirá así en los próximos años?].
Comencemos con la historia del clima en los últimos 60 millones de años.
Hace ~50 millones de años la Tierra estuvo en lo que se llama el Óptimo Climático, cuando la temperatura oceánica en el polo norte era alrededor de 12 grados Celsius y no existían hielos en los polos. Hasta esa época vivieron esos grandes reptiles que hoy llamamos dinosaurios. Eran tiempos muy cálidos y por eso permitió que animales de sangre fría poblaran la Tierra. No obstante, desde ese entonces la Tierra se ha venido enfriando apareciendo hielos polares en la Antártida alrededor de 33 millones de años atrás. La aparición de hielos antárticos coincide con la separación del continente Antártico de Sudamérica, lo cual dio lugar a la creación de la corriente circumpolar de la Antártida que aíslo la Antártida y redujo significativamente el transporte de calor. En el Ártico los hielos oceánicos aparecieron recién hace 3 millones de años como consecuencia de la continua tendencia al enfriamiento del planeta. Así, desde el punto de vista de los últimos 60 millones de años la Tierra ha venido sufriendo un enfriamiento –no calentamiento– global.
El lector avispado puede preguntarse como es que sabemos cuáles fueron las condiciones climáticas de hace 60 millones de años. Los seres humanos no existían en aquel entonces y obviamente no existían termómetros... imagínense a un par de dinosaurios midiendo la temperatura! La clave para obtener registros de paleo temperaturas es agujerear el fondo de los océanos. Los océanos están poblados de microorganismos llamados plancton, algunos de los cuales tienen un exoesqueleto cuya composición depende de la temperatura del agua en la que viven. Una vez que el organismo muere va a parar al fondo del océano y su esqueleto pasa a formar parte de los sedimentos. El fondo de los océanos esta así formado por capas y capas de remanentes de plancton que vivieron hace millones de años. Usando formulas
empíricas que relacionan la composición de los sedimentos de ciertos organismos con la temperatura los paleo climatólogos pueden determinar las condiciones de hace millones de años. Así, el fondo oceánico se convierte en un registro de la historia climática que nos abre una ventana hacia el pasado. El reconocimiento de la importancia de este campo dio lugar a la creación de un programa oceanográfico -hoy día llamado Ocean Drilling Program- que consiste en un barco circunnavegando los océanos y haciendo agujeros en el fondo del mar. Desde hace 20 años dos Universidades de EE.UU. (Columbia University y Texas A&M University) han guardado los tubos de sedimentos en enormes frigoríficos que mantienen el estado original de los sedimentos. El análisis de cientos de estos tubos ha permitido un avance espectacular de la paleo climatología. No obstante, la mayor parte de la literatura es sobre localidades aisladas y es necesario hacer una síntesis de todos los datos disponibles de cada periodo que permita una comprensión de las condiciones globales.
Con la aparición de los hielos en el Plioceno medio (hace 3 millones de años) la razón de enfriamiento climático terrestre aumentó sensiblemente y la variabilidad climática aumentó gradualmente desde oscilaciones con periodos de 41.000 años hasta grandes oscilaciones con un periodo de unos 100.000 años durante el último millón de años. Estas últimas oscilaciones climáticas pueden observarse claramente en registros obtenidos para la Antártida donde tienen una amplitud de 10 C y son muy asimétricas estando caracterizadas por largos periodos fríos (Edades de Hielo) y muy cortos periodos cálidos. Las transiciones entre estados es por demás muy asimétrica: el clima tiende a enfriarse relativamente despacio, mientras que los periodos cálidos se establecen muy rápidamente. Esta curva es famosa pues demostró por primera vez la existencia de grandes oscilaciones climáticas hace no tanto tiempo atrás y la explicación de la existencia de estas oscilaciones es uno de los problemas más importantes de la climatología. Además, los datos muestran que los periodos cálidos fueron acompañados por grandes concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono mientras que los periodos fríos mostraron concentraciones unos 100ppm más bajas. (Nótese que también la concentración de polvo en la atmósfera era mayor en los periodos fríos, supuestamente pues el ciclo hidrológico estaba reducido, es decir llovía menos.) Es importante señalar que estos datos fueron obtenidos mediante el análisis de las burbujas atrapadas en el hielo de la Antártida durante los últimos 500000 años. Así como los sedimentos del fondo oceánico son un archivo de las condiciones oceánicas, los hielos en la Antártida forman un archivo de las condiciones atmosféricas en la región. La Antártida tiene hielos que pueden llegar a tener 3 kilómetros de espesor cuyas capas fueron creadas miles de años atrás. Así, analizando químicamente las burbujas de gas atrapadas en el hielo se mide la concentración de CO2, NH4 y la temperatura, y podemos determinar las condiciones
atmosféricas en épocas pasadas. Varias misiones en la Antártida han llegado a perforar el hielo más de 3 km con el fin de llegar hasta 800000 años atrás. Existe un limite máximo para perforar pues más profundo el hielo comienza a derretirse debido a la presión de todo el peso de la columna de hielo. Así, los archivos de hielo no nos permiten ir tan atrás en el tiempo como los sedimentos oceánicos.
La correlación entre las curvas de temperatura y CO2 se ha convertido en la piedra fundamental de aquellos que sobre simplifican el tema para demostrar que la emisión de CO2 por el hombre calentara el clima de forma irreversible. Más adelante desarrollaremos este punto en mayor medida, pero por ahora es importante hacer notar que correlación no implica causalidad! Cualquiera que haya cursado física en la secundaria lo sabe. Es necesario una base física teórica detrás que muestre que el incremento de CO2 atmosférico puede aumentar la temperatura terrestre. Más aun, hay que demostrar como el incremento de CO2 causó el calentamiento en las oscilaciones climáticas y que no fue la temperatura quien causó el aumento de dióxido de carbono. Además, ambos cambios (T y CO2) pueden haber sido consecuencia de un tercer factor. Por último es necesario señalar que en las oscilaciones climáticas de las Edades de Hielo la concentración de CO2 en la atmósfera varió naturalmente y actuó como una retroalimentación interna en el sistema climático. El CO2 adicional emitido a la atmósfera por el hombre se considera un forzante climático y no una retroalimentación interna ya que no puede variar libremente. Esta distinción es importante ya que una de las grandes incógnitas de las Edades de Hielo es determinar los procesos físicos que dieron lugar al cambio en la concentración de CO2.
