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Amplificación polar

Tendencia de temperatura del GISS de la NASA 2000-2009, que muestra una fuerte amplificación ártica

La amplificación polar es el fenómeno por el cual cualquier cambio en el balance neto de radiación (por ejemplo, la intensificación del efecto invernadero) tiende a producir un cambio mayor en la temperatura cerca de los polos que en el promedio planetario. [1] Esto se conoce comúnmente como la relación entre el calentamiento polar y el calentamiento tropical. En un planeta con una atmósfera que puede restringir la emisión de radiación de onda larga al espacio (un efecto invernadero ), las temperaturas de la superficie serán más cálidas de lo que predeciría un simple cálculo de temperatura de equilibrio planetario . Donde la atmósfera o un océano extenso es capaz de transportar calor hacia los polos, los polos serán más cálidos y las regiones ecuatoriales más frías de lo que predecirían sus balances netos de radiación locales. [2] Los polos experimentarán el mayor enfriamiento cuando la temperatura media global sea menor en relación con un clima de referencia; alternativamente, los polos experimentarán el mayor calentamiento cuando la temperatura media global sea mayor. [1]

En casos extremos, se cree que el planeta Venus ha experimentado un aumento muy grande del efecto invernadero a lo largo de su vida, [3] tanto que sus polos se han calentado lo suficiente como para hacer que su temperatura superficial sea efectivamente isotérmica (no hay diferencia entre los polos y el ecuador). [4] [5] En la Tierra , el vapor de agua y los gases traza proporcionan un efecto invernadero menor, y la atmósfera y los océanos extensos proporcionan un transporte de calor eficiente hacia los polos. Tanto los cambios paleoclimáticos como los cambios recientes del calentamiento global han exhibido una fuerte amplificación polar, como se describe a continuación.

La amplificación ártica es la amplificación polar únicamente del Polo Norte de la Tierra ; la amplificación antártica es la del Polo Sur .

Historia

En 1969, Mikhail Budyko publicó un estudio basado en observaciones relacionado con la amplificación del Ártico , [6] y la conclusión del estudio se ha resumido como "La pérdida de hielo marino afecta las temperaturas del Ártico a través de la retroalimentación del albedo de la superficie". [7] [8] El mismo año, William D. Sellers publicó un modelo similar . [9] Ambos estudios atrajeron una atención significativa ya que insinuaron la posibilidad de una retroalimentación positiva descontrolada dentro del sistema climático global. [10] En 1975, Manabe y Wetherald publicaron el primer modelo de circulación general algo plausible que analizó los efectos de un aumento de los gases de efecto invernadero . Aunque se limitaba a menos de un tercio del globo, con un océano "pantanoso" y solo superficie terrestre en latitudes altas, mostró un calentamiento del Ártico más rápido que los trópicos (como lo han hecho todos los modelos posteriores). [11]

Amplificación

Mecanismos amplificadores

Las retroalimentaciones asociadas con el hielo marino y la cubierta de nieve se citan ampliamente como una de las principales causas de la amplificación polar terrestre. [12] [13] [14] Estas retroalimentaciones se notan particularmente en la amplificación polar local, [15] aunque trabajos recientes han demostrado que la retroalimentación de la tasa de disminución es probablemente igualmente importante que la retroalimentación del albedo del hielo para la amplificación del Ártico. [16] Apoyando esta idea, la amplificación a gran escala también se observa en mundos modelo sin hielo ni nieve. [17] Parece surgir tanto de una intensificación (posiblemente transitoria) del transporte de calor hacia los polos como más directamente de los cambios en el balance de radiación neta local. [17] El balance de radiación local es crucial porque una disminución general en la radiación de onda larga saliente producirá un aumento relativo mayor en la radiación neta cerca de los polos que cerca del ecuador. [16] Por lo tanto, entre la retroalimentación de la tasa de disminución y los cambios en el balance de radiación local, gran parte de la amplificación polar puede atribuirse a cambios en la radiación de onda larga saliente. [15] [18] Esto es especialmente cierto en el Ártico, mientras que el terreno elevado de la Antártida limita la influencia de la retroalimentación del gradiente térmico. [16] [19]

Algunos ejemplos de retroalimentaciones del sistema climático que se cree que contribuyen a la reciente amplificación polar incluyen la reducción de la cubierta de nieve y hielo marino , cambios en la circulación atmosférica y oceánica, la presencia de hollín antropogénico en el entorno del Ártico y aumentos en la cubierta de nubes y vapor de agua. [13] El forzamiento del CO 2 también se ha atribuido a la amplificación polar. [20] La mayoría de los estudios relacionan los cambios en el hielo marino con la amplificación polar. [13] Tanto la extensión como el espesor del hielo afectan la amplificación polar. Los modelos climáticos con una extensión de hielo marino de referencia más pequeña y una cobertura de hielo marino más delgada muestran una amplificación polar más fuerte. [21] Algunos modelos del clima moderno muestran una amplificación del Ártico sin cambios en la cubierta de nieve y hielo. [22]

Los procesos individuales que contribuyen al calentamiento polar son fundamentales para comprender la sensibilidad climática . [23] El calentamiento polar también afecta a muchos ecosistemas, incluidos los ecosistemas marinos y terrestres, los sistemas climáticos y las poblaciones humanas. [20] La amplificación polar está impulsada en gran medida por procesos polares locales con casi ningún forzamiento remoto, mientras que el calentamiento polar está regulado por el forzamiento tropical y de latitudes medias. [24] Estos impactos de la amplificación polar han llevado a una investigación continua de cara al calentamiento global.

Circulación oceánica

Se ha estimado que el 70% de la energía eólica global se transfiere al océano y tiene lugar dentro de la Corriente Circumpolar Antártica (ACC). [25] Finalmente, el afloramiento debido a la tensión del viento transporta aguas frías de la Antártida a través de la corriente superficial del Atlántico , mientras las calienta sobre el ecuador y hacia el entorno del Ártico. Esto se nota especialmente en latitudes altas. [21] Por lo tanto, el calentamiento en el Ártico depende de la eficiencia del transporte oceánico global y juega un papel en el efecto de balancín polar. [25]

La disminución del oxígeno y el bajo pH durante La Niña son procesos que se correlacionan con una menor producción primaria y un flujo más pronunciado de corrientes oceánicas hacia los polos. [26] Se ha propuesto que el mecanismo de aumento de las anomalías de la temperatura del aire en la superficie del Ártico durante los períodos de La Niña de ENSO puede atribuirse al Mecanismo de Calentamiento Ártico Tropicalmente Excitado (TEAM), cuando las ondas de Rossby se propagan más hacia los polos, lo que conduce a la dinámica de las olas y a un aumento de la radiación infrarroja descendente. [1] [27]

Factor de amplificación

La amplificación polar se cuantifica en términos de un factor de amplificación polar , generalmente definido como la relación entre algún cambio en una temperatura polar y un cambio correspondiente en una temperatura promedio más amplia:

  ,

donde es un cambio en la temperatura polar y es, por ejemplo, un cambio correspondiente en una temperatura media global.  

Las implementaciones comunes [28] [29] definen los cambios de temperatura directamente como las anomalías en la temperatura del aire de la superficie en relación con un intervalo de referencia reciente (normalmente 30 años). Otros han utilizado la relación de las variaciones de la temperatura del aire de la superficie a lo largo de un intervalo extendido. [30]

Fase de amplificación

Las tendencias de temperatura en la Antártida Occidental (izquierda) han superado ampliamente el promedio mundial; las de la Antártida Oriental, no tanto.

Se observa que el calentamiento del Ártico y la Antártida generalmente se produce desfasado debido al forzamiento orbital , lo que da lugar al llamado efecto de balancín polar . [31]

Amplificación polar del paleoclima

Los ciclos glaciales/ interglaciales del Pleistoceno proporcionan una amplia evidencia paleoclimática de amplificación polar, tanto en el Ártico como en la Antártida. [29] En particular, el aumento de temperatura desde el último máximo glacial hace 20.000 años proporciona una imagen clara. Los registros de temperatura indirecta del Ártico ( Groenlandia ) y de la Antártida indican factores de amplificación polar del orden de 2,0. [29]

Reciente amplificación del Ártico

La superficie oscura del océano refleja sólo el 6 por ciento de la radiación solar entrante, mientras que el hielo marino refleja entre el 50 y el 70 por ciento. [32]

Los mecanismos sugeridos que conducen a la amplificación observada en el Ártico incluyen la disminución del hielo marino del Ártico ( el agua abierta refleja menos luz solar que el hielo marino ), el transporte de calor atmosférico desde el ecuador hasta el Ártico [33] y la retroalimentación de la tasa de disminución [16] .

Históricamente se ha descrito que el Ártico se está calentando dos veces más rápido que el promedio mundial, [34] pero esta estimación se basó en observaciones más antiguas que no captaron la aceleración más reciente. Para 2021, había suficientes datos disponibles para mostrar que el Ártico se había calentado tres veces más rápido que el mundo: 3,1 °C entre 1971 y 2019, en comparación con el calentamiento global de 1 °C durante el mismo período. [35] Además, esta estimación define el Ártico como todo lo que está por encima del paralelo 60 norte , o un tercio completo del hemisferio norte: en 2021-2022, se encontró que desde 1979, el calentamiento dentro del propio Círculo Polar Ártico (por encima del paralelo 66) ha sido casi cuatro veces más rápido que el promedio mundial. [36] [37] Dentro del Círculo Polar Ártico, se produce una amplificación aún mayor en la zona del mar de Barents , con puntos calientes alrededor de la corriente de Spitsbergen occidental : las estaciones meteorológicas ubicadas en su trayectoria registran un calentamiento decenal hasta siete veces más rápido que el promedio mundial. [38] [39] Esto ha alimentado las preocupaciones de que, a diferencia del resto del hielo marino del Ártico, la cubierta de hielo en el mar de Barents puede desaparecer permanentemente incluso alrededor de 1,5 grados de calentamiento global. [40] [41]

La aceleración de la amplificación del Ártico no ha sido lineal: un análisis de 2022 encontró que ocurrió en dos pasos bruscos, el primero alrededor de 1986 y el segundo después de 2000. [42] La primera aceleración se atribuye al aumento del forzamiento radiativo antropogénico en la región, que a su vez probablemente esté relacionado con las reducciones en la contaminación por aerosoles de azufre estratosférico en Europa en la década de 1980 para combatir la lluvia ácida . Dado que los aerosoles de sulfato tienen un efecto refrescante, es probable que su ausencia haya aumentado las temperaturas del Ártico hasta en 0,5 grados Celsius. [43] [44] La segunda aceleración no tiene una causa conocida, [35] por lo que no apareció en ningún modelo climático. Es probable que sea un ejemplo de variabilidad natural multidecadal, como el vínculo sugerido entre las temperaturas del Ártico y la Oscilación Multidecadal Atlántica (AMO), [45] en cuyo caso se puede esperar que se revierta en el futuro. Sin embargo, incluso el primer aumento en la amplificación del Ártico solo fue simulado con precisión por una fracción de los modelos CMIP6 actuales . [42]

Posibles impactos en el clima de latitudes medias

Desde principios de la década de 2000, los modelos climáticos han identificado consistentemente que el calentamiento global empujará gradualmente las corrientes en chorro hacia los polos. En 2008, esto fue confirmado por evidencia observacional, que demostró que de 1979 a 2001, la corriente en chorro del norte se movió hacia el norte a una tasa promedio de 2,01 kilómetros (1,25 millas) por año, con una tendencia similar en la corriente en chorro del hemisferio sur . [46] [47] Los científicos del clima han planteado la hipótesis de que la corriente en chorro también se debilitará gradualmente como resultado del calentamiento global . Tendencias como la disminución del hielo marino del Ártico , la reducción de la cubierta de nieve, los patrones de evapotranspiración y otras anomalías climáticas han hecho que el Ártico se caliente más rápido que otras partes del mundo, en lo que se conoce como la amplificación del Ártico. En 2021-2022, se descubrió que desde 1979, el calentamiento dentro del Círculo Polar Ártico ha sido casi cuatro veces más rápido que el promedio mundial, [48] [49] y algunos puntos críticos en el área del Mar de Barents se calentaron hasta siete veces más rápido que el promedio mundial. [50] [51] Si bien el Ártico sigue siendo uno de los lugares más fríos de la Tierra en la actualidad, el gradiente de temperatura entre él y las partes más cálidas del globo seguirá disminuyendo con cada década de calentamiento global como resultado de esta amplificación. Si este gradiente tiene una fuerte influencia en la corriente en chorro, entonces eventualmente se debilitará y será más variable en su curso, lo que permitiría que más aire frío del vórtice polar se filtre a latitudes medias y ralentice la progresión de las ondas de Rossby , lo que conduciría a un clima más persistente y más extremo .

La hipótesis anterior está estrechamente relacionada con Jennifer Francis , quien la propuso por primera vez en un artículo de 2012 coescrito con Stephen J. Vavrus. [52] Si bien algunas reconstrucciones paleoclimáticas han sugerido que el vórtice polar se vuelve más variable y causa un clima más inestable durante los períodos de calentamiento en 1997, [53] esto fue contradicho por el modelado climático, con simulaciones PMIP2 que encontraron en 2010 que la oscilación del Ártico era mucho más débil y más negativa durante el Último Máximo Glacial , y sugirieron que los períodos más cálidos tienen una AO de fase positiva más fuerte y, por lo tanto, fugas menos frecuentes del aire del vórtice polar. [54] Sin embargo, una revisión de 2012 en el Journal of the Atmospheric Sciences señaló que "ha habido un cambio significativo en el estado medio del vórtice durante el siglo XXI, lo que resulta en un vórtice más débil y más perturbado", [55] lo que contradecía los resultados del modelo pero se ajustaba a la hipótesis de Francis-Vavrus. Además, un estudio de 2013 señaló que el CMIP5 vigente en ese momento tendía a subestimar fuertemente las tendencias de bloqueo invernal, [56] y otras investigaciones de 2012 habían sugerido una conexión entre la disminución del hielo marino del Ártico y las fuertes nevadas durante los inviernos de latitudes medias. [57]

En 2013, una investigación posterior de Francis relacionó las reducciones en el hielo marino del Ártico con el clima extremo de verano en las latitudes medias del norte, [58] mientras que otra investigación de ese año identificó vínculos potenciales entre las tendencias del hielo marino del Ártico y precipitaciones más extremas en el verano europeo. [59] En ese momento, también se sugirió que esta conexión entre la amplificación del Ártico y los patrones de corrientes en chorro estuvo involucrada en la formación del huracán Sandy [60] y jugó un papel en la ola de frío de principios de 2014 en América del Norte . [61] [62] En 2015, el siguiente estudio de Francis concluyó que los patrones de corrientes en chorro altamente amplificados están ocurriendo con mayor frecuencia en las últimas dos décadas. Por lo tanto, las continuas emisiones que atrapan el calor favorecen una mayor formación de eventos extremos causados ​​por condiciones climáticas prolongadas. [63]

Estudios publicados en 2017 y 2018 identificaron patrones de estancamiento de las ondas de Rossby en la corriente en chorro del hemisferio norte como los culpables de otros eventos climáticos extremos casi estacionarios, como la ola de calor europea de 2018 , la ola de calor europea de 2003 , la ola de calor rusa de 2010 o las inundaciones de Pakistán de 2010 , y sugirieron que todos estos patrones estaban conectados a la amplificación del Ártico. [64] [65] El trabajo posterior de Francis y Vavrus ese año sugirió que el calentamiento amplificado del Ártico se observa como más fuerte en las áreas atmosféricas más bajas porque el proceso de expansión del aire más cálido aumenta los niveles de presión, lo que disminuye los gradientes de altura geopotencial hacia los polos. Como estos gradientes son la razón que causa los vientos de oeste a este a través de la relación del viento térmico, las velocidades decrecientes generalmente se encuentran al sur de las áreas con aumentos geopotenciales. [66] En 2017, Francis explicó sus hallazgos a la revista Scientific American : "Los grandes cambios en la corriente en chorro están transportando mucho más vapor de agua hacia el norte. Eso es importante porque el vapor de agua es un gas de efecto invernadero, al igual que el dióxido de carbono y el metano. Atrapa el calor en la atmósfera. Ese vapor también se condensa en forma de gotitas que conocemos como nubes, que a su vez atrapan más calor. El vapor es una parte importante de la historia de la amplificación, una de las principales razones por las que el Ártico se está calentando más rápido que cualquier otro lugar". [67]

En un estudio de 2017 realizado por el climatólogo Judah Cohen y varios de sus asociados de investigación, Cohen escribió que "[el] cambio en los estados del vórtice polar puede explicar la mayoría de las tendencias recientes de enfriamiento invernal en las latitudes medias de Eurasia". [68] Un artículo de 2018 de Vavrus y otros vinculó la amplificación del Ártico con extremos cálidos y secos más persistentes durante los veranos de latitudes medias, así como el enfriamiento continental invernal de latitudes medias. [69] Otro artículo de 2017 estimó que cuando el Ártico experimenta un calentamiento anómalo, la producción primaria en América del Norte disminuye entre un 1% y un 4% en promedio, y algunos estados sufren pérdidas de hasta un 20%. [70] Un estudio de 2021 encontró que una interrupción del vórtice polar estratosférico está relacionada con el clima invernal extremadamente frío en partes de Asia y América del Norte, incluida la ola de frío norteamericana de febrero de 2021 . [71] [72] Otro estudio de 2021 identificó una conexión entre la pérdida de hielo marino del Ártico y el aumento del tamaño de los incendios forestales en el oeste de los Estados Unidos . [73]

Sin embargo, debido a que las observaciones específicas se consideran observaciones de corto plazo, existe una considerable incertidumbre en las conclusiones. Las observaciones climatológicas requieren varias décadas para distinguir definitivamente varias formas de variabilidad natural de las tendencias climáticas. [74] Este punto fue enfatizado por revisiones en 2013 [75] y en 2017. [76] Un estudio en 2014 concluyó que la amplificación del Ártico redujo significativamente la variabilidad de la temperatura de la estación fría en el hemisferio norte en las últimas décadas. El aire frío del Ártico se introduce en las latitudes bajas más cálidas más rápidamente hoy en día durante el otoño y el invierno, una tendencia que se proyecta que continuará en el futuro excepto durante el verano, lo que pone en duda si los inviernos traerán más extremos fríos. [77] Un análisis de 2019 de un conjunto de datos recopilados de 35 182 estaciones meteorológicas en todo el mundo, incluidas 9116 cuyos registros superan los 50 años, encontró una marcada disminución en las olas de frío en las latitudes medias del norte desde la década de 1980. [78]

Además, una serie de datos de observación a largo plazo recopilados durante la década de 2010 y publicados en 2020 sugieren que la intensificación de la amplificación del Ártico desde principios de la década de 2010 no estuvo vinculada a cambios significativos en los patrones atmosféricos de latitudes medias. [79] [80] La investigación de modelado de vanguardia de PAMIP (Proyecto de intercomparación de modelos de amplificación polar) mejoró los hallazgos de 2010 de PMIP2; encontró que la disminución del hielo marino debilitaría la corriente en chorro y aumentaría la probabilidad de bloqueo atmosférico, pero la conexión era muy menor y, por lo general, insignificante al lado de la variabilidad interanual. [81] [82] En 2022, un estudio de seguimiento encontró que, si bien el promedio de PAMIP probablemente había subestimado el debilitamiento causado por la disminución del hielo marino entre 1,2 y 3 veces, incluso la conexión corregida todavía representa solo el 10% de la variabilidad natural de la corriente en chorro. [83]

Además, un estudio de 2021 descubrió que, si bien las corrientes en chorro se habían movido lentamente hacia los polos desde 1960, como lo predijeron los modelos, no se debilitaron, a pesar de un pequeño aumento en la ondulación. [84] Un nuevo análisis de 2022 de los datos de observación de aeronaves recopilados durante 2002-2020 sugirió que la corriente en chorro del Atlántico Norte en realidad se había fortalecido. [85] Finalmente, un estudio de 2021 pudo reconstruir los patrones de corrientes en chorro durante los últimos 1250 años basándose en núcleos de hielo de Groenlandia , y descubrió que todos los cambios observados recientemente permanecen dentro del rango de variabilidad natural: el momento probable más temprano de divergencia es en 2060, bajo la Trayectoria de Concentración Representativa 8.5, lo que implica una aceleración continua de las emisiones de gases de efecto invernadero. [86]

Véase también

Referencias

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