Bases físicas del cambio climático

[Atención, en el siguiente artículo hay palabras en negrita, si no se entienden, recomendamos al lector buscar su significado en el glosario siguiente: http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_AnnexIII_FINAL.pdf ]

Autor: Gonzalo Velasco Monés

 

El fuego, que el hombre primitivo preparaba en una cueva o en una tienda, es la forma más temprana de producción de una atmósfera artificial, y todavía en la civilización más refinada constituye la calefacción el punto central de la creación del clima por el hombre tanto en lo útil como en lo nocivo. En lo útil, pues alrededor del aire poco caliente gira la necesidad de un mejoramiento del clima, la huida ante un tiempo demasiado natural; en lo perjudicial, pues es, a su vez, el sinnúmero de calefacciones lo que produce el clima de humo y vaho de las ciudades fabriles. Hoy sabemos que, para este clima, más importante que los decantados diez millones de m3 de ácido carbónico [CO2] que vierten diariamente en el aire las chimeneas de Manchester, son los astrillones de últimas partículas de hollín de este humo, por virtud de los cuales se produce la multiplicación de los iones pesados a expensas de los ligeros y, por tanto, de núcleos de condensación para la formación de nieblas, lluvias y tempestades. Pero si el clima se hace peor por la intervención del hombre, también el cerebro humano tiene poder para mejorarlo.

Willy Hellpach, Geopsique: el alma humana bajo el influjo del tiempo y clima, suelo y paisaje, 1937

Este pasaje del psicólogo Willy Hellpach, muy informado en la climatología de su tiempo (llamada “meteorología sinóptica”), cuando la clasificación canónica de los climas mundiales de Wilhelm Koeppen, todavía en uso, ya estaba establecida, y existían amplios registros de datos que permitían las teorías geográficas más especulativas de Ellsworth Huntington o (si acaso se basó en ellas, aunque seguramente conocía la geografía alemana de su tiempo) Tetsuro Watsuji, nos sirve para ilustrar la razón por la que hace falta entender los fundamentos físicos tras la ciencia del cambio climático actual: aunque para la climatología moderna sea el resultado de procesos elementales, no son para nada sencillos. Porque aunque Hellpach conocía por separado los efectos (de invernadero) del CO2 (vislumbrados ya a finales del siglo XIX por John Tyndall y Svante Arrhenius), y los de los aerosoles de la polución urbana en el clima, no tenía ninguna capacidad de analizar objetivamente su interacción y balance en el Sistema Climático. Procedamos entonces a ver, dentro de este sistema, las partes físicas del sistema que interactúan para constituir el calentamiento global (CG, o “cambio climático”, CC), siempre manteniéndonos lo más distantes posible a sus interacciones con la biosfera, que analizaremos con mayor detalle en entregas posteriores.

 

INTRODUCCIÓN

Antes que nada, el cambio climático causado por las emisiones antropogénicas de combustibles fósiles es un hecho. Si se considera a la Tierra como una esfera en equilibrio energético entre la irradiación solar entrante desestimando otras posibles fuentes de calor internas y la disipación de esa energía en el espacio, hay tres grandes factores fuera del sistema que pueden alterar este equilibrio (algunos continuamente activos pero con efectos abruptos):

  1. Dinámica tectónica: el único de los tres que moviliza gases de efecto invernadero (GEF), sea aumentando o disminuyendo su concentración. De hecho el intercambio de Carbono entre la litosfera y la atmosfera es uno de los más importantes aunque suceda a velocidades muy lentas. Las erupciones volcánicas emiten GEF (aunque no sólo, como veremos) hacia la atmosfera, lo cual aumenta la temperatura terrestre. Ahora bien, esto provoca una aceleración en el ciclo del agua con mayor evaporación y mayores precipitaciones, y por tanto una erosión acelerada de las rocas, que en el contacto con el ácido carbónico (H2 CO3) producido por la mezcla del vapor de agua (H2 O) con el CO2 se transforman de un Silicato de Calcio (CaSiO3) en un Carbonato de Calcio (CaCO3), habiéndose llevado de la atmosfera los átomos de Carbono que constituían el CO2. Este fenómeno (llamado “meteorización climática” o “climate weathering”) es un claro ejemplo de ciclo de retroalimentación (o feedback) negativo, en el que el aumento de concentración de CO2 pone en marcha la reducción de esa misma concentración, actuando así de termostato. En este sentido el origen de la vegetación terrestre hace unos 400 millones de años y su temprana asociación con mycorrizas (hongos simbióticos en las raíces) dio un fuertísimo impulso a la meteorización y disminución de CO2 atmosférico (a parte de por la propia actividad fotosintética).
  2. Dinámica de ciclos orbitales: Actúan de un modo más rápido que el ciclo tectónico y geológico del Carbono, y son los principales responsables de fenómenos de gran envergadura como las oscilaciones de períodos glaciales-interglaciales del Cuaternario. Se distinguen 3 ciclos, conocidos como “ciclos de Milankovitch”:

 

2.1. Ciclo de Excentricidad: como todo el mundo sabe, las órbitas de los planetas no son circulares sino elípticas. Sin embargo, la distancia entre los dos focos de la elipse (uno de los cuales es el Sol) trazada por la órbita se expande y contrae en ciclos de 100.000 años.

2.2.Ciclo de Oblicuidad: la Tierra tiene siempre una inclinación respecto al plano de la eclíptica (la curva dibujada por la órbita), pero aquélla varía entre los 22’1º a los 24’5º en ciclos de 41.000 años. Ahora mismo la oblicuidad es de 23’44º (lo que se corresponde, como es lógico, con las latitudes de los trópicos).

2.3. Ciclo de la Precesión: es el ciclo del cambio de la orientación de la rotación terrestre respecto a las estrellas fijas, completado cada 26.000 años.

3. Dinámica en la energía emitida por el Sol: el Sol posee tanto cambios de radiación a muy largo plazo como ciclos más cortos de 11 años. Sin embargo, actualmente es bastante estable y emite una radiación constante a la Tierra de 340 W/m2 (a veces expresado como 1360-1370 W/m2 si se considera a la Tierra un disco en dos dimensiones).

Estos tres factores son los que, fuera del Sistema Climático, pueden alterarlo y conducirlo a nuevas fases de equilibrio. ¿Qué tiene que ver todo esto con la afirmación inicial “el cambio climático causado por las emisiones antropogénicas de combustibles fósiles es un hecho”? Precisamente que, con una dinámica reciente del Sistema Climático no explicable por la variabilidad interna del propio clima, hace falta recurrir a explicaciones en los factores que puedan provocar forzamientos externos. Y ninguno de los tres factores susodichos ha podido ser relacionado con los cambios actuales, mientras sí hay una correspondencia muy alta en las fechas de emisiones antropogénicas de GEF y los cambios aludidos.

 

EL SISTEMA CLIMÁTICO ACTUAL POR ACCIÓN DE LOS GEF (Y OTRAS MOLECULAS)

Una de las frases más famosas en el estudio del CC es la escrita por el oceanógrafo Roger Revelle en 1957 (fecha muy temprana) de que entrábamos en un “gran experimento geofísico sin precedentes”. Sin embargo, la metáfora del experimento no es muy afortunada ya que en el Sistema Climático no puede haber control de variables ni variable independiente. No obstante, esto no impide el análisis, únicamente nos impide trazar causalidades simples y lineales, y de hecho es fundamental poder reconocer los roles distintos que juega cada GEF, partícula de aerosol o cualquier otro gas en la atmosfera (esencialmente en la troposfera y a veces, en la estratosfera).

Como una generalidad preliminar, hay que tener en cuenta que cada molécula química y cada compartimento (hidosfera, criosfera, litosfera, atmosfera y biosfera) en el sistema climático tiene dinámicas propias (“forzamientos” y “tiempos de residencia” para las moléculas; “tiempos de respuesta” e “inercias” para los compartimentos). Debemos entonces tener las claves analíticas para ver qué papel han jugado y jugarán cada una de estas partes.

Ilustremos esto explícitamente para los tres GEF más importantes:

  • CO2 : Es la molécula histórica y actualmente más importante del CC antropogénico. El tiempo de residencia del CO2 antropogénico en la atmosfera es de hasta 30.000 años. El/la lector/a quizás encuentre datos de alrededor de una década: esos son para cada molécula individual, no para el conjunto de CO2 emitido por los seres humanos que cuenta más de 400 PgC (Petagramos de Carbono, es decir restando la fracción de masa que corresponde a los dos átomos de oxígeno), y aumentando a unos 10 PgC anuales. Actualmente el CO2 antropogénico constituye unas 120-130 ppm (partes por millón), que se añaden a las 280 de la época preindustrial. Hace 56 millones de años que no se veía una concentración de CO2 pasar las 400 ppm, desde el máximo térmico del Paleoceno-Eoceno.
  • CH4 (metano): producido esencialmente por actividades bacterianas en zonas húmedas, pero también por los cultivos de arroz y hasta cierto punto por la ganadería. Ha aumentado un 150% desde tiempos preindustriales y posee, comparando molécula a molécula, un efecto invernadero 21 veces más intenso que el dióxido de Carbono, pero por su baja concentración (1800 ppb, partes por billón) y por su corto tiempo de residencia no tiene el rol histórico del CO2 (aunque si hiciéramos una previsión a diez años vista estos dos gases tendrían unos efectos muy igualados). Incrementa de un modo muy irregular y los últimos años se ha doblado su tasa de emisión.
  • NO2 (protóxido de Nitrógeno): producido principalmente por actividad agrícola (la gran transformadora del ciclo del Nitrógeno) y también por alguna industria como la producción de nylon. Tiene un tiempo de residencia atmosférico de 110 años antes de disolverse en la estratosfera. Sin embargo, puede precipitar en el suelo y provocar intoxicaciones. Ha aumentado un 20% desde los orígenes de la Revolución Industrial.

Si consideramos la acción conjunta de las substancias emitidas a la atmosfera (podríamos utilizar el término impreciso “polución” para referirnos a este conjunto heterogéneo) por los seres humanos, tenemos forzamiento radiativo (FR) de +1’93 W/m2 (sumados a la radiación solar de +340 W/m2 comentada anteriormente). No obstante, los aerosoles que forman parte de esta polución y que juegan un papel crucial en la formación y reflectancia de las nubes, contribuyen con un FR negativo de -0’9 W/m2. Esto nos indica que si toda actividad humana “contaminante” desapareciera de repente incrementaríamos aún más el FR (un 47%) hasta un +2’83 W/m2 porque los aerosoles tienen un tiempo de residencia de, a lo sumo, unos cuantos años, mientras que el CO2 dura milenios y el metano (CH4) unas décadas. Además hay múltiples razones para pensar que las concentraciones atmosféricas de los GEF adquirirían feedbacks positivos por los que su elevación implicaría una ulterior elevación aún mayor: los suelos de los bosques boreales pueden convertirse en una fuente emisora de Carbono a la atmósfera si las bacterias disponen de una mayor estación cálida para “respirar” la materia orgánica que se ha acumulado durante milenios; el casquete polar Ártico y el permafrost guardan grandes depósitos de metano (clatratos) estabilizados en unas condiciones de frío y presión muy particulares por los puentes de hidrógeno de las moléculas de agua, que si se alterasen podrían ser una fuente de metano equiparable a las que han causado su incremento hasta ahora (del 250% desde la Revolución Industrial).

 

Figura 3: distintos efectos de los componentes de la atmosfera en un mismo instante y  a lo largo del tiempo; a la izquierda, basando el cálculo en el FR (GWP: Global Warming Potential); a la izquierda, en el incremento de la temperatura global superficial (GTP: Global Temperature change Potential)].

Una consecuencia no obvia del efecto invernadero es que reduce la cantidad de energía que llega a la estratosfera, donde se concentra el O3 (ozono) que protege de los rayos ultravioleta más fuertes. El enfriamiento de la estratosfera permite la formación de cristales que actúan como núcleos de reacción entre los HCFC y el O3, que se disuelve fruto de esta reacción. Aunque no hay ninguna observación de este proceso y el protocolo de Montreal (1987) prohibió los HCFC, aún no han desaparecido de la atmosfera, por lo que podría ser un factor de preocupación. Curiosamente el ozono que da un FR negativo cuando está en la estratosfera, es un gas de invernadero (además de un serio contaminante para la vegetación e incluso los humanos) cuando está en la troposfera, producido por multitud de fuentes contaminantes.

Todos estos FRs provienen de los flujos de materia entre las partes del sistema. Hay no obstante FRs debidos únicamente a los flujos de energía, de los cuales hay dos, muy ligados, en los que vale la pena detenerse: el albedo superficial de la Tierra y la circulación oceánica termohalina.

El albedo es el cociente de energía lumínica que es reflejado en la superficie de una substancia, y por eso, energía no absorbida. Un mayor albedo implica un menor calentamiento por cantidad de energía (W/m2) recibida, mientras que un albedo bajo implica una alta absorción de la energía. El agua líquida (oceánica) tiene un albedo muy bajo, por lo que es un gran sumidero de calor (por lo que, junto a su inmensa masa, los océanos tienen una enorme inercia térmica), mientras que el hielo o la nieve son de las superficies con mayor albedo. Esto implica, para un balance energético global de la Tierra, que como más superficie se pierda con un alto albedo mayor será la absorción de energía solar; en este caso, en el que el CC  transforma la nieve-hielo de los casquetes polares en agua oceánica, el cambio es drástico, y retroalimentado por su propio feedback. Hay factores coadyuvantes que reducen previamente el albedo de la nieve y el hielo como el “black carbon” u hollín, fruto de las actividades industriales que alcanza los polos y al depositarse favorece el derretimiento del hielo.

Por otro lado la distribución heterogénea de la irradiación solar sobre la esférica superficie terrestre (máxima entre el ecuador y los trópicos, mínima en los polos; la cifra dada hasta ahora es el promedio global) provoca no solo un gradiente térmico sino también un gradiente salino, ya que la evaporación y la precipitación no siempre se reparten en el mismo sistema geográfico, y por lo tanto los trópicos “pierden agua” (conservando la misma cantidad de sales, por lo que éstas quedan más concentradas), mientras que en el Círculo Polar Ártico, por el derretimiento estacional de las capas de hielo marino (“sea ice”, que se distingue del “ice sheet” o “inlandsis” en español, por no estar apoyado sobre una plataforma continental y por lo tanto no contribuir al nivel del mar al fundirse, ya que el balance de la cantidad de agua en el mar es cero), el mar “gana agua” (dulce y fría). Esto provoca unos gradientes termohalinos que hacen circular el agua de los trópicos hasta el polo Norte (por la famosa Corriente del Golfo), donde se sumerge y hace el viaje de vuelta por las profundidades hasta el Antártico, desde donde se redistribuye; a esta corriente se la conoce como AMOC por sus siglas en inglés (Atlantic Meridional Overturning Circulation; el hecho de que en la Antártida haya una corriente totalmente distinta, ACC “Antactic Circumpolar Current” provoca que las dinámicas de ambos polos sean muy distintas, aunque ambos corran peligro de deshelarse en mayor o menor medida). Pues bien, aunque el CC incrementará la evaporación (luego la salinidad) en las zonas tropicales, los efectos por el factor térmico a medida que aumenten los deshielos masivos en el polo Norte son mucho más desconocidos y objeto de debate. El IPCC en su último informe (2013) no advierte ninguna tendencia, aunque admite que los datos son escasos (las observaciones directas de la AMOC datan sólo desde el 2004). Su  colapso, sin embargo, sería catastrófico y algunos dicen que produciría una nueva era glacial, dando un “giro argumental” al CC coincidiendo hasta ahora con un Calentamiento Global.

Como se ha visto, el CC no es ningún fenómeno fácil de medir, aunque sepamos que ocurre. En las siguientes entregas se expondrá qué útiles hay para analizarlo y hacer proyecciones en el futuro, en torno a qué red institucional se organizan y se estandarizan. Posteriormente se verá cómo la biosfera ha sido un factor tanto creador como creado (a veces casi exterminado) por el Sistema Climático y la relevancia de del Cambio Climático en curso, y finalmente una presentación del clima en la historia humana.

 

DATOS DE SINTESIS

  • Incremento de la Temperatura Media Global en Superficie: 0’85 ºC, aunque muy heterogéneamente: más del doble en el polo Norte y mucho menor en los trópicos. No hay que olvidar que hablar de Temperatura Media Global en Superficie es muy
  • Aumento del nivel del mar: 20 centímetros hasta 2013, aumentando 3 milímetros por año desde entonces gracias a un derretimiento acelerado de los casquetes polares y glaciares continentales.
  • Proyecciones de Cambio Climático: todas son más o menos redundantes hasta mediados del siglo XXI, cuando empiezan a divergir seriamente. Actualmente nos dirigimos, según la cantidad de emisiones de GEF anuales, al peor escenario

Una respuesta a “Bases físicas del cambio climático”

  1. El Cambio Climático es un hecho, la teoría que lo explica basada en la antropogenia del CO2 no es un hecho, es una teoría. Como hay otras.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *