Tema 11 Cambio Climtico

May 28, 2001

Existen numerosas evidencias histricas y paleoclimticas de que los diferentesclimas de la Tierra no han sido constantes a lo largo de la historia de esta. El propioconcepto de clima como estado medio de la atmsfera a lo largo de un perodo detiempo suficientemente largo implica una escala temporal mucho mayor que loque sera la historia de la Tierra.Diversas evidencias histricas han demostrado la existencia de oscilaciones trmi-cas y de los dems elementos climticos, el optimo climtico medial o la pequeaedad del hielo en torno al siglo XVII, seran los mejores ejemplos.Han sido varias las hiptesis que se han apuntado para explicar este fenmeno, lasms relevantes son la que defenda la existencia de cambios cclicos en la actividadsolar (ciclos de manchas solares) o la, hoy en da aceptada, teora de Milankovitchque propugna la existencia de oscilaciones cclicas en los parmetros de la rbitade la Tierra como causa fundamental de las oscilaciones climticas.Los cambios climticos a escala global, pueden estudiarse a partir de las relacionesisotpicasO18O16 en el CaCO3 de las conchas de los organismos marinos o enel H2O de los testigos de hielo recogidos en los polos. En un perodo frio, crece laproporcin de O18 y en un perodo clido disminuye. Esto se debe a que el aguaevaporada de los oceanos es rica en O16 (ms ligero) y este agua se acumula enlos glaciares.

1 Evolucin trmica a lo largo de la historia de laTierra

Segn clculos realizados por la NASA, la tierra ha tenido siempre un clima mod-erado debido a un mecanismo cclico por el cual la cantidad de CO2 aumenta

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cuando la temperatura disminuye y se reduce cuando se incrementa la temper-atura. Marte estara helado por su incapacidad de desprender de nuevo este gas ala atmsfera, mientras que el problema de Vens sera la imposibilidad de elimi-narlo.Los modelos de evolucin estelar indican que cuando se form el sistema solarhace unos 4600 millones de aos, el sol era entre un 25 y un 30 % ms dbil,incrementndose desde entonces la intensidad de la radiacin solar.Si la atmsfera primigenia hubiese tenido la misma composicin que la actual,la tierra habraquedado cubierta de hielo hasta hace 2000 millones de aos, sinembargo se sabe que ha habido oceanos lquidos desde hace 3800 millones deaos.

Estos hechos fueron planteados hace unos 25 aos por C.Sagan que concluy quelacomposicin atmosfrica haba cambiado, la explicacin ms plausible es unefecto invernadero ms intenso en el pasado debido a una mayor cantidad de CO2en la atmsfera.El nivel de CO2 habra experimentado un lento descenso desde entonces lo quesupone un descenso del efecto invernadero que compens el progresivo incre-mento en la intensidad de la radiacin solar. Se ha demostrado que las variacionesde CO2 no fueron aleatorias sino que responden a variaciones experimentadas porla superficie terrestre directamente, concretamente a la proliferacin de algas ca-paces de obtener energa mediante fotosntesis y por tanto apaces de transformarel CO2 atmosfrico en O2.

2 Teora de Milankovitch

Esta gran tendencia climtica que abarca toda la historia de la Tierra se yuxtaponea comportamientos cclicos que actan a menor escala temporal, perodos mscortos, entre estos destacan los ciclos glaciales.Para explicar estas oscilaciones se ha estudiado la evolucin de la actividad solar,de los ciclos de manchas solares, pero no parecen que los cambios en la energaemitida por el sol sean lo suficientemente importantes como para introducir cam-bios en el clima terrestre de la magnitud de los observados.Entre las numerosas hiptesis para explicar los perodos glaciales, una de las msaceptadas es la teora de Milankovitch que afirma que las variaciones de una seriede magnitudes que rigen la rbita de la Tierra modifican el clima y alteran la can-tidad de energa que la tierra recibe, as como su distribucin espacial y temporal.

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Esta idea puede entenderse intuitivamente pensando en los ciclos diarios y anualesen los valores de los elementos climticos como oscilaciones debidas a variacionescclicas de la relacin Tierra-Sol a una escala temporal suficientemente grandecomo para que podamos percatarnos de ellas. Las alteraciones que, segn la teorade Milankovitch, explicaran las oscilacioes climticas a lo largo de millones deaos seran similares pero con ciclos mucho mayores.Se tratara de un tipo especfico de magnitudes que pueden considerarse parmet-ros (invariantes) a escala de siglos pero que pasan a ser variables a escala de de-cenas de miles de aos.La teora de Milankovitch se basa en tres magnitudes bsicas de la rbita de laTierra. Se trata de un tipo de magnitudes que pueden considerarse parmetros(invariantes) a escala de siglos pero que pasan a ser variables a escala de decenasde miles de aos. En concreto sufren variaciones cclicas a largo plazo debido a laatraccin gravitatoria de la luna y de los dems planetas.

oblicuidad: ngulo de inclinacin del eje de rotacin respecto al plano ter-restre (actualmente 23.5)). La oblicuidad vara entre 22.1 y 24.5 con unperodo de 40.000 aos. Al aumentar la inclinacin del eje terrestre, losinviernos se hacen ms frios y los veranos ms clidos.

Excentricidad: desviacin de la rbita respecto a una circunferencia perfecta(E=0),actualmente E=0.017. La excentricidad lo hace entre 0.005 y 0.06con un perodo de 100.000 aos. Cuanto mayor es la excentricidad, mayores la diferencia entre la mxima y la mnima distancia de la tierra al sol,lo que intensifica el efecto de la precesin. Por otra parte los cambios en laexcentricidad suponen variaciones del 0.3% en la insolacin global lo quemodificara la temperatura media en unas dcimas de grado.

Precesin: cambio en la direccin hacia la cual se dirige el eje de rotacin.Esta direccin forma una circunferencia. El eje terrestre describe una cir-cunferencia cada 26.000 aos. Los cambios en la precesin modifican lafecha del perihelio (momento en que la tierra se encuentra ms cerca delsol) lo que aumenta la intensidad de las estaciones en un hemisferio y lasdisminuye en el otro. Actualmente la fecha del perihelio (3 de Enero) inten-sifica las estaciones en el hemisferio Sur y las suaviza en el Norte.

Milankovitch mantena que la fuerza que impuls las glaciaciones no era la in-solacin total sino la insolacin en altas latitudes del hemisferio Norte durante elverano cuyas variaciones pueden llegar a ser del 20% en funcin de los valoresque adopten oblicuidad, excentricidad y precesin.

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Parece que lo fundamental para el inicio de un perodo glacial no es la nieve acu-mulada durante el invierno sino la conservada durante el verano. Si en el veranodel hemisferio Norte se recibe menos radiacin de la normal la nieve tiende aconservarse en verano y a transformarse en hielo al comprimirse. En cambio sidisminuye la radiacin recibida, en verano se fundir toda la nieve cada en elinvierno anterior.Por otro lado los casquetes glaciares slo pueden desarrollarse sobre continentes,y slo en el hemisferio Norte hay una importante extensin continental a todas laslatitudes.Se han utilizado modelos climticos distribuidos de balance energtico para es-tudiar como las variaciones en la insolacin establecidas por la teora de Mi-lankovitch pueden generar ciclos glaciares. Las conclusiones fueron:

la importancia decisiva del balance energtico en altas latitudes del hem-isferio Norte, bastan pequeas variaciones en la insolacin recibida paraprovocar glaciaciones generalizadas la,

el ciclo de 100.000 aos (debido a la exentricidad) es el ms importantea pesar de que lasvariaciones en la precesin y oblicuidad tienen mayorrepercusin sobre la insolacin recibida.

La solucin a esta ltima paradoja, est en la hipteisis de un ciclo de oscilacinpropio del sistema climtico terrestre (independiente de las oscilaciones de la r-bita) de 100.000 aos con lo que aparecera un efecto de resonancia.

3 Realimentacin de las alteraciones y transmisinal hemisferio Sur

A pesar de la importancia fundamental que se ha otorgado al hemisferio Nortecomo generador de las oscilaciones climticas, se ha comprobado la existencia deciclos similares en el hemisferio Sur. La hiptesis que mejor parece explicar laexistencia de estas similitudes es la actividad del mar.El estudio de los testigos de hielo groenlandeses y antrticos revel que durantela ltima glaciacin el nivel de CO2 atmosfrico era 2/3 del actual lo que implicaun clima ms fro y aparentemente no existe una relacin directa con la existenciade ms o menos hielo en los casquetes polares.La cantidad de CO2 atmosfrico depende en ltima instancia del nivel en la super-ficie ocenica que, a su vez, depende de la actividad biolgica de las algas verdes

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en la superficie ocenica que capturan CO2 para formar parte de sus tejidos. EsteCO2 desciende a las profundidades cuando mueren y all la descomposicin bac-teriana libera de nuevo CO2 que ascender por mezcla de las aguas profundas conlas superficiales. Si esta mezcla se ralentiza, el agua superficial se empobrecer enCO2 con lo que a su vez disminuir el CO2 atmosfrico.Estos mecanismos de redistribucin son bastante complejos y tienen otras dosconsecuencias:

Heterogeneidad en el contenido de nutrientes en los diferentes fondos oceni-cos del planeta. Las aguas profundas del Atlntico contienen slo la mitadde nutrientes que las aguas profundas del Pacfico y el Indico, lo que revelaun recorrido del agua cerca de la superficie atlntica que la empobrece denutrientes debido a la actividad biolgica (los seres vivos en la superficiemarinase alimentan de estos nutrientes). Aporte de calor hacia latitudes altas.

A partir del registro fsil ocenico se descubri que el contenido en nutrientesdel fondo ocenico era mucho ms homogeneo en la ltima glaciacin lo que in-dica que el mecanismo de redistribucin de agua no funcionaba lo que tuvo comoefectos fundamentales unos inviernos mucho ms frios en Europa occidental yuna disminucin de la mezcla de aguas superficiales y ocenicas que conlleva unmenor aporte de CO2 desde el oceano a la atmsfera y un menor efecto inver-nadero que se extendera a todo el planeta.El inicio de la glaciacin en el hemisferio Norte por mecanismos basados en lateora de Milankovitch parece generar un cambio en la circulacin ocenica quecontribuye en primer lugar a una reduccin de temperatura en todo el planeta(descendo del aporte de CO2 a la atmsfera) y en segundo lugar a crear un efectode retroalimentacin en la glaciacin del hemisferio Norte (cese del aporte decalor tanto por parte del oceano cmo por parte de la atmsfera en el hemisferioNorte).Un nuevo cambio en los parmetros de la rbita terrestre conllevara la desapari-cin de estas condiciones y la reaceleracin de los mecanismos ocenicos con loque se dara por terminado el perodo glaciar de forma brusca. Las transiciones en-tre condiciones glaciares e interglaciares parecen responder por tanto a dos modosde comportamiento estables pero muy diferentes del sistema oceano-atmsfera(dos atractores diferentes segn la teora del caos).

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4 Comprobacin de la teora de Milankovitch condatos empricos

La teora de Milankovitch, planteada a principios del siglo XX no fue aceptadahasta que en la segunda mitad del siglo pasado, las diversas evidencias paleo-climticas mostraron una fuerte correlacin entre las oscilaciones climticas de-ducida a partir de los ciclos de Milankovitch y las temeperaturas estimadas a partirde las variaciones en la composicin isotpica en los testigos ocenicos y de hielo.La serie construida de este modo muestra unas fluctuaciones que siguen de formabastanteregular un ciclo de 100.000 aos con unos mximos en forma de dientede sierra que muestran como los hielos tardan mucho ms en formarse que endesaparecer.Respecto al cambio climtico actual, existe un hecho reconocido: un incrementoconstante de la concentracin atmosfrica de gases capaces de acumular energade longitud de onda larga (calor) debido a la actividad humana. Esto supone unaumento en el porcentaje de energa absorbida por la atmsfera y un descenso dela que se elimina al espacio. El resultado es un desequilibrio energtico que debecompensarse aumentando la capacidad de emisin de energa por parte del sistemaTierra-Atmsfera, para ello segn la ley de Stefan es necesario un aumento de latemperatura.Adems de este planteamiento terico, existen diversas evidencias como:

Reduccin de la extensin del hielo de los mares rtico y antrtico en in-vierno

Retroceso de glaciares continentales Aumento de la temperatura de los lagos Disminucin de la profundidad del permafrost

Por otra parte el estudio de testigos de hielo que permiten establecer las varia-ciones tanto en la temperatura como en la composicin de la atmsfera, muestranuna clara corelacin entre CO2, metano y temperatura. Sin embargo las varia-ciones de temperatura resultan ser entre 5 y 14 veces ms importantes que lo quecabra esperar por los cambios en la concentracin de CO2. Esto sugiere la exis-tencia de otros procesos de realimentacin positiva.Un ejemplo de este tipo de procesos es que podemos suponer que el calentamientova a suponer una aceleracin del ciclo hidrolgico y por tanto mayor humedad en

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la mayor parte del planeta. Este incremento en la temperatura y la humedad se tra-ducira, entre otras cosas, en un incremento de los procesos de biodegradacin dela materia orgnica que producen CO2 (condiciones aerobias) y metano (condi-ciones anaerobias).No se sabe con certeza si el sistema terrestre ser capaz de absorber unas al-teraciones tan rpidas o si, por el contrario llegar a sufrir cambios catastrficosirecuperables. Las alteraciones se estn produciendo a un ritmo mucho mayor queotras anteriores en la historia de la Tierra. En todo caso las consecuencias puedenser bastante graves sobre la actividad humana cuya capacidad productiva puedeverse seriamente comprometida.Adems el problema real no va a ser el aumento de temperatura medio sino lasmodificaciones que este puede tener sobre la circulacin general atmosfrica y,de este modo, sobre los factores meteorolgicos en todo el planeta. El mosaicoclimtico planetario puede de este modo modificarse totalmente con lo que eco-sistemas y sociedades se encontrarn inadaptados a la nueva situacin.

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