CAMBIO CLIMÁTICO
•Concepto de cambio climático•Obtención de datos y técnicas paleoclimáticas •Evidencias de cambio climático:
*Paleoclimático
*Actual: Calentamiento global. •Modelo de balance de energía
•Mecanismos Causales de cambio climático *Parámetros orbitales
*Manchas solares
*Cambios en el albedo
*Aumento de los gases de efecto invernadero: -GCMs y predicciones
CAMBIO CLIMÁTICO
CLIMA SITUACIÓN DE EQUILIBRIO DINÁMICO VARIABLES CLIMÁTICAS VARIABLES CÍCLICAS
ELMIMANDO LA CICLICIDAD VARIABLES ESTACIONARIAS
(FLUCTUAN ENTORNO A UN VALOR CENTRAL)
CAMBIO CLIMÁTICO
CONCEPCIÓN ESTADISTICA
CAMBIO CLIMÁTICO
CONCEPCIÓN SISTÉMICA
CLIMA Equilibrio dinámico como
resultado de interacciones de los componentes del sistema
climático
CAMBIO CLIMÁTICO Variación que altera algún
componente del sistema
haciendo que tienda aun nuevo estado de equilibrio tras un
PLANTEAMIENTO DEL
PROBLEMA
OBTENCIÓN DE DATOS:TÉCNICAS
PALEOCLIMÁTICAS
CO
2
y Clima del Pasado
T
CO2
CONCLUSIONES SOBRE CAMBIOS
CLIMÁTICOS DE ÉPOCAS GEOLÓGICAS
• Hace 1000 Millones de años se inició un enfriamientodebido a la actividad de los organismos fotosintéticos • Hace varios 100 Millones de años se produjo un
calentamiento debido a un incremento del efecto
invernadero por emisiones de CO2, con temperaturas 5 ºC mayores que las actuales.
• Hace 100 Millones de años se produjo un nuevo enfriamiento
• Durante el último millón de años se alternaron periodos glaciares e interglaciares con periodicidades del orden de 100.000 años.
• Se detectan ciclos de menor magnitud con periodicidades de unos 1.000 años.
CONCLUSIONES SOBRE CAMBIOS
CLIMÁTICOS DE ÉPOCAS GEOLÓGICAS
• EVIDENCIA DE CAMBIOS CLIMÁTICOSNATURALES
• DIFERENTES CLIMAS DE LA TIERRA:
– PLANETA CÁLIDO
– GLACIACIÓN PERMENTE
– PERIODOS INTERGALCIARES
• LOS CAMBIOS AFECTAN MÁS A LAS LATITUDES ALTAS.
• LAS FASES GLACIARES COINCIDEN CON FASES DE ACTIVIDAD OROGÉNICA
• ACTUALMENTE NOS ENCONTRAMOS EN UN PERIODO INTERGLACIAR
Evidencias paleoclimáticas:Variación de la
temperatura en el pasado
HITOS DEL ACTUAL PERIODO
INTERGLACIAR
• YOUNGER DRYAS BAJADA BRUSCA DE
TEMPERATURA (11.000-10.000 AÑOS ATRÁS) • ÓPTIMO CLIMÁTICO POSTGLACIAR
(HOLEOCENO) (7.000-5000 AÑOS ATRÁS)
TEMPERATURA 3º SUPERIOR A LA ACTUAL.
• EDAD DE HIERRO (2.900-2300 AÑOS ATRÁS) MÁS FRÍO Y LLUVIOSO EN EUROPA CENTRAL, MÁS ÁRIDO EN EL MEDITERRANEO.
• ÓPTIMO CLIMÁTICO MEDIEVAL (1000-1200 d.C) RECUPERACIÓN TÉRMICA
• PEQUEÑA EDAD DE HIELO (1430-1850) BAJADA DE LAS TEMPERATURAS
Observaciones recientes de Cambio Climático
Temperatura
Media Globlal
Promedio Global
de Nivel del Mar
Cobertura de nieve
en el Hemisferio
Crecimiento de la Temperatura Media Global
a un ritmo creciente
100 0.074±±±±0.018 50 0.128±±±±0.026 Los 12 años más cálidos: 1998,2005,2003,2002,2004,2006,
2001,1997,1995,1999,1990,2000
Period Rate
Years °°°°/decade
Ola de calor extrema Verano 2003
Europa
Disminución de la cubierta de nieve y del hielo
marino del Ártico
La cubierta nival de primavera muestra una disminución gradual del 5% durante la década de 1980.
El área cubierta por hielo marino en el Ártico disminuye un 2.7% por decada
Aumento del nivel del mar global
El nivel del mar ha crecido entre 1961 y 2003 a un ritmo de (1.8±0.5) mm/año y entre 1993 y 2003 a un ritmo de (3.1±0.8) mm/año.
El calentamiento
del sistema
climático es
inequívoco, tal y como
evidencian
las
observaciones
de
aumento de la temperaturas globales
medias del aire y los océanos, la
extensión de la fusión de hielo y
nieve, y la subida del nivel medio del
mar.
Observaciones directas de Cambio
Climático reciente
La información Paleoclimática apoya la
interpretación de que el calentamiento
de la última mitad de siglo es inusual
en el marco de los 1300 años
anteriores. La última ocasión en la que
las regiones polares fueron
significativamente más cálidas que en la
actualidad durante un periodo extenso
(hace unos 125.000 años), las
reducciones en el volumen de hielo
polar produjeron subidas del nivel del
mar de 4 a 6 metros.
CALENTAMIENTO GLOBAL
Siguen acumulándose pruebas sobre el calentamiento de la atmósfera.
¿en qué medida este calentamiento se debe a la actividad humana y en qué medida a causas naturales?
¿cuál es la magnitud de las variaciones naturales del clima?
¿Cómo explicar los patrones espacio-temporales observados?
¿qué otros efectos implicará el calentamiento de la atmósfera? Las respuestas son obtenidas
Análisis de datos
Ecuación del balance radiativo: donde
S = 1370 W/m2 Constante solar.
α = 0.3 Albedo.
τ = 0.62 (ετa) Transmisividad de onda larga
σ = 5.67 x 10-8 W/m2K4 Cte de Stefan-Boltzmann. Te : Temperatura superficial de equilibrio.
Te = Te (S, α, τ)
Si τ = 1 ⇒Te =255 K Efecto Invernadero natural ∆T = 33K
MODELO DE BALANCE DE ENERGÍA
CERO-DIMENSIONAL
(
1
)
14287
4
eS
T
α
K
τσ
−
=
=
(
)
4 1 4 e S Tα
τσ
− =Modelo cero-dimensional
1 4 1 1 287 1 1 4 e e e T T S T S S S ∂ = ⇒ ∆ ≈ + ∆ − ∂ * Dependencia respecto a la constante solar:
Si ∆S ∼ 0.1%⇒ ∆T
e ∼ 0.07 K
* Dependencia respecto al albedo
(
)
1 4 1 287 1 1 4 1 1 e e e T T T α α α α ∂ ∆ = − ⇒ ∆ ≈ − − ∂ − − Si ∆α ∼ 0.1% ⇒ ∆Τ e ∼ 0.03 K* Dependencia respecto a la transmisividad atmosférica
1 4 2 1 287 1 1 4 e e e T T T τ τ τ τ ∂ = − ⇒ ∆ ≈ − ∆ − ∂ Si ∆τ ∼ 0.1% ⇒ ∆T e ∼ 0.07 K
MODELO CERO-DIMENSIONAL
Incógnita:Temperatura global superficial media, T.
La cantidad de energía que un sistema intercambia con el medio puede expresarse en función de la variación temporal de temperatura como
dQ
dT
mc
dt
=
dt
m: masa del sistema.
c : calor específico del sistema. En términos de los flujos
radiativos,
(
)
24
TdQ
R
R
R
dt
= ↓− ↑
π
(
1
)
4
S
R
↓=
−
α
4'
R
↑=
τσ
T
≈ +
A BT
A = 204 W/m2, B = 2.17 W/m2ºC RT = 6378 km radio terrestre T’ en K, T en ºC(
)
24
R
TdT
R
R
mc
dt
π
↓− ↑
=
HIPÓTESIS DEL MODELO
Modelo “cero-dimensional”, no se tienen en cuenta procesos internos de transferencia de masa, momento o energía, variaciones con la latitud, longitud y altitud ni contrastes geográficos.
La capacidad calorífica de los océanos es una buena aproximación de la capacidad calorífica del planeta.
La masa de agua que interviene es la constituída por la capa de mezcla. No se considera el papel del océano profundo.
C constante, no se consideran variaciones en los océanos.
La radiación infrarroja saliente puede parametrizarse con un buen grado de aproximación como R↑=A+BT (T en ºC).
2 2 2
4
4
4
T T Td
R fc
m c
C
dfc
R
R
ρ π
ρ
π
π
=
=
=
( )
1
4
S
dT B
A
T
dt
C
C
C
α
−
+
=
−
Igualando ambas expresiones, se obtiene la ecuación diferencial
Variable independiente: tiempo t
Variable dependiente: temperatura superficial global T
ρ = 1.025 g cm-3 densidad del agua del mar
f = 0.7 fracción de superficie terrestre cubierta por oceanos d = 70m profunidad de la capa de mezcla
c = 4128 J K-1 kg-1 calor específico del agua
C ~ 2 x 108 J Km-2 La capacidad calorífica de los océanos es mucho
MODELO CERO-DIMENSIONAL
(ninguna variación en latitud/longitud)
(
1
)
4
S
R
↓=
−
α
R
↑=
τσ
T
'
4≈ +
A BT
A = 204 W/m2, B = 2.17 W/m2ºC RT = 6378 km radio terrestre C∼∼∼∼ 2 x 108 J/Km2 T en ºC(
)
24
R
TdT
R
R
mc
dt
π
↓− ↑
=
( )
1
4
S
dT B
A
T
dt
C
C
C
α
−
+
=
−
2 2 24
4
4
T T Td
R fc
mc
C
dfc
R
R
ρ π
ρ
π
π
=
=
=
Variable independiente: tiempo t
Solución de la ecuación si S,
α
, A son ctes.
0(
)
B t C e eT
= +
T
T
−
T e
− T0 = T(t=0)=278 K(
1
)
287
4
eS
A
T
K
B
B
α
−
=
−
≈
To=278 K 280 285 290 295 300 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 t (años) T ( K ) To=298 K 280 285 290 295 300 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 t (años) T (K ) T0 = T(t=0)=298 K T→→→→Te=287 K( )
1
4
S
dT B
A
T
dt
C
C
C
α
−
+
=
−
Concepto de Forzamiento Radiativo
El Forzamiento Radiativo mide la modificación del Balance de Energía del Sistema Tierra-Atmósfera cuando los factores que afectan el clima se ven alterados. Se mide en términos de densidad de flujo de energía, W m-2.Cuando un factor o grupo de factores producen un
forzamiento positivo la energía del Sistema Tierra-Atmósfera aumenta y se produce un calentamiento del sistema.
Por el contrario, si un factor o grupo de factores producen un forzamiento negativo la energía del Sistema Tierra-Atmósfera disminuye y se produce un
CAUSAS DE LOS CAMBIOS
CLIMÁTICOS
CAUSAS EXTERNAS
• VARIACIONES DE LA FUENTE SOLAR (S) •CAMBIOS ORBITALES TIERRA-SOL(S)
CAUSAS INTERNAS
• COMPOSICIÓN ATMOSFÉRICA(A y B, α)
•NATURALEZA DE LA SUPERFICIE TERRESTRE (α) •CIRCULACIONES ATMOSFÉRICA Y OCEÁNICA
CAUSAS ANTROPOGÉNICAS
• COMPOSICIÓN ATMOSFÉRICA(A y B, α)
Variaciones
orbitales terrestres:
Perturbaciones cíclicas de la órbita elíptica provocadas por la atracción gravitatoria del resto de los planetas
del Sistema solar:
(a) Excentricidad: eactual=0.017
emín=0.005, emáx=0.06, τe ∼ 105 años.
(b) Oblicuidad: εactual=23.5º
ψ mín=22.1º, ψ máx=24.5º, τε ∼ 41⋅103 años.
(c) Precesión: Fecha del perihelio
Actual= 5 Enero, τP ∼ 22⋅103 años. Teoría de Milankovitch: eras glaciares
RESULTADOS
Excentricidad: A mayor e, menor flujo anual incidente.
emín=0.005 ∆S= 0.014%, emáx=0.06 ∆S= -0.17%
Cambios en ψ, P no influyen en la radiación total recibida, sólo en los gradientes superficiales y en la variabilidad estacional
-Menor ψ menor estacionalidad: extensión de hielos en latitudes altas. - Cambio en P: variación en la intensidad de cambios estacionales. -Si S=S(t) ⇒ α ≠ cte, A≠ cte
Contrastación (registros geológicos)
•Periodicidad de las glaciaciones es ∼ 105 años (la más importante), ∼
41000 y 23000 años
Sin embargo los modelos estiman que los cambios en ψ y P deben ser más importantes.
•Amplitud de la oscilación térmica (diferencia entre periodos glaciares e interglaciares) es ∼ 6 K
Promedio anual de manchas solares. 0 40 80 120 160 200 1750 1800 1850 1900 1950 2000 Año N
ACTIVIDAD SOLAR
Variaciones del campo magnético solar ⇒variaciones temporales en el número
de manchas solares:
Regiones de la fotosfera más oscuras y frías (∼ 4000 K). Tamaño medio ∼ 10.000 km.
Ocurren en pares o en complejos grupos.
Persisten durante varios días o semanas.
Aparecen entre el ecuador solar y los 40° de latitud.
Están rodeadas de zonas de gran luminosidad (fóculas)
A mayor actividad solar, mayor número de manchas y de radiación emitida.
MANCHAS SOLARES
Influencia de la variabilidad solar.
-0,1 0 0,1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Año T -T e ( K )
Los modelos estiman ∆T ∼
0.12 K con
periodicidad del orden de 11 años.
Contrastación:
* Numerosos registros climáticos muestran esta periodicidad.
* Modelos más complejos
muestran variaciones del orden de 0.16, 0.2 ó 0.45 K.
Discusión:
* Problema empírico, ∆S ∼ error instrumental.
* Física solar.
* ∆T ∼ error instrumental.
*Periodos de baja actividad solar: Mínimo Maunder (1645-1715).
Actividad Volcánica
• Actividad episódica.
• Los efectos climáticos de los aerosoles volcánicos dependen de varios factores:
· Volumen de material lanzado por la erupción. · Latitud del volcán.
· Patrón de circulación estratosférica.
· Composición química del material (sulfatos)
· Tamaño de las partículas, distribución y vida media (∼2 años).
• Efecto radiativo: La nube de aerosoles volcánicos en la baja estratosfera aumenta el albedo efectivo del planeta, a través de la reflexión directa. α∈ (0.29,0.35)
• Ej: Pinatubo (Junio1991)
∆α ∼ +0.01
Actividad Volcánica
• El MBE estima variaciones ∆T ∼ -0.4 K de efecto temporal muy limitado
• Contrastación: En el estudio de los efectos climáticos del Pinatubo se han encontrado descensos de la temperatura del
orden de 0.3 a 0.6 K, con una duración no superior a los dos años.
DISCUSIÓN
• La naturaleza episódica e irregular de las erupciones hace prácticamente imposible la predicción.
• Sólo una sucesión continuada de erupciones volcánicas daría lugar a cambios perdurables (“Pequeña Edad de Hielo”).
• Dificultad en la caracterización (composición química, tamaño de las partículas) de la nube de aerosoles.
• Dependencia respecto a la circulación de la baja estratosfera para la difusión de la nube de aerosoles.
VARIACIONES EN ESCALAS
GEOLÓGICAS
GASES DE EFECTO
INVERNADERO
§ vapor de agua. CO2 CH4 O3 CFCs. Si [CO2]↑ ⇒τ (transmisividad)↓⇒A↓⇒T↑ La concentración actual de CO2 (354 ppmv) es un 25% superior a su valor pre-industrial.Las concentraciones atmosféricas de CO2 y CH4 en 2005 superan ampliamente el rango natural de los últimos 650,000 años. Los
incrementos en la era post-industrial no son de origen natural.
CO2 CH4
Las concentraciones atmosféricas de CO2 y CH4 en 2005 superan ampliamente el rango natural de los últimos 650,000 años. Los
incrementos en la era post-industrial no son de origen natural.
CO2 CH4
Concentraciones de CO2, CH4 y N2O -Superan ampliamente los valores
pre-industriales
-Desde 1750 experimentan un marcado aumento debido a las actividades
humanas
-Antes de la era industrial el cambio es relativamente pequeño
El forzamiento radiativo debido al
incremento de las concentraciones de CO2, CH4 and N2O, y con mucha
probabilidad el ritmo de aumento en forzamiento debido a estos gases desde 1750, no tienen precedente en los 10,000 años anteriores.
Agentes humanos y naturales
del Cambio Climático
Rapidez de los cambios
La rapidez de los cambios observados es inusual
alta cuando se analizan los últimos 20.000 años
DISCUSIÓN
Problemas
♣ Incertidumbres respecto a los niveles pre-industriales de CO2 con un error asociado de ∆Q ≈ ± 0.3 W/m2 (∼16% del “forcing” supuesto desde 1860).
♣ Los resultados de otros modelos están comprendidos entre 0.5 y 1.0 K, según se considere o no la aportación de los CFCs
♣ Se desconoce con precisión el ciclo del carbono y otros gases de invernadero (manantiales, sumideros, tiempo de residencia en la atmósfera, etc.).
♣ El calentamiento debido al aumento de los gases de invernadero es del mismo orden de magnitud que las variaciones provocadas por causas naturales.
♣ ∆TSol ∼ ± 0.06 K ∆Τvolcán ∼ 0.4 K
Constrastación: La T media global ha crecido en ∼ 0.6 K desde 1850. Crecimiento uniforme (gran variabilidad interanual)
Resultados MBE: ∆Τ ∼ 0.5 K en 100 años. T función creciente del tiempo
Indicaciones de los Modelos
La mayor parte de los cambios de temperatura en los últimos 50 años son atribuibles al Hombre
A1: Un mundo de rápido crecimiento
económico con la rápida introducción de nuevas y más eficientes tecnológias
A2: Un mundo muy heterogéneo con
énfasis en los valores familiares y en las tradiciones locales.
B1: Un mundo menos „materialista“ con
la introducción de tecnologías límpias
B2: Un mundo con énfais en soluciones
Locales a la sostenibilidad económica y Medioambiental.
IS92a „business as usual“ escenario (1992)
Cambio en las emisiones de CO2 procedentes de fuentes enegéticas y/o industriales para el año 2100, varía desde una disminución del 4% (B1), a un aumento del 320% (A2).
[CO2-1999] = 370 ppmv →
El efecto del ↑ [CO2] sobre el cambio climático global depende de la sensibilidad climática:
B1-bajo: escenario con menores emisiones combinado con el de menor sensibilidad.
A2-alto: escenario con emisiones más altas combinado con el de mayor sensibilidad. Baja (1.5ºC)
Media (2.5ºC) Alta (4.5ºC)
ESCENARIOS DE EMISIONES DEL IPCC:
B1
,
B2
,
A1,
A2
B1: [CO2-2100] = 550 ppmv A2: [CO2-2100] = 830 ppmv → 1980* 1990* 2020 2050 2080 T (ºC) T (ºC) CO2 (ppmv) T (ºC) Nivel del mar (cm) CO2 (ppmv) T (ºC) Nivel del mar (cm) CO2 (ppmv) T (ºC) Nivel del mar (cm) 0.13 0.28 B1-bajo 421 0.6 7 479 0.9 13 532 1.2 19 0.13 0.28 B2-med 429 0.9 20 492 1.5 36 561 2.0 53 0.13 0.28 A1-med 448 1.0 21 555 1.8 39 646 2.3 58 0.13 0.28 A2-alto 440 1.4 38 559 2.6 68 721 3.9 104CAMBIOS CALCULADOS RESPECTO AL PROMEDIO 1961-90
Escenarios de emisión y concentraciones
ESCENARIOS DE EMISIÓN
Escenarios A: Aumentos de la emisión de gases invernadero Escenarios B: control de las emisionesPREDICCIO-NES DE LOS
GCMS
Cambio en la temperatura media anual de 2071-2100 relativo a 1990 Media Global (2085)=3.1ºC (A2)Se prevé un incremento global en la precipitación con
áreas más húmedas y otras más secas
Cambio en la precipitación media anual: 2071 to 2100 relativo to 1990
PROYECCIONES
DE LOS GCMS
Se prevé que la temperatura superficial media global aumentePROYECCIO-NES DE LOS
GCMS
Diferencias regionales y estacionales en el calentamiento sobre tierra para A2 y B2 T em p er at ura P reci p it ac iónEl nivel medio del mar se prevé que aumente
durante el siglo XXI
Se prevé un aumento en la ocurrencia de sucesos extremos
• Temperaturas máximas más altas, más días cálidos y más olas de calor, sobre prácticamente todas las áreas terrestres (Alta
probabilidad)
• Temperaturas mínimas más altas, menos días fríos y con heladas y menos olas frías, sobre
prácticamente todas las áreas terrestres (Alta probabilidad)
• Sucesos de precipitación más
intensos sobre muchas áreas (Alta probabilidad)
• Aumento de sequías estivales sobre la mayor parte del interior continental para latitudes medias (Probable)
• Aumento de la intensidad del viento y precipitación en los ciclones tropicales (Probable)
• Aumento de la mortalidad de ancianos en áreas urbanas
• Daños en las cosechas
• Aumento del estrés en el ganado
• Más plagas y enfermedades
• Pérdida de algunos cultivos
• Deslizamientos de tierras y aludes • Daños a la propiedad e
incremento de los costos de los seguros
• Reducción de la productividad de zonas de pastos, aumento de
fuegos
• Decrecimiento de energía hídrica • Daños a diferentes sistemas
ecológicos y socioeconómicos.
Cambios previstos durante el
Cambios observados en la Península Ibérica
Respecto a 1961-90 (13.1ºC)
Cambios Globales y en la Península Ibérica observados (hasta 1998) y calculados (1960-2100)
Cambios previstos en la Temperatura media anual respecto1961-90 para periodos de 30 años centrados en 2020, 2050, 2080 según los escenarios B1, B2, A1, A2
Cambios previstos en la Precipitación media anual respecto1961-90 para periodos de 30 años centrados en 2020, 2050, 2080 según el escenario A1-medio
Agentes humanos y naturales del Cambio
Climático
La comprensión de las
influencias
sobre el clima del
calentamiento y
enfriamiento
antropogénico
ha mejorado
desde el Tercer Informe Sobre el
Cambio Climático, con el resultado de
que existe un
nivel de confianza muy
alto
de que el efecto neto globalmente
promediado de las actvidades humanas
desde
1750 ha sido de calentamiento,
con un forzamiento radiativo de +1.6
[+0.6 a +2.4] W m
-2.
Atribución
•
Los cambios
observados son
consistentes con
las respuestas
esperadas a los
forzamientos
inconsistentes
con
explicaciones
alternativas
Observations All forcing Solar+volcanicLas emisiones de gases de efecto invernadero y
aerosoles de origen antropogénico continúan
alterando la atmósfera de forma que son esperables
efectos sobre el clima.
• Las concentraciones de gases de efecto invernadero y su
forzamiento radiativo han seguido aumentando por la acción del hombre.
• Los aerosoles antropogenicos tienen una vida media corta y
producen fundamentalmente un forzamiento radiativo negativo.
• Los factores naturales han tenido una pequeña contribución
al forzamiento radiativo durante el s. XX.
• La confianza en los modelos de predicción ha aumentado.
• Podemos afirmar con gran seguridad que la mayor parte del
calentamiento observado durante los últimos 50 años se debe
Las emisiones de gases de efecto invernadero y
aerosoles de origen antropogénico continúan
alterando la atmósfera de forma que son esperables
efectos sobre el clima.
• Las influencias humanas seguirán produciendo cambios en
la composición atmosférica durante el siglo XXI.
• Para todos los escenarios de emisiones futuras analizados en el marco del IPCC se prevén aumentos de la
temperatura global y del nivel del mar.
• Los cambios climáticos producidos por el hombre serán persistentes durante siglos.
• Deben de continuarse las actividades que permitan
resolver las carencias en información y comprensión del fenómeno del cambio climático.