Cambio en la distribución estadística de los elementos climáticos durante un período prolongado
La variabilidad climática incluye todas las variaciones del clima que duran más que los fenómenos meteorológicos individuales, mientras que el término cambio climático solo se refiere a aquellas variaciones que persisten durante un período de tiempo más largo, generalmente décadas o más. El cambio climático puede referirse a cualquier momento de la historia de la Tierra, pero el término ahora se usa comúnmente para describir el cambio climático contemporáneo, a menudo denominado popularmente calentamiento global. Desde la Revolución Industrial , el clima se ha visto cada vez más afectado por las actividades humanas . [1]
El sistema climático recibe casi toda su energía del sol y la irradia al espacio exterior . El equilibrio de la energía entrante y saliente y el paso de la energía a través del sistema climático es el presupuesto energético de la Tierra . Cuando la energía entrante es mayor que la energía saliente, el presupuesto energético de la Tierra es positivo y el sistema climático se está calentando. Si se gasta más energía, el presupuesto energético es negativo y la Tierra experimenta un enfriamiento.
La energía que se mueve a través del sistema climático de la Tierra encuentra expresión en el tiempo, que varía según las escalas geográficas y el tiempo. Los promedios a largo plazo y la variabilidad del tiempo en una región constituyen el clima de la región. Estos cambios pueden ser el resultado de una "variabilidad interna", cuando los procesos naturales inherentes a las distintas partes del sistema climático alteran la distribución de la energía. Los ejemplos incluyen la variabilidad en las cuencas oceánicas, como la oscilación decenal del Pacífico y la oscilación multidecenal del Atlántico . La variabilidad climática también puede resultar de forzamientos externos , cuando eventos fuera de los componentes del sistema climático producen cambios dentro del sistema. Los ejemplos incluyen cambios en la producción solar y el vulcanismo .
La variabilidad climática tiene consecuencias para los cambios en el nivel del mar, la vida vegetal y las extinciones masivas; también afecta a las sociedades humanas.
Terminología
La variabilidad climática es el término que describe las variaciones en el estado medio y otras características del clima (como las probabilidades o posibilidades de que se produzcan condiciones meteorológicas extremas, etc.) "en todas las escalas espaciales y temporales más allá de la de los fenómenos meteorológicos individuales". Parte de la variabilidad no parece ser causada por sistemas conocidos y ocurre en momentos aparentemente aleatorios. Tal variabilidad se llama variabilidad aleatoria o ruido . Por otro lado, la variabilidad periódica ocurre con relativa regularidad y en distintos modos de variabilidad o patrones climáticos. [2]
El término cambio climático se utiliza a menudo para referirse específicamente al cambio climático antropogénico. El cambio climático antropogénico es causado por la actividad humana, a diferencia de los cambios en el clima que pueden haber resultado como parte de los procesos naturales de la Tierra. [3] Calentamiento global se convirtió en el término popular dominante en 1988, pero en las revistas científicas el calentamiento global se refiere al aumento de la temperatura de la superficie, mientras que el cambio climático incluye el calentamiento global y todo lo demás que afecta el aumento de los niveles de gases de efecto invernadero . [4]
La Organización Meteorológica Mundial (OMM) propuso un término relacionado, cambio climático , en 1966 para abarcar todas las formas de variabilidad climática en escalas de tiempo superiores a 10 años, pero independientemente de la causa. Durante la década de 1970, el término cambio climático reemplazó a cambio climático para centrarse en causas antropogénicas, cuando quedó claro que las actividades humanas tenían el potencial de alterar drásticamente el clima. [5] El cambio climático fue incorporado en el título del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) y la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC). El cambio climático se utiliza ahora como descripción técnica del proceso y como sustantivo para describir el problema. [5]
Causas
En la escala más amplia, la velocidad a la que se recibe energía del Sol y la velocidad a la que se pierde en el espacio determinan la temperatura y el clima de equilibrio de la Tierra. Esta energía se distribuye por todo el mundo mediante los vientos, las corrientes oceánicas, [6] [7] y otros mecanismos que afectan los climas de diferentes regiones. [8]
Los factores que pueden dar forma al clima se denominan forzamientos climáticos o "mecanismos de forzamiento". [9] Estos incluyen procesos tales como variaciones en la radiación solar , variaciones en la órbita de la Tierra, variaciones en el albedo o reflectividad de los continentes, la atmósfera y los océanos, la formación de montañas y la deriva continental y cambios en las concentraciones de gases de efecto invernadero . El forzamiento externo puede ser antropogénico (por ejemplo, aumento de las emisiones de gases y polvo de efecto invernadero) o natural (por ejemplo, cambios en la producción solar, la órbita de la Tierra, erupciones volcánicas). [10] Hay una variedad de retroalimentaciones del cambio climático que pueden amplificar o disminuir el forzamiento inicial. También hay umbrales clave que, cuando se superan, pueden producir cambios rápidos o irreversibles.
Algunas partes del sistema climático, como los océanos y los casquetes polares, responden más lentamente a las fuerzas climáticas, mientras que otras responden más rápidamente. Un ejemplo de cambio rápido es el enfriamiento atmosférico después de una erupción volcánica, cuando la ceniza volcánica refleja la luz del sol. La expansión térmica del agua del océano después del calentamiento atmosférico es lenta y puede tardar miles de años. También es posible una combinación, por ejemplo, una pérdida repentina de albedo en el Océano Ártico a medida que el hielo marino se derrite, seguida de una expansión térmica más gradual del agua.
La variabilidad climática también puede ocurrir debido a procesos internos. Los procesos internos no forzados a menudo implican cambios en la distribución de energía en el océano y la atmósfera, por ejemplo, cambios en la circulación termohalina .
Variabilidad interna
Existe una variabilidad estacional en cómo los nuevos récords de altas temperaturas han superado los nuevos récords de bajas temperaturas. [11]
Los cambios climáticos debidos a la variabilidad interna a veces ocurren en ciclos u oscilaciones. Para otros tipos de cambio climático natural, no podemos predecir cuándo ocurrirá; el cambio se llama aleatorio o estocástico . [12] Desde una perspectiva climática, el tiempo puede considerarse aleatorio. [13] Si hay pequeñas nubes en un año en particular, hay un desequilibrio energético y los océanos pueden absorber calor adicional. Debido a la inercia climática , esta señal puede "almacenarse" en el océano y expresarse como variabilidad en escalas de tiempo más largas que las perturbaciones climáticas originales. [14] Si las perturbaciones climáticas son completamente aleatorias y ocurren como ruido blanco , la inercia de los glaciares u océanos puede transformar esto en cambios climáticos donde las oscilaciones de mayor duración también son oscilaciones más grandes, un fenómeno llamado ruido rojo . [15] Muchos cambios climáticos tienen un aspecto aleatorio y un aspecto cíclico. Este comportamiento se denomina resonancia estocástica . [15] La mitad del Premio Nobel de Física de 2021 fue otorgada por este trabajo a Klaus Hasselmann junto con Syukuro Manabe por trabajos relacionados sobre modelización climática . Mientras que Giorgio Parisi , que junto con sus colaboradores introdujo [16] el concepto de resonancia estocástica, recibió la otra mitad, pero principalmente por trabajos sobre física teórica.
Variabilidad océano-atmósfera
El océano y la atmósfera pueden trabajar juntos para generar espontáneamente una variabilidad climática interna que puede persistir durante años o décadas seguidas. [17] [18] Estas variaciones pueden afectar la temperatura superficial promedio global al redistribuir el calor entre las profundidades del océano y la atmósfera [19] [20] y/o alterar la distribución de nubes/vapor de agua/hielo marino, lo que puede afectar la energía total. presupuesto de la Tierra. [21] [22]
Oscilaciones y ciclos
Las barras de colores muestran cómo los años de El Niño (rojo, calentamiento regional) y los años de La Niña (azul, enfriamiento regional) se relacionan con el calentamiento global general . El Niño-Oscilación del Sur se ha relacionado con la variabilidad del aumento de la temperatura media mundial a largo plazo.
Una oscilación climática o ciclo climático es cualquier oscilación cíclica recurrente dentro del clima global o regional . Son cuasiperiódicos (no perfectamente periódicos), por lo que un análisis de Fourier de los datos no tiene picos pronunciados en el espectro . Se han encontrado o planteado hipótesis sobre muchas oscilaciones en diferentes escalas de tiempo: [23]
El Niño-Oscilación del Sur (ENSO): un patrón a gran escala de temperaturas superficiales del mar tropical más cálidas ( El Niño ) y más frías ( La Niña ) en el Océano Pacífico con efectos en todo el mundo. Es una oscilación autosostenida, cuyos mecanismos están bien estudiados. [24] ENSO es la fuente más importante conocida de variabilidad interanual en el tiempo y el clima en todo el mundo. El ciclo ocurre cada dos a siete años, y El Niño dura de nueve meses a dos años dentro del ciclo a más largo plazo. [25] La lengua fría del Océano Pacífico ecuatorial no se está calentando tan rápido como el resto del océano, debido al aumento de afloramiento de aguas frías frente a la costa occidental de América del Sur. [26] [27]
Oscilación Madden-Julian (MJO): patrón de aumento de precipitaciones que se mueve hacia el este en los trópicos con un período de 30 a 60 días, observado principalmente en los océanos Índico y Pacífico. [28]
la oscilación cuasi bienal : una oscilación bien entendida en los patrones del viento en la estratosfera alrededor del ecuador. Durante un período de 28 meses, el viento dominante cambia del este al oeste y viceversa. [30]
La oscilación decenal del Pacífico : el patrón dominante de variabilidad de la superficie del mar en el Pacífico Norte a escala decenal. Durante una fase "cálida" o "positiva", el Pacífico occidental se enfría y parte del océano oriental se calienta; Durante una fase "fría" o "negativa", ocurre el patrón opuesto. No se piensa como un fenómeno único, sino como una combinación de diferentes procesos físicos. [31]
La oscilación multidecenal del Atlántico : un patrón de variabilidad en el Atlántico Norte de aproximadamente 55 a 70 años, con efectos sobre las precipitaciones, las sequías y la frecuencia e intensidad de los huracanes. [33]
La oscilación ártica (AO) y la oscilación antártica (AAO): los modos anulares son patrones de variabilidad climática que ocurren naturalmente en todo el hemisferio. En escalas de tiempo de semanas a meses, explican entre el 20% y el 30% de la variabilidad en sus respectivos hemisferios. El Modo Anular del Norte u oscilación ártica (AO) en el hemisferio norte, y el Modo Anular del Sur u oscilación antártica (AAO) en el hemisferio sur. Los modos anulares tienen una fuerte influencia en la temperatura y las precipitaciones de masas terrestres de latitudes medias y altas, como Europa y Australia, al alterar la trayectoria promedio de las tormentas. La NAO puede considerarse un índice regional del AO/NAM. [35] Se definen como el primer EOF de presión a nivel del mar o altura geopotencial de 20°N a 90°N (NAM) o de 20°S a 90°S (SAM).
Un esquema de la circulación termohalina moderna . Hace decenas de millones de años, el movimiento de las placas continentales formó una brecha sin tierra alrededor de la Antártida, lo que permitió la formación del ACC , que mantiene las aguas cálidas alejadas de la Antártida.
Los aspectos oceánicos de la variabilidad climática pueden generar variabilidad en escalas de tiempo centenarias debido a que el océano tiene cientos de veces más masa que la atmósfera y, por lo tanto, una inercia térmica muy alta . Por ejemplo, las alteraciones de los procesos oceánicos, como la circulación termohalina, desempeñan un papel clave en la redistribución del calor en los océanos del mundo.
Las corrientes oceánicas transportan mucha energía desde las cálidas regiones tropicales a las más frías regiones polares. Los cambios que se produjeron alrededor de la última edad de hielo (en términos técnicos, el último período glacial ) muestran que la circulación en el Atlántico Norte puede cambiar repentina y sustancialmente, provocando cambios climáticos globales, aunque la cantidad total de energía que ingresa al sistema climático no lo hizo. No cambia mucho. Estos grandes cambios pueden deberse a los llamados eventos Heinrich , en los que la inestabilidad interna de las capas de hielo provocó la liberación de enormes icebergs en el océano. Cuando la capa de hielo se derrite, el agua resultante es muy baja en sal y fría, lo que provoca cambios en la circulación. [36]
Glaciación de hace 2.300 millones de años provocada por la evolución de la fotosíntesis oxigenada , que agotó la atmósfera del gas de efecto invernadero dióxido de carbono e introdujo oxígeno libre [40] [41]
Concentraciones de CO 2 durante los últimos 800.000 años medidas a partir de núcleos de hielo (azul/verde) y directamente (negro)
Mientras que los gases de efecto invernadero liberados por la biosfera a menudo se consideran una retroalimentación o un proceso climático interno, los climatólogos suelen clasificar los gases de efecto invernadero emitidos por los volcanes como externos. [50] Los gases de efecto invernadero, como el CO 2 , el metano y el óxido nitroso , calientan el sistema climático al atrapar la luz infrarroja. Los volcanes también forman parte del ciclo ampliado del carbono . Durante períodos de tiempo (geológicos) muy largos, liberan dióxido de carbono de la corteza y el manto de la Tierra, contrarrestando la absorción por rocas sedimentarias y otros sumideros geológicos de dióxido de carbono .
Desde la Revolución Industrial , la humanidad ha aumentado los gases de efecto invernadero mediante la emisión de CO 2 procedente de la quema de combustibles fósiles , el cambio de uso de la tierra mediante la deforestación y ha alterado aún más el clima con aerosoles (partículas en la atmósfera), [51] liberación de gases traza. (por ejemplo, óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono o metano). [52] Otros factores, incluido el uso de la tierra, el agotamiento de la capa de ozono , la cría de animales ( los animales rumiantes como el ganado producen metano [53] ) y la deforestación , también influyen. [54]
Las estimaciones del Servicio Geológico de Estados Unidos son que las emisiones volcánicas se encuentran en un nivel mucho más bajo que los efectos de las actividades humanas actuales, que generan entre 100 y 300 veces la cantidad de dióxido de carbono emitido por los volcanes. [55] La cantidad anual producida por las actividades humanas puede ser mayor que la cantidad liberada por las supererupciones , la más reciente de las cuales fue la erupción de Toba en Indonesia hace 74.000 años. [56]
Variaciones orbitales
Milankovitch realiza un ciclo desde hace 800.000 años en el pasado hasta 800.000 años en el futuro.
Ligeras variaciones en el movimiento de la Tierra provocan cambios en la distribución estacional de la luz solar que llega a la superficie de la Tierra y en cómo se distribuye por todo el mundo. Hay muy pocos cambios en la insolación promedio anual del área; pero puede haber fuertes cambios en la distribución geográfica y estacional. Los tres tipos de cambio cinemático son variaciones en la excentricidad de la Tierra , cambios en el ángulo de inclinación del eje de rotación de la Tierra y precesión del eje de la Tierra. Combinados, estos producen ciclos de Milankovitch que afectan el clima y se destacan por su correlación con los períodos glaciales e interglaciares , [57] su correlación con el avance y retroceso del Sahara , [57] y por su aparición en el registro estratigráfico . [58] [59]
Durante los ciclos glaciales, hubo una alta correlación entre las concentraciones de CO 2 y las temperaturas. Los primeros estudios indicaron que las concentraciones de CO 2 eran inferiores a las de las temperaturas, pero ha quedado claro que no siempre es así. [60] Cuando la temperatura del océano aumenta, la solubilidad del CO 2 disminuye para que se libere del océano. El intercambio de CO 2 entre el aire y el océano también puede verse afectado por otros aspectos del cambio climático. [61] Estos y otros procesos que se refuerzan a sí mismos permiten que pequeños cambios en el movimiento de la Tierra tengan un gran efecto en el clima. [60]
Salida solar
Variaciones en la actividad solar durante los últimos siglos basadas en observaciones de manchas solares e isótopos de berilio . El período de extraordinariamente pocas manchas solares a finales del siglo XVII fue el mínimo de Maunder .
El Sol es la fuente predominante de aporte de energía al sistema climático de la Tierra . Otras fuentes incluyen la energía geotérmica del núcleo de la Tierra, la energía de las mareas de la Luna y el calor de la desintegración de compuestos radiactivos. Se sabe que ambas variaciones a largo plazo en la intensidad solar afectan el clima global. [62] La producción solar varía en escalas de tiempo más cortas, incluido el ciclo solar de 11 años [63] y modulaciones a más largo plazo . [64] La correlación entre las manchas solares y el clima es, en el mejor de los casos, tenue. [62]
Hace tres o cuatro mil millones de años , el Sol emitía sólo el 75% de la energía que emite hoy. [65] Si la composición atmosférica hubiera sido la misma que hoy, no debería haber existido agua líquida en la superficie de la Tierra. Sin embargo, hay evidencia de la presencia de agua en la Tierra primitiva, en los eones Hadeano [66] [67] y Arcaico [68] [66] , lo que lleva a lo que se conoce como la paradoja del débil Sol joven . [69] Las soluciones hipotéticas a esta paradoja incluyen una atmósfera muy diferente, con concentraciones de gases de efecto invernadero mucho más altas que las que existen actualmente. [70] Durante los siguientes aproximadamente 4 mil millones de años, la producción de energía del Sol aumentó. Durante los próximos cinco mil millones de años, la muerte definitiva del Sol cuando se convierta en una gigante roja y luego en una enana blanca tendrá grandes efectos en el clima, y la fase de gigante roja posiblemente ponga fin a cualquier vida en la Tierra que sobreviva hasta ese momento. [71]
Vulcanismo
En la temperatura atmosférica de 1979 a 2010, determinada por los satélites MSU de la NASA , aparecen efectos de aerosoles liberados por grandes erupciones volcánicas ( El Chichón y Pinatubo ). El Niño es un evento separado de la variabilidad del océano.
Las erupciones volcánicas consideradas lo suficientemente grandes como para afectar el clima de la Tierra en una escala de más de 1 año son las que inyectan más de 100.000 toneladas de SO 2 a la estratosfera . [72] Esto se debe a las propiedades ópticas del SO 2 y los aerosoles de sulfato, que absorben o dispersan fuertemente la radiación solar, creando una capa global de neblina de ácido sulfúrico . [73] En promedio, tales erupciones ocurren varias veces por siglo y causan enfriamiento (al bloquear parcialmente la transmisión de la radiación solar a la superficie de la Tierra) durante un período de varios años. Aunque los volcanes son técnicamente parte de la litosfera, que a su vez es parte del sistema climático, el IPCC define explícitamente el vulcanismo como un agente forzante externo. [74]
A mayor escala (algunas veces cada 50 a 100 millones de años), la erupción de grandes provincias ígneas trae grandes cantidades de roca ígnea desde el manto y la litosfera a la superficie de la Tierra. Luego, el dióxido de carbono de la roca se libera a la atmósfera. [78] [79] Las pequeñas erupciones, con inyecciones de menos de 0,1 Mt de dióxido de azufre en la estratosfera, afectan la atmósfera sólo sutilmente, ya que los cambios de temperatura son comparables con la variabilidad natural. Sin embargo, debido a que las erupciones más pequeñas ocurren con una frecuencia mucho mayor, afectan demasiado significativamente la atmósfera de la Tierra. [72] [80]
Tectónica de placas
A lo largo de millones de años, el movimiento de las placas tectónicas reconfigura las áreas terrestres y oceánicas globales y genera topografía. Esto puede afectar los patrones globales y locales del clima y la circulación atmósfera-océano. [81]
La posición de los continentes determina la geometría de los océanos y, por tanto, influye en los patrones de circulación oceánica. La ubicación de los mares es importante para controlar la transferencia de calor y humedad en todo el mundo y, por tanto, para determinar el clima global. Un ejemplo reciente de control tectónico de la circulación oceánica es la formación del Istmo de Panamá hace unos 5 millones de años, que impidió la mezcla directa entre los océanos Atlántico y Pacífico . Esto afectó fuertemente la dinámica oceánica de lo que hoy es la Corriente del Golfo y puede haber dado lugar a la capa de hielo del hemisferio norte. [82] [83] Durante el período Carbonífero , hace unos 300 a 360 millones de años, la tectónica de placas puede haber desencadenado el almacenamiento de carbono a gran escala y un aumento de la glaciación. [84] La evidencia geológica apunta a un patrón de circulación "megamonzónal" durante la época del supercontinente Pangea , y los modelos climáticos sugieren que la existencia del supercontinente fue propicia para el establecimiento de monzones. [85]
El tamaño de los continentes también es importante. Debido al efecto estabilizador de los océanos sobre la temperatura, las variaciones anuales de temperatura son generalmente menores en las zonas costeras que en el interior. Por lo tanto, un supercontinente más grande tendrá más área en la que el clima sea fuertemente estacional que varios continentes o islas más pequeños .
Otros mecanismos
Se ha postulado que las partículas ionizadas conocidas como rayos cósmicos podrían afectar la cobertura de nubes y, por tanto, el clima. Como el sol protege a la Tierra de estas partículas, se planteó la hipótesis de que los cambios en la actividad solar también influyen indirectamente en el clima. Para probar la hipótesis, el CERN diseñó el experimento CLOUD , que demostró que el efecto de los rayos cósmicos es demasiado débil para influir notablemente en el clima. [86] [87]
Existen pruebas de que el impacto del asteroide Chicxulub hace unos 66 millones de años afectó gravemente al clima de la Tierra. Se lanzaron a la atmósfera grandes cantidades de aerosoles de sulfato, lo que disminuyó las temperaturas globales hasta 26 °C y produjo temperaturas bajo cero durante un período de 3 a 16 años. El tiempo de recuperación de este evento tomó más de 30 años. [88] El uso a gran escala de armas nucleares también ha sido investigado por su impacto en el clima. La hipótesis es que el hollín liberado por los incendios a gran escala bloquea una fracción significativa de la luz solar durante hasta un año, lo que provoca una fuerte caída de las temperaturas durante algunos años. Este posible evento se describe como invierno nuclear . [89]
El uso de la tierra por parte de los humanos afecta la cantidad de luz solar que refleja la superficie y la concentración de polvo. La formación de nubes no sólo está influenciada por la cantidad de agua que hay en el aire y la temperatura, sino también por la cantidad de aerosoles en el aire, como el polvo. [90] A nivel mundial, hay más polvo disponible si hay muchas regiones con suelos secos, poca vegetación y fuertes vientos. [91]
Evidencia y medición de los cambios climáticos.
La paleoclimatología es el estudio de los cambios climáticos a lo largo de toda la historia de la Tierra. Utiliza una variedad de métodos proxy de las ciencias de la Tierra y de la vida para obtener datos conservados dentro de objetos como rocas, sedimentos, capas de hielo, anillos de árboles, corales, conchas y microfósiles. Luego utiliza los registros para determinar los estados pasados de las diversas regiones climáticas de la Tierra y su sistema atmosférico. Las mediciones directas ofrecen una visión más completa de la variabilidad climática.
Medidas directas
Los cambios climáticos que se produjeron tras el uso generalizado de dispositivos de medición se pueden observar directamente. Se dispone de registros globales razonablemente completos de la temperatura de la superficie a partir de mediados y finales del siglo XIX. Otras observaciones se derivan indirectamente de documentos históricos. Los datos satelitales sobre nubes y precipitaciones están disponibles desde la década de 1970. [92]
La climatología histórica es el estudio de los cambios históricos en el clima y su efecto en la historia y el desarrollo humanos. Las fuentes primarias incluyen registros escritos como sagas , crónicas , mapas y literatura de historia local , así como representaciones pictóricas como pinturas , dibujos e incluso arte rupestre . La variabilidad climática en el pasado reciente puede deberse a cambios en los patrones de asentamiento y agricultura. [93] La evidencia arqueológica , la historia oral y los documentos históricos pueden ofrecer información sobre los cambios climáticos pasados. Los cambios climáticos se han relacionado con el ascenso [94] y el colapso de varias civilizaciones. [93]
Medidas proxy
Variaciones del CO 2 , la temperatura y el polvo del núcleo de hielo de Vostok durante los últimos 450.000 años.
Varios archivos del clima pasado están presentes en rocas, árboles y fósiles. A partir de estos archivos se pueden derivar medidas indirectas del clima, las llamadas proxies. La cuantificación de la variación climatológica de las precipitaciones en siglos y épocas anteriores es menos completa, pero se aproxima utilizando indicadores como sedimentos marinos, núcleos de hielo, estalagmitas de cuevas y anillos de árboles. [95] El estrés, las precipitaciones insuficientes o las temperaturas inadecuadas pueden alterar la tasa de crecimiento de los árboles, lo que permite a los científicos inferir las tendencias climáticas analizando la tasa de crecimiento de los anillos de los árboles. Esta rama de la ciencia que la estudia se llama dendroclimatología . [96] Los glaciares dejan morrenas que contienen una gran cantidad de material, incluida materia orgánica, cuarzo y potasio que pueden datarse, que registran los períodos en los que un glaciar avanzó y retrocedió.
El análisis del hielo en núcleos perforados en una capa de hielo como la capa de hielo de la Antártida se puede utilizar para mostrar un vínculo entre la temperatura y las variaciones globales del nivel del mar. El aire atrapado en burbujas en el hielo también puede revelar las variaciones de CO 2 de la atmósfera desde un pasado lejano, mucho antes de las influencias ambientales modernas. El estudio de estos núcleos de hielo ha sido un indicador importante de los cambios en el CO 2 durante muchos milenios y continúa proporcionando información valiosa sobre las diferencias entre las condiciones atmosféricas antiguas y modernas. La relación 18 O/ 16 O en muestras de núcleos de hielo y calcita utilizadas para deducir la temperatura del océano en el pasado distante es un ejemplo de un método proxy de temperatura.
Los restos de plantas, y en concreto el polen, también se utilizan para estudiar el cambio climático. La distribución de las plantas varía bajo diferentes condiciones climáticas. Diferentes grupos de plantas tienen polen con formas y texturas superficiales distintivas y, dado que la superficie exterior del polen está compuesta de un material muy resistente, resisten la descomposición. Los cambios en el tipo de polen que se encuentra en diferentes capas de sedimento indican cambios en las comunidades de plantas. Estos cambios son a menudo una señal de un clima cambiante. [97] [98] Como ejemplo, los estudios de polen se han utilizado para rastrear los patrones cambiantes de la vegetación a lo largo de las glaciaciones cuaternarias [99] y especialmente desde el último máximo glacial . [100] Los restos de escarabajos son comunes en sedimentos terrestres y de agua dulce. Las diferentes especies de escarabajos tienden a encontrarse en diferentes condiciones climáticas. Dado el extenso linaje de escarabajos cuya composición genética no se ha alterado significativamente a lo largo de los milenios, el conocimiento del rango climático actual de las diferentes especies y la edad de los sedimentos en los que se encuentran los restos pueden inferir las condiciones climáticas pasadas. [101]
Análisis e incertidumbres
Una dificultad para detectar los ciclos climáticos es que el clima de la Tierra ha estado cambiando de manera no cíclica en la mayoría de las escalas de tiempo paleoclimatológicas. Actualmente nos encontramos en un período de calentamiento global antropogénico . En un marco temporal más amplio, la Tierra está saliendo de la última edad de hielo, enfriándose desde el óptimo climático del Holoceno y calentándose desde la " Pequeña Edad de Hielo ", lo que significa que el clima ha estado cambiando constantemente durante los últimos 15.000 años aproximadamente. Durante los períodos cálidos, las fluctuaciones de temperatura suelen ser de menor amplitud. El período Pleistoceno , dominado por repetidas glaciaciones , se desarrolló a partir de condiciones más estables en el clima del Mioceno y Plioceno . El clima del Holoceno ha sido relativamente estable. Todos estos cambios complican la tarea de buscar un comportamiento cíclico en el clima.
Arriba: clima árido de la edad de hieloMedio: Período Atlántico , cálido y húmedoAbajo: Vegetación potencial en el clima actual si no fuera por los efectos humanos como la agricultura. [102]
Vegetación
Puede ocurrir un cambio en el tipo, distribución y cobertura de la vegetación dado un cambio en el clima. Algunos cambios en el clima pueden resultar en un aumento de las precipitaciones y el calor, lo que resulta en un mejor crecimiento de las plantas y el posterior secuestro de CO 2 en el aire . Aunque un aumento de CO 2 puede beneficiar a las plantas, algunos factores pueden disminuir este aumento. Si hay un cambio ambiental como una sequía, el aumento de las concentraciones de CO 2 no beneficiará a la planta. [103] Entonces, aunque el cambio climático aumenta las emisiones de CO 2 , las plantas a menudo no aprovecharán este aumento ya que otras tensiones ambientales las presionan. [104] Sin embargo, se espera que el secuestro de CO 2 afecte la tasa de muchos ciclos naturales, como las tasas de descomposición de la hojarasca . [105] Un aumento gradual del calor en una región conducirá a tiempos de floración y fructificación más tempranos, lo que impulsará un cambio en el calendario de los ciclos de vida de los organismos dependientes. Por el contrario, el frío retrasará los ciclos biológicos de las plantas. [106]
Sin embargo, cambios mayores, más rápidos o más radicales pueden provocar estrés en la vegetación, pérdida rápida de plantas y desertificación en determinadas circunstancias. [107] [108] [109] Un ejemplo de esto ocurrió durante el colapso de la selva tropical carbonífera (CRC), un evento de extinción hace 300 millones de años. En esta época, vastas selvas tropicales cubrían la región ecuatorial de Europa y América. El cambio climático devastó estos bosques tropicales, fragmentando abruptamente el hábitat en "islas" aisladas y provocando la extinción de muchas especies de plantas y animales. [107]
Fauna
Una de las formas más importantes en que los animales pueden afrontar el cambio climático es la migración a regiones más cálidas o más frías. [110] En una escala de tiempo más larga, la evolución hace que los ecosistemas, incluidos los animales, se adapten mejor a un nuevo clima. [111] El cambio climático rápido o de gran magnitud puede causar extinciones masivas cuando las criaturas se ven demasiado forzadas para poder adaptarse. [112]
Humanidad
Los colapsos de civilizaciones pasadas como la maya pueden estar relacionados con ciclos de precipitación, especialmente sequía, que en este ejemplo también se correlaciona con la piscina cálida del hemisferio occidental . Hace unos 70.000 años, la erupción del supervolcán Toba creó un período especialmente frío durante la edad de hielo, lo que provocó un posible cuello de botella genético en las poblaciones humanas.
Cambios en la criosfera
Glaciares y capas de hielo
Los glaciares se consideran uno de los indicadores más sensibles de un clima cambiante. [113] Su tamaño está determinado por un equilibrio de masa entre la entrada de nieve y la salida de derretimiento. A medida que aumentan las temperaturas, los glaciares retroceden a menos que aumenten las precipitaciones de nieve para compensar el derretimiento adicional. Los glaciares crecen y se contraen debido tanto a la variabilidad natural como a fuerzas externas. La variabilidad de la temperatura, las precipitaciones y la hidrología pueden determinar en gran medida la evolución de un glaciar en una estación determinada.
Los procesos climáticos más importantes desde mediados hasta finales del Plioceno (hace aproximadamente 3 millones de años) son los ciclos glaciales e interglaciares . El actual período interglaciar (el Holoceno ) ha durado unos 11.700 años. [114] Determinadas por variaciones orbitales , respuestas como el ascenso y caída de las capas de hielo continentales y cambios significativos en el nivel del mar ayudaron a crear el clima. Sin embargo , otros cambios, incluidos los eventos de Heinrich , los eventos de Dansgaard-Oeschger y el Dryas más joven , ilustran cómo las variaciones glaciales también pueden influir en el clima sin el forzamiento orbital .
cambio del nivel del mar
Durante el último máximo glacial , hace unos 25.000 años, el nivel del mar era aproximadamente 130 m más bajo que el actual. La desglaciación posterior se caracterizó por un rápido cambio del nivel del mar. [115] A principios del Plioceno , las temperaturas globales eran entre 1 y 2 °C más cálidas que la temperatura actual, pero el nivel del mar era entre 15 y 25 metros más alto que el actual. [116]
hielo marino
El hielo marino juega un papel importante en el clima de la Tierra, ya que afecta la cantidad total de luz solar que se refleja desde la Tierra. [117] En el pasado, los océanos de la Tierra han estado cubiertos casi en su totalidad por hielo marino en varias ocasiones, cuando la Tierra se encontraba en el llamado estado de Tierra Bola de Nieve , [118] y completamente libre de hielo en períodos de clima cálido. . [119] Cuando hay una gran cantidad de hielo marino presente a nivel mundial, especialmente en los trópicos y subtrópicos, el clima es más sensible a los forzamientos ya que la retroalimentación del albedo del hielo es muy fuerte. [120]
Historia del clima
Varios forzamientos climáticos suelen cambiar a lo largo del tiempo geológico , y algunos procesos de la temperatura de la Tierra pueden autorregularse . Por ejemplo, durante el período de la Tierra Bola de Nieve , grandes capas de hielo glacial se extendieron hasta el ecuador de la Tierra, cubriendo casi toda su superficie, y un albedo muy alto creó temperaturas extremadamente bajas, mientras que la acumulación de nieve y hielo probablemente eliminó el dióxido de carbono a través de la deposición atmosférica . Sin embargo, la falta de cobertura vegetal para absorber el CO 2 atmosférico emitido por los volcanes hizo que el gas de efecto invernadero pudiera acumularse en la atmósfera. También hubo ausencia de rocas de silicato expuestas, que utilizan CO 2 cuando sufren meteorización. Esto creó un calentamiento que luego derritió el hielo y hizo que la temperatura de la Tierra volviera a subir.
Máximo térmico del Paleo-eoceno
Cambios climáticos durante los últimos 65 millones de años, utilizando datos indirectos que incluyen proporciones de oxígeno-18 de foraminíferos .
El Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno (PETM) fue un período de tiempo con un aumento de la temperatura promedio global de más de 5 a 8 °C durante todo el evento. [121] Este evento climático ocurrió en el límite temporal de las épocas geológicas del Paleoceno y el Eoceno . [122] Durante el evento se liberaron grandes cantidades de metano , un potente gas de efecto invernadero. [123] El PETM representa un "estudio de caso" para el cambio climático moderno, ya que los gases de efecto invernadero se liberaron en un período de tiempo geológicamente relativamente corto. [121] Durante el PETM, tuvo lugar una extinción masiva de organismos en las profundidades del océano. [124]
El Cenozoico
A lo largo del Cenozoico , múltiples forzamientos climáticos provocaron el calentamiento y enfriamiento de la atmósfera, lo que condujo a la formación temprana de la capa de hielo antártica , su posterior derretimiento y su posterior reglaciación. Los cambios de temperatura se produjeron de forma algo repentina, con concentraciones de dióxido de carbono de entre 600 y 760 ppm y temperaturas aproximadamente 4 °C más cálidas que las actuales. Durante el Pleistoceno, los ciclos de glaciaciones e interglaciares ocurrieron en ciclos de aproximadamente 100.000 años, pero pueden permanecer más tiempo dentro de un interglaciar cuando la excentricidad orbital se aproxima a cero, como durante el interglaciar actual. Los interglaciales anteriores, como la fase Eemian , crearon temperaturas más altas que las actuales, niveles del mar más altos y cierto derretimiento parcial de la capa de hielo de la Antártida occidental .
Las temperaturas climatológicas afectan sustancialmente la nubosidad y las precipitaciones. A temperaturas más bajas, el aire puede contener menos vapor de agua, lo que puede provocar una disminución de las precipitaciones. [125] Durante el último máximo glacial de hace 18.000 años, la evaporación térmica de los océanos hacia las masas continentales fue baja, lo que provocó grandes áreas de desierto extremo, incluidos desiertos polares (fríos pero con bajas tasas de nubosidad y precipitación). [102] En contraste, el clima mundial era más nublado y húmedo que hoy cerca del comienzo del cálido Período Atlántico de hace 8000 años. [102]
El Holoceno
Cambio de temperatura en los últimos 12 000 años, procedente de diversas fuentes. La gruesa curva negra es un promedio.
Ciertos efectos han ocurrido durante estos ciclos. Por ejemplo, durante el período cálido medieval, el Medio Oeste de Estados Unidos sufrió sequía, incluidas las colinas de arena de Nebraska, que eran dunas de arena activas . La peste negra de Yersinia pestis también ocurrió durante las fluctuaciones de temperatura medievales y puede estar relacionada con los cambios climáticos.
La actividad solar puede haber contribuido a parte del calentamiento moderno que alcanzó su punto máximo en la década de 1930. Sin embargo, los ciclos solares no tienen en cuenta el calentamiento observado desde la década de 1980 hasta la actualidad. [ cita necesaria ] Eventos como la apertura del Pasaje del Noroeste y los recientes mínimos récord de hielo de la contracción ártica moderna no han tenido lugar durante al menos varios siglos, ya que los primeros exploradores no pudieron cruzar el Ártico, ni siquiera en verano. Los cambios en los biomas y los rangos de hábitat tampoco tienen precedentes y ocurren a velocidades que no coinciden con las oscilaciones climáticas conocidas [ cita necesaria ] .
El cambio climático moderno y el calentamiento global
Como consecuencia de la emisión de gases de efecto invernadero por parte de los seres humanos , las temperaturas de la superficie global han comenzado a aumentar. El calentamiento global es un aspecto del cambio climático moderno, un término que también incluye los cambios observados en las precipitaciones, las trayectorias de las tormentas y la nubosidad. Como consecuencia, se ha descubierto que los glaciares de todo el mundo se están reduciendo significativamente . [127] [128] Las capas de hielo terrestres tanto en la Antártida como en Groenlandia han estado perdiendo masa desde 2002 y han experimentado una aceleración de la pérdida de masa de hielo desde 2009. [129] Los niveles globales del mar han aumentado como consecuencia de la expansión térmica y el derretimiento del hielo. . La disminución del hielo marino del Ártico, tanto en extensión como en espesor, durante las últimas décadas es una prueba más del rápido cambio climático. [130]
Variabilidad entre regiones
Ejemplos de variabilidad climática regional
Tierra-océano. Las temperaturas del aire en la superficie de las masas terrestres han aumentado más rápidamente que las del océano, [131] el océano absorbe alrededor del 90% del exceso de calor. [132]
Hemisferios. Los cambios de temperatura promedio de los hemisferios [133] han divergido debido al mayor porcentaje de masa terrestre del Norte y a las corrientes oceánicas globales. [134]
Bandas de latitud. Tres bandas de latitud que cubren respectivamente el 30, 40 y 30 por ciento de la superficie global muestran patrones de crecimiento de temperatura mutuamente distintos en las últimas décadas. [135]
Altitud. Un gráfico de rayas cálidas ( los azules indican frío, los rojos indican calor) muestra cómo el efecto invernadero atrapa el calor en la atmósfera inferior de modo que la atmósfera superior, al recibir menos energía reflejada, se enfría. Los volcanes provocan picos de temperatura en la atmósfera superior. [136]
Global versus regional. Por razones geográficas y estadísticas, se esperan variaciones interanuales mayores [137] para regiones geográficas localizadas (por ejemplo, el Caribe) que para los promedios globales. [138]
Desviación relativa. Aunque América del Norte se ha calentado más que sus trópicos, los trópicos se han apartado más claramente de la variabilidad histórica normal (bandas de colores: desviaciones estándar de 1σ, 2σ). [139]
El calentamiento global ha variado sustancialmente según la latitud, y las zonas de latitud más septentrional experimentan los mayores aumentos de temperatura.
Además de la variabilidad climática global y el cambio climático global a lo largo del tiempo, numerosas variaciones climáticas ocurren simultáneamente en diferentes regiones físicas.
La absorción por los océanos de aproximadamente el 90% del exceso de calor ha contribuido a que las temperaturas de la superficie terrestre aumenten más rápidamente que las temperaturas de la superficie del mar. [132] El hemisferio norte, que tiene una relación masa terrestre-océano mayor que el hemisferio sur, muestra mayores aumentos de temperatura promedio. [134] Las variaciones a través de diferentes bandas de latitud también reflejan esta divergencia en el aumento de temperatura promedio, con el aumento de temperatura de los extratrópicos del norte excediendo el de los trópicos, que a su vez excede el de los extratrópicos del sur. [135]
Las regiones superiores de la atmósfera se han enfriado simultáneamente con el calentamiento en la atmósfera inferior, lo que confirma la acción del efecto invernadero y el agotamiento de la capa de ozono. [136]
Las variaciones climáticas regionales observadas confirman las predicciones sobre los cambios en curso, por ejemplo, al contrastar las variaciones globales (más suaves) de un año a otro con las variaciones de un año a otro (más volátiles) en regiones localizadas. [137] Por el contrario, comparar los patrones de calentamiento de diferentes regiones con sus respectivas variabilidades históricas permite colocar las magnitudes brutas de los cambios de temperatura en la perspectiva de lo que es la variabilidad normal para cada región. [139]
Las observaciones de la variabilidad regional permiten estudiar los puntos de inflexión climáticos regionalizados , como la pérdida de la selva tropical, el derretimiento de las capas de hielo y del hielo marino, y el deshielo del permafrost. [140] Estas distinciones subyacen a la investigación sobre una posible cascada global de puntos de inflexión . [140]
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Referencias
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