VISIÓN GENERAL
Cuando se habla de cambio climático suele señalarse como su principal causante al efecto invernadero, fenómeno que resulta fundamental para entender cómo se calienta nuestro planeta y por qué nuestro clima cambia con el transcurso tiempo. Sin embargo, esta metáfora no es muy acertada; un invernadero, al igual que el planeta en su conjunto, recibe radiación procedente del Sol, la cual pasa fácilmente a través del cristal o el plástico tal como lo hace a través de la atmósfera. Parte de esta luz solar entrante es absorbida por las distintas superficies dentro del invernadero y, al igual que cualquier otro objeto, las plantas y el suelo del mismo reemiten radiación térmica a longitudes de onda larga que son visibles para nosotros. Hasta aquí, la analogía no presenta problema alguno.
La radiación térmica procedente de los elementos del invernadero tiende a escapar al espacio, y parte de ella es atrapada en su camino por el plástico o el vidrio, pero muy poca. Lo que ocurre es que lo que realmente se calienta es el flujo de aire, deteniendo la pérdida de calor por convección, mientras que lo que ayuda a mantener el calor de la Tierra es la presencia de ciertos gases en la atmósfera que absorben la radiación térmica y devuelven parte de ella a la superficie. Son los famosos gases de efecto invernadero, cuya función va mucho más allá que la de formar una simple capa alrededor del planeta.
Salgamos del invernadero y veamos cómo la luz solar entrante se equilibra con la radiación térmica procedente de la Tierra. La radiación solar, en forma de onda corta visible, entra en la atmósfera hacia la superficie sufriendo modificaciones antes de llegar a ella: una parte es reflejada por las nubes, otro poco es dispersado por las partículas atmosféricas y, por último es absorbida por la capa de ozono y otros gases. El resto alcanza la superficie de la Tierra, no pudiendo ser absorbida o reflejada en su vuelta a través de la atmósfera hacia el Espacio. Esa fracción reflejada por la superficie de la Tierra depende de la naturaleza de la misma y se denomina albedo.
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El hielo y la nieve reflejan mucha radiación (tienen un alto albedo), mientras que el océano absorbe gran cantidad de ella (tiene un albedo bajo), de forma que la desaparición de hielo marino descubre y expone el oscuro océano bajo él, causando la absorción de mucha más radiación. En general, la Tierra refleja aproximadamente el 30% de la radiación solar que recibe desde el espacio o, lo que es lo mismo, posee un albedo de 0,3. Pero si la superficie sólo absorbiese el restante 70%, todos estaríamos congelados, pues la temperatura media rondaría los 18ºC bajo cero. Esto no ocurre por la presencia de los gases de efecto invernadero, que provocan un calentamiento extra de otros 33ºC, permitiendo una temperatura media de 15ºC.
Recapitulando: la Tierra emite radiación en forma de calor, parte de la cual tiene la longitud de onda adecuada para ser absorbida por los gases atmosféricos que, a su vez, emiten radiación térmica, y un porcentaje de ella vuelve a la superficie de la Tierra. Pero, ¿cuáles son esos gases clave? Siempre se identifica al dióxido de carbono como el más importante, pero en realidad es el vapor de agua el que desempeña el papel clave dentro de la "capa". Otros gases importantes son el metano, el ozono y el óxido nitroso.
Debido a la forma esférica de la Tierra, llega más energía solar a las zonas situadas cerca de los trópicos que a las que se encuentran en latitudes mayores, donde la luz solar impacta en un ángulo inferior. La energía es transportada desde las zonas ecuatoriales a latitudes más altas a través de las circulaciones atmosféricas y oceánicas, incluyendo los sistemas de tormentas. También se requiere energía para evaporar el agua del mar o de la superficie de la Tierra, y esta energía, llamada calor latente, es liberada cuando el vapor de agua se condensa en las nubes (ver imagen abajo). La circulación atmosférica es impulsada principalmente por la liberación de este calor latente y es, a su vez, responsable de la circulación de los océanos a través de la acción de los vientos sobre las aguas superficiales y por medio de cambios en la temperatura de las mismas y de su salinidad, debido a la precipitación y a la evaporación.
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| Estimación del balance de energía anual y global de la Tierra. www.ipcc.ch |
Los patrones de circulación atmosférica, definidos por la rotación de la Tierra, tienden a ser más de este a oeste que de norte a sur. Incrustados en las latitudes medias, los vientos del oeste son sistemas meteorológicos a gran escala que transportan el calor hacia los polos. Estos sistemas meteorológicos migran, y son los famosos sistemas de bajas y altas presiones, con sus correspondientes frentes fríos y cálidos. A causa de las diferencias de temperatura tierra-océano y de los obstáculos tales como cadenas montañosas y capas de hielo, las ondas atmosféricas a escala planetaria del sistema de circulación suelen ser "ancladas" geográficamente por continentes y montañas, aunque su amplitud puede cambiar con el tiempo. Como consecuencia de los patrones de ondas, un invierno particularmente frío sobre América del Norte puede asociarse con un invierno más caliente de lo normal en otras partes del hemisferio. Los cambios en diversos aspectos del sistema climático, tales como el tamaño de las capas de hielo, el tipo y la distribución de la vegetación o las temperaturas de la atmósfera y el océano influyen en las circulaciones globales de la atmósfera y el océano.
Clima, sistema climático y "feedbacks"
Si se quiere entender el cambio climático es imprescindible comprender el clima. ¿Qué es? ¿Cómo se produce? ¿Cuál es la diferencia entre tiempo y clima? Empecemos por responder a esta última pregunta. El tiempo lo forman los elementos que vemos a diario, como la lluvia, la temperatura y el viento, que pueden variar hora a hora y día a día. El clima, sin embargo, es la variación del tiempo durante un período largo, clásicamente establecido en 30 años. Los científicos han sido capaces de definir las zonas climáticas de todo el mundo, para lo cual deben observar cómo la atmósfera interactúa con los océanos, las capas de hielo, las masas de tierra y la vegetación. Todas estas interacciones configuran un sistema climático. El Sol también conduce nuestro clima, pues su luz proporciona la energía que calienta el Planeta.
Para saber por qué cambia el clima es fundamental estudiarlo como un sistema formado por cinco componentes principales: atmósfera, hidrosfera (océanos, ríos, lagos y agua subterránea), biosfera (seres vivos y suelos), criosfera (capas de hielo, hielo marino y glaciares de montaña) y litosfera (superficie de la corteza terrestre). Si examinamos estos elementos detalladamente, descubriremos toda una serie de ciclos que actúan como enlaces activos, interacciones entre los componentes que alimentan el sistema climático. Existen múltiples ciclos naturales, pero un ejemplo realmente bueno que ilustra el acoplamiento entre componentes del sistema climático es el ciclo del agua. La radiación solar hace que el agua se evapore de la superficie de la hidrosfera y de la biosfera, formando vapor de agua que se condensa en la atmósfera, generando nubes. El agua regresa a la superficie posteriormente a través de precipitaciones (lluvias y nevadas), volviendo a la hidrosfera o a la criosfera. La luz del Sol también puede derretir la nieve y el hielo de la criosfera, o transformarlos directamente en vapor de agua mediante un proceso denominado sublimación. Este ciclo del agua está influenciado por una amplia variedad de factores que pueden ser modificados por la actividad humana.
Existen tres formas fundamentales por las que el balance de radiación de la Tierra puede variar: 1) cambiando la radiación solar entrante (por ejemplo, por los cambios en la órbita terrestre o en la solar), 2) cambiando la fracción de la radiación solar que es reflejada -albedo- (por ejemplo, por los cambios en la cubierta de nubes, partículas atmosféricas o vegetación), y 3) mediante la alteración de la radiación de onda larga desde la Tierra de vuelta al espacio (por ejemplo, cambiando las concentraciones de gases de efecto invernadero). El clima responde a este tipo de cambios a través de una gran variedad de mecanismos de retroalimentación.
Para determinar el estado climático de la Tierra resulta crucial la comprensión de las retroalimentaciones que operan en el sistema climático. Si tenemos en cuenta la dinámica del mismo, no podemos hablar sólo de una simple causa y efecto. Los ciclos que conectan los componentes del sistema climático también crean circuitos de retroalimentación, es decir, circuitos cerrados de causa y efecto. Un ejemplo simple de sistema de retroalimentación es el termostato que controla un sistema de calefacción central: cuando la temperatura es demasiado baja, la calefacción está encendida, calentando las cosas a su alrededor, y cuando se vuelve demasiado caliente, la caldera se apaga, enfriando de nuevo los objetos. Sin embargo, este feedback de ingeniería es mucho menos complejo que el sistema climático, en el que actúan múltiples reacciones para regular el clima hasta un estado en particular.
Existen tres feedbacks clave en la determinación del estado del sistema climático: retroalimentación del vapor de agua, retroalimentación del albedo del hielo y lo que llamaremos retroalimentación de la radiación. La evaporación se produce cuando la radiación solar calienta la superficie de los cuerpos de agua, transformando el líquido en gas y almacenándose en la atmósfera, como se dijo anteriormente. las moléculas de vapor de agua absorben radiación térmica procedente de la superficie terrestre, lo que las hace vibrar. Posteriormente reemiten esta radiación, parte de la cual vuelve a la superficie, lo que se traduce en un mayor calentamiento de la misma, provocando, a su vez, un mayor cantidad de evaporación en un proceso de amplificación que llamamos una retroalimentación positiva (positiva en un sentido puramente matemático, lo que no quiere decir que este feedback sea algo bueno). Así, si consideramos tres elementos, temperatura, evaporación y vapor de agua, notamos que si se incrementa la temperatura, aumenta la evaporación que, a su vez, aumenta la cantidad de vapor de agua. Esta subida del número de moléculas de vapor provoca una subida de la temperatura, que hace aumentar la evaporación de nuevo, y así sucesivamente.
El siguiente tipo de realimentación que tiene una influencia significativa en el sistema climático es la retroalimentación del albedo del hielo. Si tomamos una superficie de océano que está cubierto en su mayoría por el hielo marino , por ejemplo en el Ártico, gran parte de la radiación solar que alcanza la superficie se reflejará de nuevo hacia la atmósfera, pues el hielo tiene un elevado albedo. La superficie del océano, por otro lado, reflejará algo de radiación solar, pero tiende a absorber más de lo que refleja puesto que tiene un albedo bajo. De modo que si calentamos el sistema y se derrite hielo marino, vamos a tener aún un poco de reflexión desde el mar de hielo resultante. Pero donde se exponen aguas abiertas vamos a conseguir mucha más absorción de luz solar entrante que va al mar en forma de calor. Este calentamiento del océano derretirá más hielo del mar y así sucesivamente.
El último circuito de retroalimentación, y sin embargo el más importante para el funcionamiento del sistema climático es el feedback de la radiación, que representa un muy buen ejemplo de una retroalimentación negativa . Todos los objetos emiten radiación y, cuanto más caliente está un cuerpo, más radiación emite. Y cuando un cuerpo caliente emite radiación, se enfría. Es lo que ocurre, por ejemplo, cuando el carbón se calienta tanto que la radiación se hace visible para nosotros. Este fenómeno se conoce como el efecto Stefan Boltzmann o Planck feedback en honor a los físicos que primero lo describieron .
Próximamente veremos cómo ha cambiado el clima desde hace unos 4,5 billones de años.
