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Comentarios en la nube

Atribución de las contribuciones de los componentes atmosféricos individuales al efecto invernadero , separadas en categorías de retroalimentación y forzamiento (NASA)

La retroalimentación de las nubes es un tipo de retroalimentación del cambio climático que ha sido difícil de cuantificar en modelos climáticos . Las nubes pueden amplificar o amortiguar los efectos del cambio climático al influir en el equilibrio energético de la Tierra . Esto se debe a que las nubes pueden afectar la magnitud del cambio climático resultante de los forzamientos radiativos externos . [1] Por otro lado, las nubes pueden afectar la magnitud de la variabilidad climática generada internamente. [2] [3] Los modelos climáticos representan las nubes de diferentes maneras, y pequeños cambios en la cobertura de nubes en los modelos tienen un gran impacto en el clima pronosticado. [4] [5] Los cambios en la cobertura de nubes están estrechamente relacionados con otras retroalimentaciones, incluida la retroalimentación del vapor de agua y la retroalimentación del albedo del hielo .

Se espera que el cambio climático cambie la distribución y el tipo de nubes. Esto puede estar relacionado con "el espectro de tipos de nubes, la fracción y altura de las nubes, las propiedades radiativas de las nubes y, finalmente, el presupuesto de radiación de la Tierra". [6] : 2224  Si aumenta la nubosidad, se reflejará más luz solar hacia el espacio, enfriando el planeta. Si las nubes se vuelven más altas y más delgadas, actúan como un aislante, reflejando el calor desde abajo hacia abajo y calentando el planeta. [7]

Vistas desde abajo, las nubes emiten radiación infrarroja a la superficie y, por tanto, ejercen un efecto de calentamiento. Pero vistas desde arriba, las nubes reflejan la luz del sol y emiten radiación infrarroja al espacio, ejerciendo así un efecto refrescante. [8] Las diferencias en el modelado de nubes de la capa límite planetaria pueden dar lugar a grandes diferencias en los valores calculados de sensibilidad climática . Un modelo que reduce las nubes de la capa límite en respuesta al calentamiento global tiene una sensibilidad climática dos veces mayor que la de un modelo que no incluye esta retroalimentación . [9] Sin embargo, los datos satelitales muestran que el espesor óptico de las nubes en realidad aumenta con el aumento de la temperatura. [10] Que el efecto neto sea de calentamiento o de enfriamiento depende de detalles como el tipo y la altitud de la nube; Detalles que son difíciles de representar en modelos climáticos.

En preparación para el Sexto Informe de Evaluación del IPCC de 2021 , grupos científicos de todo el mundo han desarrollado una nueva generación de modelos climáticos. [11] [12] La sensibilidad climática promedio estimada ha aumentado en la Fase 6 del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP6) en comparación con la generación anterior. Los valores oscilan entre 1,8 y 5,6 °C (3,2 a 10,1 °F) en 27 modelos climáticos globales . [13] [14] La causa del aumento de la sensibilidad climática de equilibrio (ECS) radica principalmente en la mejora del modelado de las nubes. Ahora se cree que los aumentos de temperatura causan disminuciones más pronunciadas en el número de nubes bajas, y menos nubes bajas significan que el planeta absorbe más luz solar y se refleja menos al espacio. [13] [15] [16]

Definición

Según el Sexto Informe de Evaluación del IPCC , la retroalimentación de las nubes es "una retroalimentación climática que implica cambios en cualquiera de las propiedades de las nubes como respuesta a un cambio en la temperatura superficial local o global". [6] : 2224 

Los cambios en el clima pueden "afectar el espectro de tipos de nubes, la fracción y altura de las nubes, las propiedades radiativas de las nubes y, finalmente, el presupuesto de radiación de la Tierra". [6] : 2224  Todos estos factores tienen un impacto en la magnitud de la retroalimentación de la nube y en si es positiva (amplificadora) o negativa (reductora).

Mecanismos

Como parte de otras reacciones sobre el cambio climático

Ejemplos de algunos efectos del calentamiento global que pueden amplificar ( retroalimentación positiva ) o reducir ( retroalimentación negativa ) el calentamiento global [17] [18] Las observaciones y los estudios de modelización indican que existe una retroalimentación positiva neta para el calentamiento global actual de la Tierra. [19]

Se espera que el calentamiento global cambie la distribución y el tipo de nubes. Vistas desde abajo, las nubes emiten radiación infrarroja hacia la superficie y, por tanto, ejercen un efecto de calentamiento; Vistas desde arriba, las nubes reflejan la luz solar y emiten radiación infrarroja al espacio, ejerciendo así un efecto refrescante. Que el efecto neto sea de calentamiento o de enfriamiento depende de detalles como el tipo y la altitud de la nube. Las nubes bajas son más brillantes y ópticamente más gruesas, mientras que las nubes altas son ópticamente delgadas (transparentes) en el IR visible y atrapan. La reducción de las nubes bajas tiende a aumentar la radiación solar entrante y, por lo tanto, tiene una retroalimentación positiva, mientras que una reducción de las nubes altas (ya que en su mayoría solo atrapan los infrarrojos) daría como resultado una retroalimentación negativa . Estos detalles fueron mal observados antes de la llegada de los datos satelitales y son difíciles de representar en modelos climáticos. [20] Los modelos climáticos globales mostraban una retroalimentación neta positiva de las nubes cercana a cero a moderadamente fuerte, pero la sensibilidad climática efectiva ha aumentado sustancialmente en la última generación de modelos climáticos globales. Las diferencias en la representación física de las nubes en los modelos impulsan esta mayor sensibilidad climática en relación con la generación anterior de modelos. [21] [22] [23]

Una simulación de 2019 predice que si los gases de efecto invernadero alcanzan tres veces el nivel actual de dióxido de carbono atmosférico, las nubes estratocúmulos podrían dispersarse abruptamente, contribuyendo a un calentamiento global adicional. [24] [25]

Papel de los aerosoles

La medida en que los factores físicos en la atmósfera o en la tierra afectan el cambio climático , incluido el enfriamiento proporcionado por los aerosoles de sulfato y la atenuación que causan. La gran barra de error muestra que todavía quedan importantes incertidumbres sin resolver.

Los aerosoles atmosféricos —partículas finas suspendidas en el aire— afectan la formación y las propiedades de las nubes, lo que también altera su impacto en el clima. Si bien algunos aerosoles, como las partículas de carbón negro , oscurecen las nubes y contribuyen así al calentamiento, [26] con diferencia el efecto más fuerte proviene de los sulfatos , que aumentan el número de gotas de las nubes, haciendo que las nubes sean más reflectantes y ayudándolas a enfriarse. el clima más. Esto se conoce como efecto aerosol directo ; sin embargo, los aerosoles también tienen un efecto indirecto en la trayectoria del agua líquida , y determinarlo implica cálculos continuos y pesados ​​de evaporación y condensación dentro de las nubes. Los modelos climáticos generalmente suponen que los aerosoles aumentan el recorrido del agua líquida, lo que hace que las nubes sean aún más reflectantes. [27] Sin embargo, las observaciones satelitales tomadas en la década de 2010 sugirieron que los aerosoles disminuyeron la trayectoria del agua líquida, y en 2018, esto se reprodujo en un modelo que integraba una microfísica de nubes más compleja. [28] Sin embargo, una investigación de 2019 encontró que las observaciones satelitales anteriores estaban sesgadas al no tener en cuenta que las nubes más gruesas y con mayor contenido de agua naturalmente llueve más y arrojan más partículas: se observó un enfriamiento de aerosoles muy fuerte al comparar nubes del mismo espesor. [29]

Además, las observaciones a gran escala pueden verse confundidas por cambios en otros factores atmosféricos, como la humedad: es decir, se descubrió que, si bien las mejoras en la calidad del aire posteriores a 1980 habrían reducido el número de nubes sobre la costa este de los Estados Unidos en aproximadamente un 20 %, esto fue compensado por el aumento de la humedad relativa causado por la respuesta atmosférica a la desaceleración de AMOC . [30] De manera similar, si bien la investigación inicial que analizó los sulfatos de la erupción de Bárðarbunga de 2014-2015 encontró que no causaron ningún cambio en la ruta del agua líquida, [31] más tarde se sugirió que este hallazgo se confundió al contrarrestar los cambios en la humedad. [30]

Huellas de barcos visibles en el Pacífico Norte, el 4 de marzo de 2009

Para evitar confusiones, muchas observaciones de los efectos de los aerosoles se centran en las huellas de los barcos , pero la investigación posterior a 2020 encontró que las huellas visibles de los barcos son un indicador pobre de otras nubes, y las estimaciones derivadas de ellas sobreestiman el enfriamiento de los aerosoles hasta en un 200%. [32] Al mismo tiempo, otra investigación encontró que la mayoría de las huellas de los barcos son "invisibles" para los satélites, lo que significa que la investigación anterior había subestimado el enfriamiento de los aerosoles al pasarlas por alto. [33] Finalmente, la investigación de 2023 indica que todos los modelos climáticos han subestimado las emisiones de azufre de los volcanes que ocurren en el fondo, fuera de las grandes erupciones, y por lo tanto han sobreestimado el enfriamiento proporcionado por los aerosoles antropogénicos, especialmente en el clima ártico. [34]

Estimaciones de principios de la década de 2010 de las emisiones antropogénicas globales de dióxido de azufre pasadas y futuras, incluidas las vías de concentración representativas . Si bien ningún escenario de cambio climático puede alcanzar reducciones máximas factibles (MFR), todos suponen fuertes disminuciones con respecto a los niveles actuales. En 2019, se confirmó que las reducciones de las emisiones de sulfato avanzaban a un ritmo muy rápido. [35]

Las estimaciones de cuánto afectan los aerosoles al enfriamiento de las nubes son muy importantes, porque la cantidad de aerosoles de sulfato en el aire ha experimentado cambios dramáticos en las últimas décadas. En primer lugar, había aumentado considerablemente entre los años 1950 y 1980, en gran parte debido a la quema generalizada de carbón con alto contenido de azufre , lo que provocó una reducción observable de la luz solar visible que había sido descrita como oscurecimiento global . [36] [37] Luego, comenzó a disminuir sustancialmente a partir de la década de 1990 y se espera que continúe disminuyendo en el futuro, debido a las medidas para combatir la lluvia ácida y otros impactos de la contaminación del aire . [38] En consecuencia, los aerosoles proporcionaron un efecto de enfriamiento considerable que contrarrestó o "enmascaró" parte del efecto invernadero de las emisiones humanas, y este efecto también había ido disminuyendo, lo que contribuyó a la aceleración del cambio climático . [39] Los modelos climáticos tienen en cuenta la presencia de aerosoles y su disminución reciente y futura en sus proyecciones, y normalmente estiman que el enfriamiento que proporcionan en la década de 2020 es similar al calentamiento debido al metano atmosférico añadido por el hombre , lo que significa que las reducciones simultáneas en ambos se cancelarían efectivamente entre sí. [40] Sin embargo, la incertidumbre existente sobre las interacciones aerosol-nube también introduce incertidumbre en los modelos, particularmente cuando se trata de predicciones de cambios en eventos climáticos en las regiones con un historial histórico de observaciones atmosféricas más pobre. [41] [37] [42] [43]

Forzamiento de nubes

En meteorología , el forzamiento de las nubes, el forzamiento radiativo de las nubes (CRF) o el efecto radiativo de las nubes (CRE) es la diferencia entre los componentes del presupuesto de radiación para condiciones promedio de nubes y condiciones libres de nubes. Gran parte del interés en el forzamiento de las nubes se relaciona con su papel como proceso de retroalimentación en el período actual de cambio climático. [44]

Esta imagen muestra los efectos de las nubes que dispersan la radiación de onda corta entrante del sol. Esto tiende a dar como resultado un enfriamiento general de la Tierra durante el día y en general (porque la pérdida de energía causada por la capa de nubes es más significativa que la ganancia descrita en la imagen a continuación).
Esta imagen muestra los efectos de las nubes que absorben los rayos de onda larga emitidos desde la Tierra, que luego se reemiten a la superficie. Esto tiende a provocar un calentamiento general de la Tierra durante la noche.

Todos los modelos climáticos globales utilizados para las proyecciones del cambio climático incluyen los efectos del vapor de agua y el forzamiento de las nubes. Los modelos incluyen los efectos de las nubes sobre la radiación entrante (solar) y emitida (terrestre).

Las nubes aumentan la reflexión global de la radiación solar del 15% al ​​30%, reduciendo la cantidad de radiación solar absorbida por la Tierra en aproximadamente 44 W/m 2 . Este enfriamiento se ve compensado en cierta medida por el efecto invernadero de las nubes, que reduce la radiación de onda larga saliente en aproximadamente 31 W/m 2 . Por tanto, el forzamiento neto de las nubes del balance de radiación es una pérdida de aproximadamente 13 W/m 2 . [45] Si se eliminaran las nubes y todo lo demás permaneciera igual, la Tierra ganaría esta última cantidad en radiación neta y comenzaría a calentarse.

Estos números no deben confundirse con el concepto habitual de forzamiento radiativo , que se refiere al cambio de forzamiento relacionado con el cambio climático .

Sin la inclusión de las nubes, el vapor de agua por sí solo contribuye entre el 36% y el 70% del efecto invernadero en la Tierra. Cuando se consideran juntos el vapor de agua y las nubes, la contribución es del 66% al 85%. Los rangos surgen porque hay dos formas de calcular la influencia del vapor de agua y las nubes: los límites inferiores son la reducción del efecto invernadero si el vapor de agua y las nubes se eliminan de la atmósfera dejando todos los demás gases de efecto invernadero sin cambios, mientras que los límites superiores Son el efecto invernadero que se introduce si se añade vapor de agua y nubes a una atmósfera sin otros gases de efecto invernadero. [46] Los dos valores difieren debido a la superposición en la absorción y emisión de los distintos gases de efecto invernadero. La captura de la radiación de onda larga debido a la presencia de nubes reduce el forzamiento radiativo de los gases de efecto invernadero en comparación con el forzamiento en cielo despejado. Sin embargo, la magnitud del efecto debido a las nubes varía según los diferentes gases de efecto invernadero. En relación con los cielos despejados , las nubes reducen el forzamiento radiativo medio global debido al CO 2 en aproximadamente un 15 %, [47] el debido a CH 4 y N 2 O en aproximadamente un 20 %, [47] y el debido a los halocarbonos hasta 30%. [48] ​​[49] [50] Las nubes siguen siendo una de las mayores incertidumbres en las proyecciones futuras del cambio climático realizadas por los modelos climáticos globales, debido a la complejidad física de los procesos de las nubes y la pequeña escala de las nubes individuales en relación con el tamaño del modelo computacional. red.

Medición del forzamiento de las nubes

La siguiente ecuación calcula este cambio en el presupuesto de radiación en la parte superior de la atmósfera [51]

El efecto radiativo neto de las nubes se puede descomponer en sus componentes de onda larga y onda corta. Esto se debe a que la radiación solar neta es absorbida menos la radiación de onda larga saliente que se muestra en las siguientes ecuaciones

El primer término de la derecha es el efecto de nube de onda corta ( Q abs ) y el segundo es el efecto de onda larga (OLR).

El efecto de la nube de onda corta se calcula mediante la siguiente ecuación

Donde So es la constante solar , ∝ nublado es el albedo con nubes y ∝ despejado es el albedo en un día despejado.

El efecto de onda larga se calcula mediante la siguiente ecuación

Donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann , T es la temperatura a la altura dada y F es el flujo ascendente en condiciones despejadas.

Juntando todas estas piezas, la ecuación final se convierte en

Papel como contribuyente a la sensibilidad climática

Las nubes, como las de esta imagen (vistas desde el espacio), la nieve y el hielo tienen la mayor influencia en el grado de reflexión de la Tierra. Cuando cualquiera de estos factores cambia, el albedo de la Tierra puede cambiar.

Los cambios en la nubosidad son uno de los varios factores que contribuyen al cambio climático y la sensibilidad climática .

El forzamiento radiativo causado por la duplicación de los niveles de CO 2 atmosférico (desde los 280 ppm preindustriales) es de aproximadamente 3,7 vatios por metro cuadrado (W/m 2 ). En ausencia de retroalimentaciones, el desequilibrio energético eventualmente resultaría en aproximadamente 1 °C (1,8 °F) de calentamiento global . Esa cifra es sencilla de calcular utilizando la ley de Stefan-Boltzmann [52] [53] y es indiscutible. [54]

Otra contribución surge de las retroalimentaciones climáticas , que se autorrefuerzan y equilibran . [55] [56] La incertidumbre en las estimaciones de la sensibilidad climática proviene enteramente del modelado de las retroalimentaciones en el sistema climático, incluida la retroalimentación del vapor de agua , la retroalimentación del albedo del hielo , la retroalimentación de las nubes y la retroalimentación de la tasa de caída . [54] Las retroalimentaciones de equilibrio tienden a contrarrestar el calentamiento aumentando la velocidad a la que se irradia energía al espacio desde un planeta más cálido. Las retroalimentaciones exacerbadas aumentan el calentamiento; por ejemplo, las temperaturas más altas pueden hacer que el hielo se derrita, lo que reduce el área del hielo y la cantidad de luz solar que refleja el hielo, lo que a su vez da como resultado que se irradie menos energía térmica hacia el espacio. La sensibilidad climática depende del equilibrio entre esas retroalimentaciones. [53]

Comprensión actual de los modelos climáticos

Cuando el IPCC comenzó a producir su Sexto Informe de Evaluación del IPCC en 2020, muchos modelos climáticos comenzaron a mostrar una mayor sensibilidad climática. Las estimaciones para la Sensibilidad Climática de Equilibrio cambiaron de 3,2 °C a 3,7 °C y las estimaciones para la Respuesta Climática Transitoria de 1,8 °C a 2,0 °C. Probablemente esto se deba a una mejor comprensión del papel de las nubes y los aerosoles. [57]

En preparación para el Sexto Informe de Evaluación del IPCC de 2021, grupos científicos de todo el mundo han desarrollado una nueva generación de modelos climáticos. [11] [12] La sensibilidad climática promedio estimada ha aumentado en la Fase 6 del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP6) en comparación con la generación anterior, con valores que abarcan de 1,8 a 5,6 °C (3,2 a 10,1 °F) en 27 modelos climáticos globales y superando los 4,5 °C (8,1 °F) en 10 de ellos. [13] [14] La causa del aumento de la sensibilidad climática de equilibrio (ECS) radica principalmente en la mejora del modelado de las nubes. Ahora se cree que los aumentos de temperatura provocan disminuciones más pronunciadas en el número de nubes bajas, y menos nubes bajas significan que el planeta absorbe más luz solar y se refleja menos al espacio. [13] [15] [16] Sin embargo, los modelos con los valores más altos de ECS no son consistentes con el calentamiento observado. [58]

Una simulación de 2019 predice que si los gases de efecto invernadero alcanzan tres veces el nivel actual de dióxido de carbono atmosférico, las nubes estratocúmulos podrían dispersarse abruptamente, contribuyendo a un calentamiento global adicional. [59]

Relación con otras retroalimentaciones

Además de cómo responderán las propias nubes al aumento de temperaturas, otras retroalimentaciones afectan las propiedades y la formación de las nubes. La cantidad y distribución vertical del vapor de agua está estrechamente relacionada con la formación de nubes. Se ha demostrado que los cristales de hielo influyen en gran medida en la cantidad de vapor de agua. [60] El vapor de agua en la troposfera superior subtropical se ha relacionado con la convección de vapor de agua y hielo. Los cambios en la humedad subtropical podrían proporcionar una retroalimentación negativa que disminuya la cantidad de vapor de agua, lo que a su vez actuaría para mediar las transiciones climáticas globales. [61]

Los cambios en la cobertura de nubes están estrechamente relacionados con otras retroalimentación, incluida la retroalimentación del vapor de agua y la retroalimentación del albedo del hielo . Se espera que el cambio climático altere la relación entre el hielo de las nubes y el agua superenfriada de las nubes, lo que a su vez influiría en la microfísica de la nube, lo que daría lugar a cambios en las propiedades radiativas de la nube. Los modelos climáticos sugieren que un calentamiento aumentará la nubosidad fraccionaria. El albedo del aumento de la nubosidad enfría el clima, lo que provoca una retroalimentación negativa; mientras que el reflejo de la radiación infrarroja en las nubes calienta el clima, lo que produce una retroalimentación positiva. [62] Se espera que el aumento de las temperaturas en las regiones polares incremente la cantidad de nubes en los niveles bajos, cuya estratificación impide la convección de humedad a los niveles superiores. Esta retroalimentación anularía parcialmente el aumento del calentamiento de la superficie debido a la nubosidad. Esta retroalimentación negativa tiene menos efecto que la retroalimentación positiva. La atmósfera superior anula con creces la retroalimentación negativa que causa el enfriamiento y, por lo tanto, el aumento de CO 2 en realidad está exacerbando la retroalimentación positiva a medida que ingresa más CO 2 al sistema. [63]

Ver también

Referencias

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    .
    Dada una temperatura efectiva de 255 K (−18 °C; −1 °F), una tasa de caída constante , el valor de la constante de Stefan-Boltzmann de 5,67 W/m 2 K −4 y alrededor de 4 W/m 2 , la La ecuación da una sensibilidad climática de un mundo sin retroalimentación de aproximadamente 1 K.
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