El sistema climático de la Tierra es un sistema complejo con cinco componentes que interactúan: la atmósfera (aire), la hidrosfera (agua), la criosfera (hielo y permafrost), la litosfera (la capa rocosa superior de la Tierra) y la biosfera (los seres vivos). [1] El clima es la caracterización estadística del sistema climático. [2] Representa el tiempo promedio , típicamente durante un período de 30 años, y está determinado por una combinación de procesos, como las corrientes oceánicas y los patrones de viento. [3] [4] La circulación en la atmósfera y los océanos transporta calor desde las regiones tropicales a regiones que reciben menos energía del Sol. La radiación solar es la principal fuerza impulsora de esta circulación. El ciclo del agua también mueve energía por todo el sistema climático. Además, ciertos elementos químicos se mueven constantemente entre los componentes del sistema climático. Dos ejemplos de estos ciclos bioquímicos son los ciclos del carbono y del nitrógeno .
El sistema climático puede cambiar debido a la variabilidad interna y forzamientos externos . Estos forzamientos externos pueden ser naturales, como variaciones en la intensidad solar y erupciones volcánicas, o causados por humanos. La acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera, emitidos principalmente por personas que queman combustibles fósiles , está provocando el cambio climático . La actividad humana también libera aerosoles refrescantes , pero su efecto neto es mucho menor que el de los gases de efecto invernadero. [1] Los cambios pueden verse amplificados por procesos de retroalimentación en los diferentes componentes del sistema climático.
La atmósfera envuelve la Tierra y se extiende a cientos de kilómetros de la superficie. Se compone principalmente de nitrógeno inerte (78%), oxígeno (21%) y argón (0,9%). [5] Algunos gases traza en la atmósfera, como el vapor de agua y el dióxido de carbono , son los gases más importantes para el funcionamiento del sistema climático, ya que son gases de efecto invernadero que permiten que la luz visible del Sol penetre hasta la superficie, pero bloquea parte de la radiación infrarroja que emite la superficie de la Tierra para equilibrar la radiación del Sol. Esto hace que aumente la temperatura de la superficie. [6]
El ciclo hidrológico es el movimiento del agua a través del sistema climático. El ciclo hidrológico no sólo determina los patrones de precipitación , sino que también influye en el movimiento de la energía en todo el sistema climático. [7]
La hidrosfera propiamente dicha contiene toda el agua líquida de la Tierra, y la mayor parte se encuentra en los océanos del mundo. [8] El océano cubre el 71% de la superficie de la Tierra hasta una profundidad promedio de casi 4 kilómetros (2,5 millas), [9] y el contenido de calor del océano es mucho mayor que el calor retenido por la atmósfera. [10] [11] Contiene agua de mar con un contenido de sal de alrededor del 3,5% en promedio, pero esto varía espacialmente. [9] El agua salobre se encuentra en estuarios y algunos lagos, y la mayor parte del agua dulce , el 2,5% del total, se encuentra en hielo y nieve. [12]
La criosfera contiene todas las partes del sistema climático donde el agua es sólida. Esto incluye el hielo marino , las capas de hielo , el permafrost y la capa de nieve . Debido a que hay más tierra en el hemisferio norte en comparación con el hemisferio sur , una mayor parte de ese hemisferio está cubierta de nieve. [13] Ambos hemisferios tienen aproximadamente la misma cantidad de hielo marino. La mayor parte del agua congelada está contenida en las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida , que tienen un promedio de aproximadamente 2 kilómetros (1,2 millas) de altura. Estas capas de hielo fluyen lentamente hacia sus márgenes. [14]
La corteza terrestre , específicamente las montañas y los valles, da forma a los patrones globales de viento: vastas cadenas montañosas forman una barrera a los vientos e impactan dónde y cuánto llueve. [15] [16] La tierra más cercana al océano abierto tiene un clima más moderado que la tierra más alejada del océano. [17] A los efectos de modelar el clima , la tierra a menudo se considera estática ya que cambia muy lentamente en comparación con los otros elementos que componen el sistema climático. [18] 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 lo tanto, para determinar el clima global. [19]
Por último, la biosfera también interactúa con el resto del sistema climático. La vegetación suele ser más oscura o más clara que el suelo que se encuentra debajo, de modo que una mayor o menor parte del calor del Sol queda atrapado en áreas con vegetación. [20] La vegetación es buena para atrapar agua, que luego es absorbida por sus raíces. Sin vegetación, esta agua se habría escurrido a los ríos u otros cuerpos de agua más cercanos. En cambio, el agua absorbida por las plantas se evapora, contribuyendo al ciclo hidrológico. [21] Las precipitaciones y la temperatura influyen en la distribución de las diferentes zonas de vegetación. [22] La asimilación de carbono del agua de mar mediante el crecimiento de pequeño fitoplancton es casi tanta como la de las plantas terrestres de la atmósfera. [23] Si bien los humanos son técnicamente parte de la biosfera , a menudo se les trata como componentes separados del sistema climático de la Tierra, la antroposfera , debido al gran impacto humano en el planeta. [20]
El sistema climático recibe energía del Sol y, en mucha menor medida, del núcleo de la Tierra, así como energía de las mareas de la Luna. La Tierra emite energía al espacio exterior de dos formas: refleja directamente una parte de la radiación del Sol y emite radiación infrarroja en forma de radiación de cuerpo negro . El equilibrio de la energía entrante y saliente, y el paso de la energía a través del sistema climático, determina el presupuesto energético de la Tierra . Cuando el total de energía entrante es mayor que la energía saliente, el desequilibrio energético de la Tierra es positivo y el sistema climático se está calentando. Si se gasta más energía, el desequilibrio energético es negativo y la Tierra experimenta un enfriamiento. [25]
A los trópicos llega más energía que a las regiones polares y la consiguiente diferencia de temperatura impulsa la circulación global de la atmósfera y los océanos . [26] El aire sube cuando se calienta, fluye hacia los polos y desciende nuevamente cuando se enfría, regresando al ecuador. [27] Debido a la conservación del momento angular , la rotación de la Tierra desvía el aire hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur, formando así distintas células atmosféricas. [28] Los monzones , cambios estacionales en el viento y las precipitaciones que ocurren principalmente en los trópicos, se forman debido al hecho de que las masas terrestres se calientan más fácilmente que el océano. La diferencia de temperatura induce una diferencia de presión entre la tierra y el océano, lo que genera un viento constante. [29]
El agua del océano que tiene más sal tiene una mayor densidad y las diferencias de densidad juegan un papel importante en la circulación del océano . La circulación termohalina transporta calor desde los trópicos a las regiones polares. [30] La circulación oceánica se ve impulsada además por la interacción con el viento. El componente salino también influye en la temperatura del punto de congelación . [31] Los movimientos verticales pueden hacer subir agua más fría a la superficie en un proceso llamado afloramiento , que enfría el aire de arriba. [32]
El ciclo hidrológico o ciclo del agua describe cómo ésta se mueve constantemente entre la superficie de la Tierra y la atmósfera. [33] Las plantas evapotranspiran y la luz solar evapora el agua de los océanos y otros cuerpos de agua, dejando sal y otros minerales. El agua dulce evaporada vuelve a llover posteriormente a la superficie. [34] La precipitación y la evaporación no están distribuidas uniformemente en todo el mundo: algunas regiones, como los trópicos, tienen más lluvia que evaporación y otras tienen más evaporación que lluvia. [35] La evaporación del agua requiere cantidades sustanciales de energía, mientras que durante la condensación se libera mucho calor. Este calor latente es la principal fuente de energía de la atmósfera. [36]
Los elementos químicos, vitales para la vida, circulan constantemente a través de los diferentes componentes del sistema climático. El ciclo del carbono es directamente importante para el clima, ya que determina las concentraciones de dos importantes gases de efecto invernadero en la atmósfera: CO 2 y metano . [37] En la parte rápida del ciclo del carbono, las plantas absorben dióxido de carbono de la atmósfera mediante la fotosíntesis ; posteriormente es reemitido por la respiración de los seres vivos. [38] Como parte del lento ciclo del carbono, los volcanes liberan CO 2 mediante desgasificación, liberando dióxido de carbono de la corteza y el manto de la Tierra. [39] Como el CO 2 en la atmósfera hace que la lluvia sea un poco ácida , esta lluvia puede disolver lentamente algunas rocas, un proceso conocido como erosión . Los minerales que se liberan de esta forma, transportados al mar, son utilizados por seres vivos cuyos restos pueden formar rocas sedimentarias , devolviendo el carbono a la litosfera. [40]
El ciclo del nitrógeno describe el flujo de nitrógeno activo. Como el nitrógeno atmosférico es inerte, los microorganismos primero tienen que convertirlo en un compuesto de nitrógeno activo en un proceso llamado fijación de nitrógeno , antes de que pueda usarse como componente básico de la biosfera. [41] Las actividades humanas desempeñan un papel importante en los ciclos del carbono y del nitrógeno: la quema de combustibles fósiles ha desplazado el carbono de la litosfera a la atmósfera, y el uso de fertilizantes ha aumentado enormemente la cantidad de nitrógeno fijo disponible. [42]
El clima varía constantemente, en escalas de tiempo que van desde las estaciones hasta la vida útil de la Tierra. [43] Los cambios provocados por los propios componentes y dinámicas del sistema se denominan variabilidad climática interna . El sistema también puede experimentar forzamiento externo debido a fenómenos externos al sistema (por ejemplo, un cambio en la órbita de la Tierra). [44] Los cambios más prolongados, generalmente definidos como cambios que persisten durante al menos 30 años, se denominan cambios climáticos , [45] aunque esta frase suele referirse al cambio climático global actual . [46] Cuando el clima cambia, los efectos pueden acumularse unos sobre otros, extendiéndose en cascada a través de las otras partes del sistema en una serie de retroalimentaciones climáticas (por ejemplo, cambios en el albedo ), produciendo muchos efectos diferentes (por ejemplo, aumento del nivel del mar ). [47]
Los componentes del sistema climático varían continuamente, incluso sin presiones externas (forzamiento externo). Un ejemplo en la atmósfera es la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), que opera como un balancín de presión atmosférica. Las Azores portuguesas suelen tener una presión alta, mientras que en Islandia suele haber una presión más baja . [49] La diferencia de presión oscila y esto afecta los patrones climáticos en toda la región del Atlántico Norte hasta Eurasia central . [50] Por ejemplo, el clima en Groenlandia y Canadá es frío y seco durante una NAO positiva. [51] Las diferentes fases de la oscilación del Atlántico Norte pueden mantenerse durante varias décadas. [52]
El océano y la atmósfera también pueden trabajar juntos para generar espontáneamente una variabilidad climática interna que puede persistir durante años o décadas seguidas. [53] [54] Ejemplos de este tipo de variabilidad incluyen El Niño-Oscilación del Sur , la oscilación decenal del Pacífico y la oscilación multidecenal del Atlántico . Estas variaciones pueden afectar la temperatura superficial promedio global al redistribuir el calor entre las profundidades del océano y la atmósfera; [55] [56] sino también alterando la distribución de las nubes, el vapor de agua o el hielo marino, lo que puede afectar el presupuesto energético total de la Tierra. [57] [58]
Los aspectos oceánicos de estas oscilaciones pueden generar variabilidad en escalas de tiempo centenarias debido a que el océano tiene cientos de veces más masa que la atmósfera y, por 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. Comprender la variabilidad interna ayudó a los científicos a atribuir el cambio climático reciente a los gases de efecto invernadero. [59]
En escalas de tiempo largas, el clima está determinado principalmente por la cantidad de energía que hay en el sistema y hacia dónde se dirige. Cuando el presupuesto energético de la Tierra cambia, el clima lo sigue. Un cambio en el presupuesto energético se denomina forzamiento, y cuando el cambio es causado por algo externo a los cinco componentes del sistema climático, se denomina forzamiento externo . [60] Los volcanes, por ejemplo, son el resultado de procesos profundos dentro de la tierra que no se consideran parte del sistema climático. Los cambios fuera del planeta, como la variación solar y la llegada de asteroides, también son "externos" a los cinco componentes del sistema climático, al igual que las acciones humanas. [61]
El principal valor para cuantificar y comparar los forzamientos climáticos es el forzamiento radiativo .
El Sol es la fuente predominante de energía que llega a la Tierra e impulsa la circulación atmosférica. [62] La cantidad de energía proveniente del Sol varía en escalas de tiempo más cortas, incluido el ciclo solar de 11 años [63] y escalas de tiempo a más largo plazo. [64] Si bien el ciclo solar es demasiado pequeño para calentar y enfriar directamente la superficie de la Tierra, influye directamente en una capa superior de la atmósfera, la estratosfera , que puede tener un efecto en la atmósfera cerca de la superficie. [sesenta y cinco]
Ligeras variaciones en el movimiento de la Tierra pueden causar grandes cambios en la distribución estacional de la luz solar que llega a la superficie de la Tierra y en cómo se distribuye en todo el mundo, aunque no en la luz solar promedio global y anual. 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. En conjunto, estos producen los ciclos de Milankovitch , que afectan el clima y se destacan por su correlación con los períodos glaciales e interglaciares . [66]
Los gases de efecto invernadero atrapan el calor en la parte inferior de la atmósfera absorbiendo radiación de onda larga . En el pasado de la Tierra, muchos procesos contribuyeron a las variaciones en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Actualmente, las emisiones humanas son la causa del aumento de las concentraciones de algunos gases de efecto invernadero, como el CO 2 , el metano y el N 2 O . [67] El contribuyente dominante al efecto invernadero es el vapor de agua (~50%), y las nubes (~25%) y el CO 2 (~20%) también desempeñan un papel importante. Cuando aumentan las concentraciones de gases de efecto invernadero de larga duración, como el CO 2 , y aumenta la temperatura, también aumenta la cantidad de vapor de agua, de modo que el vapor de agua y las nubes no se consideran forzamientos externos, sino más bien retroalimentaciones. [68] La erosión de carbonatos y silicatos elimina carbono de la atmósfera. [69]
Las partículas líquidas y sólidas de la atmósfera, denominadas colectivamente aerosoles , tienen diversos efectos sobre el clima. Algunos dispersan principalmente la luz solar y, por tanto, enfrían el planeta, mientras que otros absorben la luz solar y calientan la atmósfera. [70] Los efectos indirectos incluyen el hecho de que los aerosoles pueden actuar como núcleos de condensación de nubes , estimulando la formación de nubes. [71] Las fuentes naturales de aerosoles incluyen espuma marina , polvo mineral , meteoritos y volcanes , pero los humanos también contribuyen [70] ya que la actividad humana, como la combustión de biomasa o combustibles fósiles, libera aerosoles a la atmósfera. Los aerosoles contrarrestan una parte de los efectos de calentamiento de los gases de efecto invernadero emitidos, pero sólo hasta que vuelven a caer a la superficie en unos pocos años o menos. [72]
Aunque los volcanes son técnicamente parte de la litosfera, que a su vez es parte del sistema climático, el vulcanismo se define como un agente forzante externo. [73] En promedio, sólo hay varias erupciones volcánicas por siglo que influyen en el clima de la Tierra durante más de un año al expulsar toneladas de SO 2 a la estratosfera . [74] [75] El dióxido de azufre se convierte químicamente en aerosoles que causan enfriamiento al bloquear una fracción de la luz solar en la superficie de la Tierra. Las pequeñas erupciones afectan la atmósfera sólo sutilmente. [74]
Los cambios en la cobertura del suelo, como el cambio de la cobertura del agua (por ejemplo, aumento del nivel del mar , secado de lagos e inundaciones repentinas ) o la deforestación , particularmente debido al uso humano de la tierra, pueden afectar el clima. La reflectividad del área puede cambiar, haciendo que la región capture más o menos luz solar. Además, la vegetación interactúa con el ciclo hidrológico, por lo que las precipitaciones también se ven afectadas. [76] Los incendios paisajísticos liberan gases de efecto invernadero a la atmósfera y liberan carbono negro , que oscurece la nieve y facilita su derretimiento. [77] [78]
Los diferentes elementos del sistema climático responden al forzamiento externo de diferentes maneras. Una diferencia importante entre los componentes es la velocidad a la que reaccionan ante un forzamiento. La atmósfera suele responder en un par de horas o semanas, mientras que las profundidades del océano y las capas de hielo tardan de siglos a milenios en alcanzar un nuevo equilibrio. [82]
La respuesta inicial de un componente a un forzamiento externo puede verse amortiguada por retroalimentaciones negativas y realzada por retroalimentaciones positivas . Por ejemplo, una disminución significativa de la intensidad solar conduciría rápidamente a una disminución de la temperatura en la Tierra, lo que permitiría que la capa de hielo y nieve se expandiera. La nieve y el hielo adicionales tienen un albedo o reflectividad más alto y, por lo tanto, reflejan más radiación del Sol hacia el espacio antes de que pueda ser absorbida por el sistema climático en su conjunto; esto a su vez hace que la Tierra se enfríe aún más. [83]